JP2023018342A - Fuel gas production device and fuel gas production method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料ガス製造装置および燃料ガス製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel gas production device and a fuel gas production method.
リグノセルロース系バイオマスは、植物細胞の細胞壁、即ち植物繊維の主成分を構成する、地球上に多く存在する有機炭素源であることから、石油などの化石燃料に代わるエネルギー資源として注目されている。また、リグノセルロース系バイオマスは、難分解性の有機性廃棄物であることから、分解の段階において多大なエネルギー、コスト、及び時間を要する。そのため、エネルギー資源としての利用の拡大が滞っているのが実情である。 Lignocellulosic biomass is an organic carbon source abundantly present on the earth, which constitutes the cell wall of plant cells, that is, the main component of plant fibers. In addition, since lignocellulosic biomass is a persistent organic waste, the decomposition stage requires a great deal of energy, cost and time. Therefore, the actual situation is that the expansion of its use as an energy resource is stagnant.
従来、リグノセルロース系バイオマスを、反芻動物の第一胃液(ルーメン液)に存在するルーメン微生物を利用して分解することにより酢酸等の揮発性脂肪酸を生産し、揮発性脂肪酸を基質としてメタン発酵を行うことで、バイオガスを作り出す技術が知られている(例えば、非特許文献1)。 Conventionally, lignocellulosic biomass is decomposed using rumen microorganisms present in the rumen juice of ruminants to produce volatile fatty acids such as acetic acid, and methane fermentation is performed using volatile fatty acids as substrates. A technique for producing biogas is known (for example, Non-Patent Document 1).
非特許文献1には、セルロースを分解して揮発性脂肪酸を生産するための酸生成槽(第1反応器)にメタン生成槽(第2反応器)を連結した2相式プロセスが開示されている。具体的には、酸生成槽では、ルーメン微生物のはたらきによりセルロースが分解されて揮発性脂肪酸が生産され、膜分離装置を利用して揮発性脂肪酸を多く含む液相がメタン生成槽に供給され、揮発性脂肪酸を基質としてメタン発酵が行われることによりメタンガスが生成することが開示されている。 Non-Patent Document 1 discloses a two-phase process in which a methane-producing tank (second reactor) is connected to an acid-producing tank (first reactor) for decomposing cellulose to produce volatile fatty acids. there is Specifically, in the acid production tank, rumen microorganisms work to decompose cellulose to produce volatile fatty acids, and a liquid phase containing a large amount of volatile fatty acids is supplied to the methane production tank using a membrane separator. It is disclosed that methane gas is produced by methane fermentation using volatile fatty acids as substrates.
しかしながら、非特許文献1に記載の2相式プロセスにおいては、固形物滞留時間(SRT:Sludge retension time)の調節の都合上、固液分離が行われることから、酸生成槽内の処理液の固形物濃度(TS)を1.0重量%以下にする必要がある。そのため、大量の培地や希釈水が必要となり、それに起因して、メタン生成設備は、巨大な容量のメタン発酵槽、または高負荷対応が可能なUASB方式やEGSB方式に限定され、既設のメタン発酵槽に適用しようとしても槽容量が不十分であることから適用できない、という問題があった。また、UASB方式やEGSB方式のメタン発酵槽を適用すると、酸生成槽内の浮遊物質を多く含む(SS濃度が高い)懸濁液は処理されず、固液分離された膜ろ過水のみが処理されるため、系外に懸濁液が排出され、固形廃棄物が多く発生するといった問題があった。 However, in the two-phase process described in Non-Patent Document 1, solid-liquid separation is performed for the convenience of adjusting the solid retention time (SRT: Sludge retention time). The solids concentration (TS) should be 1.0% by weight or less. Therefore, a large amount of culture medium and dilution water are required, and as a result, methane production equipment is limited to huge capacity methane fermentation tanks, or UASB and EGSB systems that can handle high loads, and existing methane fermentation There was a problem that even if it was attempted to apply it to a tank, it could not be applied due to insufficient tank capacity. In addition, when the UASB method or EGSB method methane fermentation tank is applied, the suspension containing a lot of suspended solids (high SS concentration) in the acid production tank is not treated, and only the solid-liquid separated membrane filtered water is treated. Therefore, there is a problem that a suspension is discharged out of the system and a large amount of solid waste is generated.
そこで、本発明は、有機性廃棄物の分解が行われる処理液中の固形物濃度(TS)を調整するための人工培地(人工だ液)などの液体培地や希釈水の使用量を低減することができるとともに、固形廃棄物の排出量を低減することができるバイオマス由来の燃料ガスを製造するための燃料ガス製造装置および燃料ガス製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention reduces the amount of liquid medium such as artificial medium (artificial saliva) and dilution water used for adjusting the solid concentration (TS) in the treatment liquid in which organic waste is decomposed. It is an object of the present invention to provide a fuel gas production apparatus and a fuel gas production method for producing biomass-derived fuel gas that can reduce the amount of solid waste discharged.
上記課題を解決するために、本発明の燃料ガス製造装置は、バイオマス由来の燃料ガスを製造するための燃料ガス製造装置であって、ルーメン微生物を培養する培養槽と、前記培養槽内において得られた前記ルーメン微生物の培養液と有機性廃棄物とを混合し、前記有機性廃棄物を処理して易分解性有機性廃棄物及び揮発性脂肪酸に変換する前処理槽と、前記前処理槽内において得られた前記易分解性有機性廃棄物及び前記揮発性脂肪酸を基質として発酵を行う発酵槽とを備える。 In order to solve the above problems, the fuel gas production apparatus of the present invention is a fuel gas production apparatus for producing biomass-derived fuel gas, comprising a culture tank for culturing rumen microorganisms, and a pretreatment tank for mixing the culture solution of said rumen microorganisms and organic waste, and treating said organic waste to convert it into easily decomposable organic waste and volatile fatty acids; and said pretreatment tank. and a fermenter for fermenting the easily decomposable organic waste and the volatile fatty acid obtained in the interior as substrates.
上記構成によれば、培養槽において、有機性廃棄物を分解するルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)を培養し、下流の前処理槽に安定供給することができる。そのため、燃料ガス製造装置を運転する際に、その都度、ルーメン液を反芻動物から採取し、燃料ガス製造装置が設置された施設まで運搬する頻度が低減されることから、コストを削減することができる。また、前処理槽は、有機性廃棄物を処理して、有機性廃棄物の部分分解物等の易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸の生成等の機能に特化されているため、前処理槽への有機性廃棄物の供給量を通常よりも高く設定することができる。さらに、前処理槽内の前処理液は、固液分離が行われる必要がなく、下流に連結する発酵槽に供給されるため、国内外で多く普及する固形(スラリー状)廃棄物の処理を行う完全混合型の発酵(嫌気性消化)方式の発酵槽を採用することができる。完全混合型の発酵方式の発酵槽は、上流の前処理槽内で固液分離された前処理液の膜ろ過水のみの処理を行うUASBとは異なり、懸濁液についても処理することができるため、人工培地(人工だ液)などの液体培地や希釈水の使用量を低減することができる。また、前処理液の懸濁液に含まれる易分解性有機性廃棄物を基質として発酵が行われることから、固形廃棄物の排出量を低減することができるとともに、生成する燃料ガスの増産が期待できる。さらに、培養槽、前処理槽、及び発酵槽と、各槽で行われる処理が明確であるため、運転管理やトラブル対応が容易となる。 According to the above configuration, rumen microorganisms (lignocellulose-degrading bacteria) that decompose organic waste can be cultured in the culture tank and stably supplied to the downstream pretreatment tank. Therefore, each time the fuel gas production device is operated, the rumen fluid is collected from the ruminant and transported to the facility where the fuel gas production device is installed. can. In addition, since the pretreatment tank is specialized for the function of treating organic waste and producing easily decomposable organic waste such as partially decomposed organic waste and volatile fatty acids, The amount of organic waste supplied to the pretreatment tank can be set higher than usual. In addition, the pretreatment liquid in the pretreatment tank does not need to undergo solid-liquid separation, and is supplied to the fermentation tank connected downstream. A fermenter of a complete mixing type fermentation (anaerobic digestion) system can be adopted. Unlike the UASB, which processes only the membrane-filtered water of the pretreatment liquid separated into solids and liquids in the upstream pretreatment tank, the fermenter of the complete mixing type fermentation method can also process suspensions. Therefore, the amount of liquid culture medium such as artificial culture medium (artificial saliva) and dilution water used can be reduced. In addition, since fermentation is performed using the easily decomposable organic waste contained in the suspension of the pretreatment liquid as a substrate, the amount of solid waste discharged can be reduced and the production of fuel gas generated can be increased. I can expect it. Furthermore, since the processes performed in each of the culture tank, pretreatment tank, and fermentation tank are clearly defined, operation management and troubleshooting are facilitated.
また、本発明の燃料ガス製造装置において、前記有機性廃棄物を所定の比率で前記培養槽と前記前処理槽とに供給するように構成されていてもよい。 Moreover, in the fuel gas production apparatus of the present invention, the organic waste may be supplied to the culture tank and the pretreatment tank at a predetermined ratio.
上記構成によれば、有機性廃棄物を所定の比率で培養槽と前処理槽とに供給することで、培養槽では、有機性廃棄物の分解活性が高いルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)を培養することができ、前処理槽では、有機性廃棄物の部分分解物等の易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸の生成等が効率的に行われる。 According to the above configuration, organic waste is supplied to the culture tank and the pretreatment tank at a predetermined ratio, so that rumen microorganisms (lignocellulose-degrading bacteria) having high organic waste-decomposing activity are generated in the culture tank. It can be cultured, and in the pretreatment tank, easily decomposable organic waste such as partially decomposed organic waste and volatile fatty acids are efficiently produced.
また、本発明の燃料ガス製造装置において、前記前処理槽内において得られた前記易分解性有機性廃棄物及び前記揮発性脂肪酸を含む前処理液を前記培養槽へ供給するように構成されていてもよい。 Further, in the fuel gas production apparatus of the present invention, the pretreatment liquid containing the easily decomposable organic waste and the volatile fatty acid obtained in the pretreatment tank is supplied to the culture tank. may
上記構成によれば、前処理槽内の前処理液には、リグノセルロース分解細菌の栄養源として、有機性廃棄物に含まれるリグノセルロースの未分解物もしくは部分分解物や、窒素源やリン源となる物質が含まれるため、前処理液を前記培養槽へ供給することによって、培養槽内のリグノセルロース分解細菌の生育・増殖がより促進されるとともに、さらなる加水分解により、揮発性脂肪酸等の生産量が向上する。 According to the above configuration, the pretreatment liquid in the pretreatment tank contains, as a nutrient source for lignocellulose-degrading bacteria, undecomposed or partially decomposed lignocellulose contained in the organic waste, a nitrogen source, and a phosphorus source. Since it contains a substance that becomes Increased productivity.
また、本発明の燃料ガス製造装置において、前記培養槽内において前記培養液を固液分離する固液分離手段をさらに備えていてもよい。 Moreover, the fuel gas production apparatus of the present invention may further include solid-liquid separation means for performing solid-liquid separation of the culture solution in the culture tank.
上記構成によれば、培養槽内に固液分離手段を設けることによって、培養槽内の培養液を、リグノセルロース分解細菌の生育・増殖にとって好ましくない高濃度の揮発性脂肪酸を含むろ過液とリグノセルロース分解細菌が多く付着した浮遊物質を含む懸濁液とに分離することができる。そのため、水理学的滞留時間(HRT:Hydraulic Retention Time)と固形物滞留時間(SRT:Sludge retention time)の個別の制御が可能となり、揮発性脂肪酸を多く含むろ過液が培養槽から排出され、懸濁液に含まれるリグノセルロース分解細菌の生育・増殖が促進される。 According to the above configuration, by providing the solid-liquid separation means in the culture tank, the culture solution in the culture tank is separated from the filtrate containing a high concentration of volatile fatty acids, which is not preferable for the growth and proliferation of lignocellulose-degrading bacteria, and the lignobacterium. It can be separated into a suspension containing suspended matter to which many cellulolytic bacteria are attached. Therefore, the hydraulic retention time (HRT) and the solid retention time (SRT) can be individually controlled, and the filtrate containing a large amount of volatile fatty acids is discharged from the culture tank and suspended. Growth and multiplication of lignocellulose-degrading bacteria contained in the turbid liquid are promoted.
また、本発明の燃料ガス製造装置において、易分解性の有機性廃棄物を前記発酵槽に供給するように構成されていてもよい。 Moreover, in the fuel gas production apparatus of the present invention, easily decomposable organic waste may be supplied to the fermenter.
上記構成によれば、易分解性の有機性廃棄物を発酵槽に供給し、前処理槽には供給しないため、前処理槽をコンパクト化することができる。それに伴い、人工培地(人工だ液)などの液体培地や希釈水の使用量を低減することができる。 According to the above configuration, easily decomposable organic waste is supplied to the fermentation tank and not supplied to the pretreatment tank, so the pretreatment tank can be made compact. Accordingly, the amount of liquid culture medium such as artificial culture medium (artificial saliva) and dilution water used can be reduced.
上記課題を解決するために、本発明の燃料ガス製造方法は、バイオマス由来の燃料ガスを製造するための燃料ガス製造方法であって、ルーメン微生物を培養する培養工程と、前記培養工程において得られた前記ルーメン微生物の培養液と有機性廃棄物とを混合し、前記有機性廃棄物を処理して易分解性有機性廃棄物及び揮発性脂肪酸に変換する前処理工程と、前記前処理工程において得られた前記易分解性有機性廃棄物及び前記揮発性脂肪酸を基質として発酵を行う発酵工程とを備え、前記培養工程は、前記培養液を固液分離する固液分離工程をさらに備える。 In order to solve the above problems, the fuel gas production method of the present invention is a fuel gas production method for producing a biomass-derived fuel gas, comprising a culturing step of culturing rumen microorganisms, and a pretreatment step of mixing the rumen microorganism culture solution and organic waste, treating the organic waste and converting it into readily degradable organic waste and volatile fatty acids; a fermentation step of performing fermentation using the obtained easily decomposable organic waste and the volatile fatty acid as substrates, and the culture step further includes a solid-liquid separation step of solid-liquid separating the culture solution.
上記構成によれば、培養工程において、有機性廃棄物を分解するルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)を培養し、前処理工程が実施される前処理槽に安定供給することができる。そのため、燃料ガス製造方法を実施する際に、その都度、ルーメン液を反芻動物から採取し、燃料ガス製造方法を実施する施設まで運搬する頻度が低減されることから、コストを削減することができる。また、前処理工程が実施される前処理槽は、有機性廃棄物の部分分解物等の易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸の生成等の機能に特化されているため、前処理槽への有機性廃棄物の供給量を通常よりも高く設定することができる。さらに、前処理槽内の前処理液は、固液分離が行われる必要がなく、下流の発酵槽に供給されるため、国内外で多く普及する固形(スラリー状)廃棄物の処理を行う完全混合型の発酵(嫌気性消化)方式の発酵槽を採用して発酵工程を実施することができる。完全混合型の発酵方式の発酵槽は、固液分離された前処理液の膜ろ過水のみを処理することができるUASB等とは異なり、懸濁液についても処理することができるため、人工培地(人工だ液)などの液体培地や希釈水の使用量を低減することができる。また、前処理液の懸濁液に含まれる易分解性有機性廃棄物を基質として発酵が行われることから、固形廃棄物の排出量を低減することができるとともに、生成する燃料ガスの増産が期待できる。さらに、培養工程、前処理工程、及び発酵工程と、各工程で行われる処理が明確であるため、運転管理やトラブル対応が容易となる。また、培養工程が、ルーメン微生物の培養液をろ過液と懸濁液とに固液分離する固液分離工程を備えることによって、培養槽内の培養液を、リグノセルロース分解細菌の生育・増殖にとって好ましくない高濃度の揮発性脂肪酸を多く含むろ過液とリグノセルロース分解細菌が多く付着した浮遊物質を含む懸濁液とに分離することができる。そのため、水理学的滞留時間(HRT)と固形物滞留時間(SRT)の個別の制御が可能となり、揮発性脂肪酸を多く含むろ過液が培養槽から排出され、懸濁液に含まれるリグノセルロース分解細菌の生育・増殖が促進される。 According to the above configuration, in the culturing step, rumen microorganisms (lignocellulose-degrading bacteria) that decompose organic waste can be cultured and stably supplied to the pretreatment tank in which the pretreatment step is performed. Therefore, each time the fuel gas production method is carried out, the rumen fluid is collected from the ruminant and the frequency of transporting it to the facility where the fuel gas production method is carried out is reduced, thereby reducing costs. . In addition, since the pretreatment tank in which the pretreatment process is performed is specialized for functions such as the generation of easily decomposable organic waste such as partial decomposition products of organic waste and the generation of volatile fatty acids, pretreatment The organic waste feed rate to the tank can be set higher than normal. In addition, the pretreatment liquid in the pretreatment tank does not need to undergo solid-liquid separation and is supplied to the downstream fermentation tank. The fermentation process can be carried out using a mixed fermentation (anaerobic digestion) type fermenter. Unlike UASB, etc., which can only process the membrane-filtered water of the pretreatment liquid that has undergone solid-liquid separation, the fermenter of the complete mixing type fermentation method can also process suspensions, so artificial culture medium It is possible to reduce the amount of liquid medium such as (artificial saliva) and dilution water used. In addition, since fermentation is performed using the easily decomposable organic waste contained in the suspension of the pretreatment liquid as a substrate, the amount of solid waste discharged can be reduced and the production of fuel gas generated can be increased. I can expect it. Furthermore, since the culture process, the pretreatment process, and the fermentation process are clearly defined, operation management and troubleshooting are facilitated. In addition, the culture step includes a solid-liquid separation step of solid-liquid separation of the culture solution of rumen microorganisms into a filtrate and a suspension, so that the culture solution in the culture tank is used for the growth and proliferation of lignocellulose-degrading bacteria. The filtrate can be separated into a filtrate containing a large amount of unfavorably high concentrations of volatile fatty acids and a suspension containing a large amount of lignocellulolytic bacteria adhering suspended matter. Therefore, separate control of the hydraulic retention time (HRT) and the solids retention time (SRT) is possible, the filtrate rich in volatile fatty acids is discharged from the culture tank, and the lignocellulose contained in the suspension is degraded. Promotes the growth and proliferation of bacteria.
また、本発明の燃料ガス製造方法において、前記発酵工程は、メタン発酵工程、及び水素発酵工程の少なくとも一方を含んでいてもよい。 Moreover, in the fuel gas production method of the present invention, the fermentation process may include at least one of a methane fermentation process and a hydrogen fermentation process.
上記構成によれば、前記発酵工程は、メタン発酵工程、及び水素発酵工程の少なくとも一方を含むことによって、燃料ガスとして利用可能なメタンガスや水素ガスを目的に応じて製造することができる。 According to the above configuration, the fermentation process includes at least one of the methane fermentation process and the hydrogen fermentation process, so that methane gas and hydrogen gas that can be used as fuel gas can be produced according to the purpose.
本発明によれば、有機性廃棄物の分解が行われる処理液中の固形物濃度(TS)を調整するための人工培地(人工だ液)などの液体培地や希釈水の使用量を低減することができるとともに、固形廃棄物の排出量を低減することができる。 According to the present invention, the amount of liquid medium such as artificial medium (artificial saliva) and dilution water used for adjusting the solids concentration (TS) in the treatment liquid in which organic waste is decomposed is reduced. and reduce solid waste emissions.
本発明に係るバイオマス由来の燃料ガスを製造するための燃料ガス製造装置、及びバイオマス由来の燃料ガスを製造するための燃料ガス製造方法に関する実施形態や図面について、以下に具体的に説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施形態や図面に記載されている構成に限定されることを意図しない。 Embodiments and drawings relating to a fuel gas production apparatus for producing biomass-derived fuel gas and a fuel gas production method for producing biomass-derived fuel gas according to the present invention will be specifically described below. However, the present invention is not intended to be limited to the embodiments described below or the configurations described in the drawings.
(第1実施形態)
以下、図1及び図2を用いて、第1実施形態に係る燃料ガス製造装置100及び燃料ガス製造方法を説明する。図1は、第1実施形態に係る燃料ガス製造装置100の概略構成を示す図である。図2は、第1実施形態に係る燃料ガス製造装置100の培養槽10の概略構成を示す図である。
(First embodiment)
Hereinafter, a fuel
図1に示す燃料ガス製造装置100は、有機性廃棄物Bを原料として、バイオメタンガスやバイオ水素等の燃料ガスを製造する装置である。燃料ガス製造装置100は、ルーメン微生物を培養する培養槽10、有機性廃棄物Bを処理するルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)を用いて有機性廃棄物Bを下流の発酵槽30で利用されやすい形(易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸)に変換(分解)する前処理槽20、及び有機性廃棄物Bの分解物である易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸を基質として発酵を行い、燃料ガスを生成する発酵槽30により構成される3相式のシステムである。
A fuel
(培養槽)
培養槽10では、牛などの反芻動物から採取されたルーメン液に存在するルーメン微生物が培養されている。培養槽10に、人工培地(人工だ液)などの液体培地Mと有機性廃棄物Bが供給されると、ルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)が有機性廃棄物Bを分解代謝することにより増殖するとともに有機性廃棄物Bの分解物(リグノセルロースの部分分解物等の易分解性有機性廃棄物や酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸等の揮発性脂肪酸(VFA:Volatile Fatty Acid))が生産される。また、培養槽10内のリグノセルロース分解細菌の培養液は、下流の前処理槽20に安定供給される。
(Cultivation tank)
In the
培養槽10は、牛などの反芻動物の第一胃(ルーメン)の生理状態を模擬した条件とすることが好ましい。また、リグノセルロース分解細菌の増殖が十分となるように、固液分離手段40により水理学的滞留時間(HRT)と固形物滞留時間(SRT)が任意に制御されることが好ましい。リグノセルロース分解細菌は、培養液中の固形物の表面に付着して増殖するため、HRTよりもSRTが長くなるように運転制御されることが好ましい。
The
(前処理槽)
前処理槽20には、上流の培養槽10からリグノセルロース分解細菌の培養液が供給され、さらに、有機性廃棄物Bが投入されて混合される。前処理槽20では、有機性廃棄物Bがリグノセルロース分解細菌のはたらきにより分解され、低分子化された有機性廃棄物Bの分解物(リグノセルロースの部分分解物等の易分解性有機性廃棄物や酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸等の揮発性脂肪酸(VFA:Volatile Fatty Acid))が生産される。なお、前処理槽20において、易分解性有機性廃棄物及び揮発性脂肪酸から選択される少なくとも一つが生産されていればよい。前処理槽20は、培養槽10と同様、牛などの反芻動物の第一胃(ルーメン)の生理状態を模擬した条件とすることが好ましい。
(Pretreatment tank)
A culture solution of lignocellulose-degrading bacteria is supplied from the
燃料ガス製造装置100において、有機性廃棄物Bを所定の比率(例えば1:10)で培養槽10と前処理槽20とにそれぞれ供給することが好ましい。培養槽10では有機性廃棄物Bの分解活性が高いルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)を培養することができ、前処理槽20では有機性廃棄物Bの処理が効率的に行われる。
In the fuel
(発酵槽)
発酵槽30に、前処理槽20から易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸を多く含む前処理液が供給されると、易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸を基質(原料)とする発酵反応が進行し、燃料ガスGが生成する。発酵槽30に供給される基質としては、易分解性有機性廃棄物及び揮発性脂肪酸から選択される少なくとも一つが含まれていればよい。発酵槽30内において行われる発酵反応は、バイオメタンガスの生成に寄与するメタン発酵の他、バイオ水素の生成に寄与する水素発酵であってもよく、例えば、第一段階として、水素発酵が行われた後に、第二段階としてメタン発酵が行われる、水素・メタン二段発酵であってもよい。なお、発酵槽30から排出される発酵残渣Rは濃縮され、肥料や建築資材等として利用することができる。
(Fermentation tank)
When the pretreatment liquid containing a large amount of easily decomposable organic waste and volatile fatty acids is supplied from the
上記のとおり、本実施形態に係る燃料ガス製造装置100によれば(1)ルーメン微生物を培養する培養槽10、(2)有機性廃棄物Bを処理して易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸を生産する前処理槽20、及び(3)易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸を基質として発酵反応を行う発酵槽30、と各槽の役割が分かれているので、運転制御が行いやすいという利点がある。
As described above, according to the fuel
(固液分離手段)
図2は、第1実施形態に係る燃料ガス製造装置100の培養槽10の概略構成を示す図であり、培養槽10に設置される固液分離手段40として、ろ過膜41が図示されている。固液分離手段40は、培養液をろ過液と懸濁液とに分離する。図2に示すように、培養槽10では、培養液が撹拌機50で攪拌され、ろ過膜41により固液分離されたろ過液及び未分解もしくは部分分解された浮遊物質を含む懸濁液が、それぞれろ過液送液管11及び懸濁液送液管12を通して下流の前処理槽20に送られる。培養液のろ過液と懸濁液が培養槽10から引き抜かれて前処理槽20に送られる量をポンプPにより適宜調整することによって、培養液の水理学的滞留時間(HRT)及び固形物滞留時間(SRT)が個別に制御される。培養液のろ過液と懸濁液には多数のリグノセルロース分解細菌が含まれるため、下流の前処理槽20に供給されると、有機性廃棄物Bの分解が効率的に行われる。なお、図2においては、固液分離手段40として、ろ過膜41による膜分離方法が図示されているが、重力沈降分離法、浮上分離法による分離であってもよい(図示せず)。また、固液分離手段40として、膜分離方法を行う場合、図2のように、ろ過膜41全体が培養液に浸漬した状態で、ろ過膜41の内部が陰圧となるように設置されてもよいが、ろ過液送液管11のポンプPの動力を軽減し、且つ、浮遊物質によるろ過膜41の目詰まりを軽減するために、ろ過膜41の上端部が培養液の液面よりも上方に位置するように浸漬した状態で、ろ過膜41の内外が等圧となるように設置されてもよい(図示せず)。
(Solid-liquid separation means)
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the
(第2実施形態)
図3は、第2実施形態に係る燃料ガス製造装置101の概略構成を示す図である。第2実施形態に係る燃料ガス製造装置101は、第1実施形態に係る燃料ガス製造装置100に、有機性廃棄物Bを希釈水Wと混合して前処理槽20に投入し、前処理槽20内で得られた前処理液を培養槽10に供給する前処理液供給管21をさらに備える。前処理液にはリグノセルロースの未分解物もしくは部分分解物や、窒素源やリン源となる物質が含まれるため、培養槽10に供給することで、培養液中のリグノセルロース分解細菌の生育・増殖がより促進されるとともに、さらなる加水分解により、揮発性脂肪酸や、分子量の小さい易分解性有機性廃棄物の生産量が向上する。
(Second embodiment)
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel
(第3実施形態)
図4は、第3実施形態に係る燃料ガス製造装置の概略構成102を示す図である。第3実施形態に係る燃料ガス製造装置102は、第1実施形態に係る燃料ガス製造装置100に、易分解性の有機性廃棄物Cを前記発酵槽に供給する経路をさらに備える。易分解性の有機性廃棄物Cとしては、家畜糞尿、汚泥、生ごみ等が挙げられる。第3実施形態に係る燃料ガス製造装置102においては、易分解性の有機性廃棄物Cを発酵槽30に供給し、前処理槽20には供給しないため、前処理槽20をコンパクト化することができる。それに伴い、人工培地(人工だ液)などの液体培地Mや希釈水Wの使用量を低減することができる。
(Third Embodiment)
FIG. 4 is a diagram showing a
図5は、従来の2相型のプロセスにより構成される燃料ガス製造装置200を示す図である。従来の燃料ガス製造装置200は、ルーメン微生物の培養と有機性廃棄物Bの分解とが一槽の培養槽兼前処理槽220内で行われる。培養槽兼前処理槽220内の前処理液は、ろ過膜41(固液分離手段40)により固液分離され、ろ過液がろ過液送液管11を通して下流のUASB230に送られる。UASB230内では、ろ過液に含まれる揮発性脂肪酸を基質としてメタン発酵が行われる。
FIG. 5 is a diagram showing a fuel
培養槽兼前処理槽220内の前処理液の固液分離が問題なく行われるためには、培養槽兼前処理槽220に供給する有機性廃棄物Bの固形物濃度(TS)が、概ね1.0重量%以下となるように調整することが必要である。固形物濃度(TS)調整のために、多量の人工培地(人工だ液)などの液体培地Mや希釈水Wが必要となることから、培養槽兼前処理槽220の下流に連結するメタン発酵槽としては、高負荷対応が可能なUASBやEGSBに限定される。しかしながら、UASB230は、上流の培養槽兼前処理槽220から供給される前処理液のSS濃度が500mg/L(EGSBの場合は、1000mg/L)を超えると、メタン発酵槽内に存在するグラニュール汚泥の沈降に悪影響を及ぼすことから、UASB230には、前処理液がろ過膜41により固液分離されたろ過液のみが供給される。そのため、UASB230においては、未分解の懸濁物質を多く含む前処理液(懸濁液)を処理することができず、大量の固形廃棄物Sが排出される。
In order for the solid-liquid separation of the pretreatment liquid in the culture tank/
(燃料ガス製造方法)
本発明における燃料ガス製造方法について、以下、詳細に説明する。本件発明における燃料ガスとしては、メタン発酵により生成されるバイオメタンガスや水素発酵により生成されるバイオ水素が含まれる。バイオガスは、メタン約60%、二酸化炭素約40%で構成されるが、そのまま燃料として使用されてもよいし、二酸化炭素を除去して高濃度のメタンガスとして使用されてもよい。
(Fuel gas production method)
The fuel gas production method according to the present invention will be described in detail below. The fuel gas in the present invention includes biomethane gas produced by methane fermentation and biohydrogen produced by hydrogen fermentation. Biogas is composed of about 60% methane and about 40% carbon dioxide, and may be used as fuel as it is, or may be used as high-concentration methane gas after removing carbon dioxide.
[有機性廃棄物]
バイオメタンガスやバイオ水素等の燃料ガスの原料となる有機性廃棄物としては、森林間伐材、稲藁、籾殻、バガス、茅、水草等の未利用農林産廃棄物のほか、野菜屑、茶殻、コーヒー滓、おから、焼酎滓、建築廃材、古紙・廃紙、都市ゴミ等のリグノセルロース系産業廃棄物、またはエリアンサスやジャイアントミスカンサス等のバイオマス資源作物のようなリグノセルロース系バイオマスが挙げられる。また、シュレッダーにより裁断化された紙は、繊維が壊れ、リサイクルし難いものとして焼却されているが、このような裁断化された紙についても原料として利用することができる。さらに、上記に挙げた有機性廃棄物は1種類のみを原料として使用してもよいし、複数種類を混合して原料としてもよい。
[Organic waste]
Organic waste, which is used as a raw material for fuel gas such as biomethane gas and biohydrogen, includes unused agricultural and forestry waste such as forest thinnings, rice straw, rice husk, bagasse, thatch, and aquatic plants, as well as vegetable scraps, used tea leaves, Examples include lignocellulosic industrial waste such as coffee lees, bean curd refuse, shochu lees, construction waste, used paper/waste paper, and municipal waste, or lignocellulosic biomass such as biomass resource crops such as Erianthus and Giant Miscanthus. . Moreover, paper shredded by a shredder is incinerated because its fibers are broken and it is difficult to recycle, but such shredded paper can also be used as a raw material. Furthermore, one type of the above-mentioned organic waste may be used as a raw material, or a plurality of types may be mixed and used as a raw material.
植物細胞の細胞壁の主成分であるリグノセルロースは、ヘミセルロース、セルロース、及びリグニンが強固に結合されることにより構成されている。牛などの反芻動物の第一胃(ルーメン)に存在するルーメン液には、リグノセルロースを分解する酵素を産生するルーメン微生物が多数存在する。本発明における燃料ガスの製造方法では、培養工程において、有機性廃棄物を分解するルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)が培養され、前処理工程において、リグノセルロース分解細菌のはたらきを利用して有機性廃棄物が分解されることにより易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸等が生産され、発酵工程において、易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸等が発酵の基質(原料)として発酵反応が行われることにより、バイオメタンガスやバイオ水素等の燃料ガスを効率的に製造することができる。発酵工程において、メタン生成細菌が優占して存在する条件下であれば、メタン発酵が行われ、バイオメタンガスが生成する。一方で、発酵工程において、水素生成細菌が優占して存在する条件下であれば、水素発酵が行われ、バイオ水素が生成する。燃料ガスの使用用途や目的によって、発酵工程をメタン発酵工程としてもよく、水素発酵工程としてもよい。また、メタン発酵工程の前反応として水素発酵工程を行う、水素・メタン発酵の二段階発酵が行われてもよい。この場合、一つの発酵槽内でpHやHRT等を制御することにより水素発酵を行った後にメタン発酵を行ってもよく、水素発酵槽とメタン発酵槽とに分け、水素発酵とメタン発酵とをそれぞれ別の槽で行ってもよい。 Lignocellulose, which is the main component of the cell wall of plant cells, is composed of tightly bound hemicellulose, cellulose, and lignin. Rumen fluid present in the rumen of ruminant animals such as cattle contains a large number of rumen microorganisms that produce enzymes that degrade lignocellulose. In the fuel gas production method of the present invention, in the culturing step, rumen microorganisms (lignocellulose-degrading bacteria) that decompose organic waste are cultured, and in the pretreatment step, organic Easily decomposable organic waste, volatile fatty acids, etc. are produced by decomposing waste. In the fermentation process, easily decomposable organic waste, volatile fatty acids, etc. are used as substrates (raw materials) for fermentation reactions. By performing, fuel gas such as biomethane gas and biohydrogen can be efficiently produced. In the fermentation process, under conditions where methanogenic bacteria predominate, methane fermentation is performed and biomethane gas is produced. On the other hand, in the fermentation process, under conditions where hydrogen-producing bacteria predominately exist, hydrogen fermentation is carried out to produce biohydrogen. The fermentation process may be a methane fermentation process or a hydrogen fermentation process depending on the usage and purpose of the fuel gas. Also, a two-stage fermentation of hydrogen/methane fermentation may be performed in which the hydrogen fermentation process is performed as a pre-reaction of the methane fermentation process. In this case, by controlling pH, HRT, etc. in one fermentation tank, methane fermentation may be performed after hydrogen fermentation. Each may be carried out in separate tanks.
[ルーメン微生物]
ルーメン微生物は、反芻動物の第一胃(ルーメン)に存在する消化液であるルーメン液に存在する嫌気性細菌である。反芻動物としては、牛、羊、山羊、鹿、ラクダ、ラマ等が挙げられる。例えば、成牛の第一胃は、150~200Lの容量があり、ルーメン液にはリグノセルロース分解細菌、ヘミセルロース分解細菌、リグニン分解細菌、デンプン分解細菌、メタン生成細菌、水素生成細菌等が多く生息している。リグノセルロース分解細菌は、リグノセルロース(繊維質)を分解するセルラーゼ等の酵素を産生することができる。そのため、反芻動物により、草などの繊維質が摂取されると、リグノセルロース分解細菌がリグノセルロースを分解し、反芻動物にとってのエネルギー源となる酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸等の揮発性脂肪酸(VFA:Volatile Fatty Acid)が生産される。水素生成細菌は、リグノセルロース分解細菌によって生産されたプロピオン酸、酪酸、及び吉草酸等を基質として、酢酸と水素を生産する。また、メタン生成細菌は、リグノセルロース分解細菌や水素生成細菌によって生産された酢酸、あるいは水素と二酸化炭素を基質としてメタンを生成する。
[Rumen microorganisms]
Rumen microbes are anaerobic bacteria present in the ruminal fluid, the digestive fluid present in the rumen of ruminants. Ruminants include cattle, sheep, goats, deer, camels, llamas, and the like. For example, the rumen of an adult cow has a capacity of 150 to 200 L, and many lignocellulose-degrading bacteria, hemicellulose-degrading bacteria, lignin-degrading bacteria, starch-degrading bacteria, methanogenic bacteria, and hydrogen-producing bacteria live in the rumen fluid. are doing. Lignocellulolytic bacteria can produce enzymes such as cellulases that degrade lignocellulose (fiber). Therefore, when fiber such as grass is ingested by ruminant animals, lignocellulose-degrading bacteria decompose lignocellulose, and volatile fatty acids such as acetic acid, propionic acid, butyric acid, and valeric acid, which serve as an energy source for ruminants. (VFA: Volatile Fatty Acid) is produced. Hydrogen-producing bacteria produce acetic acid and hydrogen using substrates such as propionic acid, butyric acid, and valeric acid produced by lignocellulose-degrading bacteria. In addition, methanogenic bacteria produce methane using acetic acid or hydrogen and carbon dioxide produced by lignocellulose-degrading bacteria or hydrogen-producing bacteria as substrates.
(培養工程)
培養工程では、リグノセルロース分解活性の高いルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)が培養される。培養工程において、例えば、フィブロバクター・サクシノゲネス(Fibrobacter succinogenes)、ルミノコッカス・アルブス(Ruminococcus albus)、及びプレボテラ・ルミニコラ(Prevotella ruminicola)の3種類の少なくとも一種以上のリグノセルロース分解細菌の存在数量を指標として、温度、酸化還元電位(ORP:Oxidation‐Reduction Potential)、水理学的滞留時間(HRT)又は固形物滞留時間(SRT)、及び培地のアンモニウム態窒素濃度を調整することにより、高いリグノセルロース分解活性を有するルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)の培養液を得ることができる。これらの細菌の菌数の定量は、特に限定されないが、特定の細菌の菌数を迅速かつ正確に測定することが可能な、定量PCR法により行うことが好ましい。定量PCR法を用いてリグノセルロース分解細菌の菌数の定量を行う場合、培養液からゲノムDNAを抽出して精製したものを使用する。ルーメン微生物の培養液は、大量に培養したり、継代培養したりすることもできるため、細菌の菌数を調整したルーメン微生物の培養液を、必要に応じてリグノセルロース分解に利用することができる。
(Culturing process)
In the culture step, rumen microorganisms with high lignocellulolytic activity (lignocellulolytic bacteria) are cultured. In the culture step, for example, the abundance of at least one of three types of lignocellulose-degrading bacteria, Fibrobacter succinogenes, Ruminococcus albus, and Prevotella ruminicola, is used as an index. , temperature, oxidation-reduction potential (ORP), hydraulic retention time (HRT) or solids retention time (SRT), and ammonium nitrogen concentration in the culture medium to achieve high lignocellulolytic activity. It is possible to obtain a culture solution of rumen microorganisms (lignocellulose-degrading bacteria) having Although quantification of the number of these bacteria is not particularly limited, it is preferably carried out by a quantitative PCR method, which enables rapid and accurate measurement of the number of specific bacteria. When quantitative PCR is used to quantify the number of lignocellulose-degrading bacteria, genomic DNA extracted from the culture medium and purified is used. Since the rumen microorganism culture solution can be cultured in large quantities or subcultured, the rumen microorganism culture solution with the adjusted number of bacteria can be used for lignocellulose decomposition as needed. can.
ルーメン微生物の培養液に使用する培地としては、培地の基材が天然物に由来する天然培地を使用してもよく、ルーメン微生物の増殖に必要な各種栄養素がすべて化学薬品で構成されている合成培地を使用してもよい。特に、ルーメン微生物にとって有用な栄養源であるアンモニウム塩のような窒素源、リン酸塩のようなリン源等の他、セルロース、ヘミセルロース等の炭素源を含むことが好ましい。また、前処理液には、リグノセルロース分解細菌の栄養源として、有機性廃棄物に含まれるリグノセルロースの未分解物もしくは部分分解物や、窒素源やリン源となる物質が含まれるため、図3に示すように、前処理液を培養液に供給してもよい。また、培養工程の後に続く前処理工程において、酢酸等の揮発性脂肪酸(VFA)が生産されると、前処理液中のpHが低下したり、浸透圧が上昇したりすることにより、リグノセルロース分解細菌の存在数量や機能が変化してしまうことから、pHの変化や浸透圧の上昇を和らげるために、培地に緩衝剤を添加することが好ましい。緩衝剤としては、反芻動物のだ液は緩衝能力が高いので、それを模した人工培地(人工だ液)などの液体培地を使用することが好ましい。緩衝剤としては、塩化ナトリウム、重炭酸ナトリウム、リン酸塩、及び塩化カリウム等が挙げられる。培地のpHは、6.0~7.5、より好ましくは6.5~7.0となるように、必要に応じて、酸・アルカリを添加して調整する。また、培地に使用する水は、水道水や地下水を使用することが好ましい。また、培地のアンモニウム態窒素濃度は、50~2,000mg/L、より好ましくは60~500mg/Lとなるように、加水して制御する。 As the medium used for the culture solution of rumen microorganisms, a natural medium in which the base material of the medium is derived from natural products may be used, and various nutrients necessary for the growth of rumen microorganisms are all composed of chemicals. A medium may be used. In particular, it preferably contains a nitrogen source such as an ammonium salt, a phosphorus source such as a phosphate, and a carbon source such as cellulose and hemicellulose, which are useful nutrients for rumen microorganisms. In addition, the pretreatment solution contains undegraded or partially decomposed lignocellulose contained in organic waste, as well as nitrogen and phosphorus sources, as nutrients for lignocellulose-degrading bacteria. As shown in 3, a pretreatment liquid may be supplied to the culture medium. In addition, when volatile fatty acids (VFA) such as acetic acid are produced in the pretreatment step following the culturing step, the pH in the pretreatment solution decreases and the osmotic pressure increases, resulting in the production of lignocellulose. It is preferable to add a buffering agent to the medium in order to moderate the change in pH and the increase in osmotic pressure, since the abundance and function of the degrading bacteria are changed. As the buffering agent, since the saliva of ruminants has a high buffering capacity, it is preferable to use a liquid medium such as an artificial medium (artificial saliva) that imitates saliva. Buffers include sodium chloride, sodium bicarbonate, phosphate, potassium chloride, and the like. The pH of the medium is adjusted to 6.0 to 7.5, more preferably 6.5 to 7.0 by adding an acid or an alkali, if necessary. Moreover, it is preferable to use tap water or underground water as the water used for the culture medium. Further, the ammonium nitrogen concentration in the medium is controlled by adding water so as to be 50 to 2,000 mg/L, more preferably 60 to 500 mg/L.
培養工程をルーメン内の環境と同様、嫌気性状態とするために、培養液の酸化還元電位(ORP)は、-100mv以下、より好ましくは-200mv以下、さらに好ましくは-250mv程度に調整する。ルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)は嫌気性細菌であるため、所定のORPより高くなった場合(好気状態に近づいた場合)は、窒素ガスや二酸化炭素ガスなどの不活性ガスを注入したり、システインやL-アスコルビン酸、硫化ナトリウム、アスコルビン酸、メチオニン、チオグリコール、DTTなどの還元物質を投入したり、あるいは有機物を投入して通性嫌気性菌の作用により酸素を消費させる等の処置を施してもよい。また、培養工程を窒素又は二酸化炭素雰囲気下での閉鎖系で行ってもよい。 The oxidation-reduction potential (ORP) of the culture solution is adjusted to -100 mv or less, more preferably -200 mv or less, and still more preferably about -250 mv so that the culture process is in an anaerobic state like the rumen environment. Since rumen microorganisms (lignocellulose-degrading bacteria) are anaerobic bacteria, if the ORP is higher than a predetermined level (when approaching an aerobic state), inject an inert gas such as nitrogen gas or carbon dioxide gas. , Reducing substances such as cysteine, L-ascorbic acid, sodium sulfide, ascorbic acid, methionine, thioglycol, and DTT are introduced, or organic substances are introduced to consume oxygen by the action of facultative anaerobes. may be applied. Alternatively, the culturing step may be performed in a closed system under a nitrogen or carbon dioxide atmosphere.
培養槽10におけるルーメン微生物の培養は、固形物滞留時間(SRT)が水理学的滞留時間(HRT)より長いことが重要とされる。即ち、リグノセルロース分解細菌は、固形物の表面に付着して増殖するため、SRTが短いと固形物と共に系外に排出される。一方、HRTが必要以上に長いと、生産された揮発性脂肪酸(VFA)によるpHの低下や微生物の増殖の阻害などの負の要因となる。具体的には、HRTは8時間~36時間、好ましくは10時間~24時間、SRTは24時間以上、好ましくは、48時間~168時間、更に好ましくは72時間~168時間に調節する。また、培養工程における反応系の温度は、35~42℃、より好ましくは37~40℃になるよう温度センサー等を利用して制御する。なお、培養槽10に投入される有機性廃棄物Bは、培養液中の固形物濃度(TS)が、0.1~1.5重量%、より好ましくは0.5~1.0重量%となるように調整する。固形物濃度(TS)が0.1重量%以下となると、リグノセルロース分解細菌の生育・増殖が促進されない虞がある。一方で、1.5重量%を超えると、培養液の固液分離が適切に行われない虞がある。
Cultivation of ruminal microorganisms in the
(固液分離工程)
培養工程において、培養槽10内のルーメン微生物の培養液の固液分離は、図2に示されているろ過膜41によって行われてもよいが、重力沈降法、浮上濃縮法によって行われてもよい(図示せず)。図2に示す培養槽10には、ろ過液送液管11と懸濁液送液管12がそれぞれ設置されているが、重力沈降分離法や浮上分離法により固液分離を行う場合は、SS濃度が高い液相(懸濁液)を槽外に排出するときは培養液を攪拌しながら排出し、SS濃度が低い液相を槽外に排出するときは攪拌を停止してしばらく静置することにより排出することができるため、送液管は一つであってもよい。
(Solid-liquid separation step)
In the culturing step, the solid-liquid separation of the culture solution of rumen microorganisms in the
(前処理工程)
前処理工程において、有機性廃棄物に含まれるリグノセルロースは、リグノセルロース分解細菌が生産するリグニン分解酵素により、リグニンの一部が分解されリグノセルロースの強固な構造が緩んだ後、エンドグルカナーゼやエキソグルカナーゼ、あるいはキシラナーゼ等により、それぞれセルロースやヘミセルロースに分解され、グルコース等のヘキソース(六単糖)に変換される。さらに、グルコース等のヘキソース(六単糖)から、ピルビン酸等が生成され、さらに反応が進むと酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸等の揮発性脂肪酸(VFA)が生産される。また、代謝過程で水素や二酸化炭素も生産される。前処理工程において、リグノセルロースはヘキソース(六単糖)や揮発性脂肪酸(VFA)まで分解・代謝される必要はなく、難分解であるリグノセルロースが下流の発酵工程で利用されやすい形状、例えば、オリゴ糖程度まで分解されれば十分である。前処理工程において、前処理槽20に供給される有機性廃棄物Bの固形物濃度(TS)が1.0~10.5重量%、より好ましくは0.5~10.0重量%となるように調整する。固形物濃度(TS)が1.0重量%以下となると、発酵の基質となる易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸等の生産が低下する虞がある。一方で、10.5重量%を超えると、前処理液をポンプによって排出することが困難となる虞がある。
(Pretreatment step)
In the pretreatment process, lignocellulose contained in organic waste is partially degraded by lignin-degrading enzymes produced by lignocellulose-degrading bacteria. By glucanase, xylanase, or the like, they are decomposed into cellulose and hemicellulose, respectively, and converted into hexoses (hexamonosaccharides) such as glucose. Furthermore, pyruvic acid and the like are produced from hexoses (six monosaccharides) such as glucose, and volatile fatty acids (VFA) such as acetic acid, propionic acid, butyric acid, and valeric acid are produced as the reaction progresses. Hydrogen and carbon dioxide are also produced during the metabolic process. In the pretreatment process, lignocellulose does not need to be decomposed and metabolized to hexose (six monosaccharide) or volatile fatty acid (VFA), and difficult-to-decompose lignocellulose can be easily used in the downstream fermentation process. Degradation to the extent of oligosaccharides is sufficient. In the pretreatment step, the organic waste B supplied to the
前処理工程を反芻動物のルーメン内の環境と同様、嫌気性状態とするために、前処理液の酸化還元電位(ORP)は、-100mv以下、より好ましくは-200mv以下、さらに好ましくは-250mv程度に調整する。ルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)は嫌気性細菌であるため所定のORPより高くなった場合(好気状態に近づいた場合)は、窒素ガスや二酸化炭素ガスなどの不活性ガスを注入する、システインやL-アスコルビン酸、硫化ナトリウム、アスコルビン酸、メチオニン、チオグリコール、DTTなどの還元物質を投入する、あるいは有機物を投入して通性嫌気性菌の作用により酸素を消費させる等の処置を施す。前処理工程を窒素又は二酸化炭素雰囲気下での閉鎖系で行ってもよい。 In order to make the pretreatment step anaerobic like the environment in the rumen of ruminants, the oxidation-reduction potential (ORP) of the pretreatment solution is -100 mv or less, more preferably -200 mv or less, and still more preferably -250 mv. Adjust to some extent. Since rumen microorganisms (lignocellulose-degrading bacteria) are anaerobic bacteria, when the ORP is higher than a predetermined level (when approaching an aerobic state), an inert gas such as nitrogen gas or carbon dioxide gas is injected, cysteine , L-ascorbic acid, sodium sulfide, ascorbic acid, methionine, thioglycol, DTT, or other reducing substances, or organic substances are introduced to consume oxygen by the action of facultative anaerobes. The pretreatment step may be performed in a closed system under nitrogen or carbon dioxide atmosphere.
前処理工程においては、その上流の培養工程においてHRTとSRTとが個別に制御されているので、HRTとSRTとが個別に制御される必要はなく、完全混合系で前処理(加水分解、酸生成)が行われる。つまり、前処理工程が実施される前処理槽20内の前処理液は、ろ過液と懸濁液とに分離されないため、HRTとSRTが同じとなる。前処理液のHRTとSRTとはいずれも4~36時間とすることが好ましい。また、前処理工程における反応系の温度は、35~42℃、より好ましくは37~40℃になるよう温度センサー等を利用して制御する。前処理工程における反応は、静置して行っても、攪拌して行ってもよいが、前処理工程の進行をより早めるためには、攪拌して行うことが好ましい。
In the pretreatment step, since HRT and SRT are individually controlled in the upstream culture step, there is no need to individually control HRT and SRT, and pretreatment (hydrolysis, acid generation) is performed. That is, since the pretreatment liquid in the
(発酵工程)
発酵工程では、前処理工程で生成された易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸等を基質として、燃料ガスが生成される。ここで、燃料ガスとは、メタン発酵によって生成されるバイオメタンガスを主要成分とするバイオガス、水素発酵によって生成されるバイオ水素が挙げられる。発酵工程において、メタン発酵を行うか、水素発酵を行うかについては、発酵槽30内の温度やpHの制御によって調整することができる。例えば、発酵槽30内の温度が37℃(又は55℃)前後、pH7.0~8.0である場合、メタン生成細菌が優占して存在するため、メタン発酵が主に行われる。一方、発酵槽30内の温度が55℃前後、pH4.0~5.0である場合、水素生成細菌が優占して存在するため、水素発酵が主に行われる。これらの発酵工程は単独で行われてもよいが、水素・メタン発酵工程のように、二段階発酵が行われてもよい。以下、メタン発酵工程、水素発酵工程について説明する。
(Fermentation process)
In the fermentation process, fuel gas is generated using easily decomposable organic wastes, volatile fatty acids, etc. generated in the pretreatment process as substrates. Here, the fuel gas includes biogas containing biomethane gas produced by methane fermentation as a main component, and biohydrogen produced by hydrogen fermentation. In the fermentation process, whether to perform methane fermentation or hydrogen fermentation can be adjusted by controlling the temperature and pH within the
(メタン発酵工程)
メタン発酵工程では、酢酸等の揮発性脂肪酸や水素と二酸化炭素を基質として、メタン発酵が行われる。メタン発酵工程は、前処理工程と同様に、嫌気性条件下で行われる。メタン発酵工程において生成するバイオガスの組成はメタンが60~70%、二酸化炭素が30~40%、その他微量の窒素、酸素、硫化水素、及び水等が含まれる。
(Methane fermentation process)
In the methane fermentation process, methane fermentation is performed using volatile fatty acids such as acetic acid, hydrogen, and carbon dioxide as substrates. A methane fermentation process is performed under anaerobic conditions like a pretreatment process. The biogas produced in the methane fermentation process contains 60 to 70% methane, 30 to 40% carbon dioxide, and trace amounts of nitrogen, oxygen, hydrogen sulfide, and water.
メタン発酵は、湿式メタン発酵、乾式メタン発酵何れでも構わない。また、中温メタン発酵、高温メタン発酵何れでも良い。中温発酵の場合、20~30日間、より好ましくは23~27日間、さらに好ましくは25日間程度、高温発酵の場合、10~20日間、より好ましくは13~17日間、さらに好ましくは15日間程度行われる。メタン発酵は、中温発酵の場合、20~40℃、より好ましくは30~37℃以下、さらに好ましくは37℃程度で行われ、高温発酵の場合、40~60℃、より好ましくは50~55℃、さらに好ましくは55℃程度で行われる。また、メタン発酵は、pH6.8~7.6、より好ましくはpH7.0~8.0で行われる。 The methane fermentation may be wet methane fermentation or dry methane fermentation. Also, medium-temperature methane fermentation or high-temperature methane fermentation may be used. In the case of intermediate temperature fermentation, it is carried out for 20 to 30 days, more preferably 23 to 27 days, more preferably about 25 days. will be Methane fermentation is performed at 20 to 40°C, more preferably 30 to 37°C or less, more preferably about 37°C in the case of mesophilic fermentation, and 40 to 60°C, more preferably 50 to 55°C in the case of high temperature fermentation. , and more preferably at about 55°C. Also, the methane fermentation is carried out at pH 6.8-7.6, more preferably pH 7.0-8.0.
(水素発酵工程)
水素発酵工程では、プロピオン酸、酪酸、吉草酸等の揮発性脂肪酸を基質として、水素発酵が行われる。水素発酵工程は、リグノセルロース分解細菌による前処理工程と同様に、嫌気性条件下で行われる。水素発酵工程においては、バイオ水素と二酸化炭素が約1:1で生成され、酢酸等の有機酸が生産される。
(Hydrogen fermentation process)
In the hydrogen fermentation step, hydrogen fermentation is performed using volatile fatty acids such as propionic acid, butyric acid, and valeric acid as substrates. The hydrogen fermentation step is performed under anaerobic conditions, as is the pretreatment step with lignocellulose-degrading bacteria. In the hydrogen fermentation process, biohydrogen and carbon dioxide are produced at a ratio of about 1:1, and organic acids such as acetic acid are produced.
水素発酵は30~60℃、より好ましくは50~60℃、さらに好ましくは55℃で行われる。また、水素発酵は、pH4.0~6.5、より好ましくはpH4.0~5.0で行われる。 Hydrogen fermentation is carried out at 30-60°C, more preferably 50-60°C, even more preferably 55°C. Also, the hydrogen fermentation is carried out at pH 4.0-6.5, more preferably pH 4.0-5.0.
水素発酵工程では、メタン発酵の基質となる酢酸や水素と二酸化炭素が生成される。そのため、水素発酵工程の後にメタン発酵工程を行う、水素・メタン発酵の二段階発酵としてもよい。水素生成細菌は、メタン生成細菌に比べて増殖速度が速いため、槽内のHRTを2~3時間としても、菌体を保持することができる。水素・メタン発酵の二段階発酵とする場合、水素発酵は1~2日間、メタン発酵は7~10日間となり、メタン発酵を単独で行う場合よりも、発酵日数を短縮することができる。さらに、水素・メタン発酵の二段階発酵とする場合、メタン発酵工程から排出されるメタン発酵液の一部を水素発酵工程に返送してもよい。水素発酵工程では、揮発性有機酸の生成によりpHが低下するため、水素生成細菌の活性が低下して水素発生量が減少するおそれがあるが、メタン発酵液を水素発酵工程に返送することで、低下したpHを中和またはpHの低下を防止することができ、水素生成細菌の活性低下を抑制して水素発生量を維持することが可能となる。 In the hydrogen fermentation process, acetic acid, hydrogen, and carbon dioxide are produced as substrates for methane fermentation. Therefore, it is good also as two-step fermentation of hydrogen-methane fermentation which performs a methane fermentation process after a hydrogen fermentation process. Hydrogen-producing bacteria proliferate faster than methanogenic bacteria, so even if the HRT in the tank is set to 2 to 3 hours, the cells can be retained. In the case of two-step fermentation of hydrogen/methane fermentation, hydrogen fermentation takes 1 to 2 days and methane fermentation takes 7 to 10 days. Furthermore, in the case of two-step fermentation of hydrogen/methane fermentation, part of the methane fermentation liquid discharged from the methane fermentation process may be returned to the hydrogen fermentation process. In the hydrogen fermentation process, the pH drops due to the production of volatile organic acids, so there is a risk that the activity of hydrogen-producing bacteria will decrease and the amount of hydrogen generated will decrease. In addition, it is possible to neutralize the lowered pH or prevent the pH from lowering, thereby suppressing the decrease in the activity of hydrogen-producing bacteria and maintaining the amount of hydrogen generation.
(事例)
食品工場Aから排出されるリグノセルロース系廃棄物を、3相式プロセスと2相式プロセスにより処理した場合の事例について以下検討する。発酵槽として、UASBは使用せず、既設の固形バイオマス用の完全混合型メタン発酵槽を使用するものとする。
(example)
Examples of treating the lignocellulosic waste discharged from the food factory A by the three-phase process and the two-phase process are discussed below. As a fermenter, UASB shall not be used, but an existing fully mixed methane fermenter for solid biomass shall be used.
<検討条件>
・有機性廃棄物の排出量:乾燥重量として1日あたり2.2トン(2.2t‐DW/d)
・既設のメタン発酵槽の槽容積:200m3
・既設のメタン発酵槽の計画HRT:10日
・培養槽(培養槽兼前処理槽)におけるバイオマスの固形物濃度(TS):約1.1重量%
・前処理槽におけるバイオマスの固形物濃度(TS):約10.0重量%
・培養槽または培養槽兼前処理槽のHRT:約14時間
・培養槽または培養槽兼前処理槽のSRT:約62時間
<Conditions for consideration>
・Amount of organic waste discharged: 2.2 tons per day (2.2t-DW/d) as dry weight
・Capacity of existing methane fermentation tank: 200 m 3
・ Planned HRT for the existing methane fermentation tank: 10 days ・ Biomass solid concentration (TS) in the culture tank (both culture tank and pretreatment tank): about 1.1% by weight
・ Solid concentration (TS) of biomass in pretreatment tank: about 10.0% by weight
・HRT for fermenter or fermenter/pretreatment tank: about 14 hours ・SRT for fermenter or fermenter/pretreatment tank: about 62 hours
培養槽または培養槽兼前処理槽のSRTは、一日当たりの人工培地(人工だ液)などの液体培地または希釈水の供給量(m3/d)をdVとし、1日当たりのろ過液の排出量(m3/d)をfVとし、培養槽の槽容積(m3)をFVとして、下記(数1)の式により算出することができる。なお、下記(数1)の式は、Huub J. Gijzen他3名、「第一胃微生物の連続培養、リグノセルロース廃棄物の嫌気性分解への応用が可能なシステム(Continuous cultivation of rumen microorganisms, a system with possible application to the anaerbic degradation of lignocellulosic waste materials)」、Vol25、pp155-162(1986)を参照した。
The SRT of the culture tank or the culture tank and pretreatment tank is defined as the amount of liquid medium such as artificial medium (artificial saliva) supplied per day (m 3 /d) or dilution water (
メタン発酵槽のHRTは、メタン発酵槽の槽容積(m3)を一日当たりの人工培地(人工だ液)などの液体培地または希釈水の供給量(m3/d)dVで除した値となる。
The HRT of a methane fermenter is the value obtained by dividing the tank volume (m 3 ) of the methane fermenter by the amount (m 3 /d) of liquid medium such as artificial medium (artificial saliva) or dilution water supplied per day (
(事例1)
図6は、第1実施形態に係る燃料ガス製造装置に有機性廃棄物を供給する事例1の説明図である。事例1では、培養槽10、前処理槽20、及びメタン発酵槽30より構成される3相式プロセスについて検討した。
食品工場Aより排出される2.2t-DW/dのリグノセルロース系バイオマスのうち、0.22t-DW/dを培養槽におけるルーメン微生物群の培養のための基質(培地成分)として使用する。培養槽において、固液分離が十分に行われるよう、人工培地(人工だ液)などの液体培地または希釈水の供給量(dV)は20m3/dとし、培養液中の固形物濃度(TS)は1.1重量%とする。また、培養槽において、ルーメン微生物群が十分増殖できるように、例えば、SRTを64時間、HRTを約11時間とし、ろ過液の排出量(fV)を17m3/dとすると、上記数1の式により培養槽の槽容積(FV)は、8m3となる。なお、培養槽は、概ねpH6.9、酸化還元電位(ORP)が-250mV以下、温度が39℃になるように運転制御されるものとする。
食品工場Aより排出される2.2t-DW/dのリグノセルロース系バイオマスは、培養槽に投入した0.22t-DW/dの残りの1.98t-DW/dが前処理槽に供給され、培養槽から排出されるろ過液17m3/d及び懸濁液3m3/dと混合する。前処理槽のHRT(完全混合型のため、SRTと同じ)は処理する有機性廃棄物の種類により最適値が異なるが、図6に示すように、仮に12時間とした場合、槽容積が10m3の前処理槽を使用することができる。(HRTを6時間とした場合は、槽容積が5m3、HRTを24時間とした場合は、槽容積が20m3の前処理槽を使用することができる)。なお、前処理槽は培養槽と同様に、概ねpH6.9、酸化還元電位(ORP)が-250mV以下、温度が39℃になるように運転制御されるものとする。
前処理槽で処理される前処理液20m3/dは、メタン発酵槽(槽容積200m3)に供給される。メタン発酵槽におけるHRTは、メタン発酵槽の槽容積200m3を一日当たりの人工培地(人工だ液)などの液体培地または希釈水の供給量20m3/d(dV)で除した値であることから、10日[200(m3)/20(m3/d)]となる。既設のメタン発酵槽の計画HRTの10日と同じ日数であることから、事例1におけるメタン発酵槽が機能を果たすのに十分なHRTを確保することができることは明らかである。
(Case 1)
FIG. 6 is an explanatory diagram of Case 1 in which organic waste is supplied to the fuel gas production apparatus according to the first embodiment. In Case 1, a three-phase process comprising a
Of the 2.2 t-DW/d of lignocellulosic biomass discharged from food factory A, 0.22 t-DW/d is used as a substrate (medium component) for culturing rumen microorganisms in a culture tank. In the culture tank, the supply amount (dV) of liquid medium such as artificial medium (artificial saliva) or dilution water is 20 m 3 /d so that solid-liquid separation is sufficiently performed, and the solid concentration (TS ) is 1.1% by weight. Also, in the culture tank, for example, SRT is 64 hours, HRT is about 11 hours, and the filtrate discharge (fV) is 17 m 3 /d so that the rumen microorganisms can grow sufficiently. According to the formula, the tank volume (FV) of the culture tank is 8 m 3 . The operation of the culture tank is controlled so that the pH is approximately 6.9, the oxidation-reduction potential (ORP) is -250 mV or less, and the temperature is 39°C.
Of the 2.2 t-DW/d of lignocellulosic biomass discharged from food factory A, the remaining 1.98 t-DW/d of 0.22 t-DW/d that was put into the culture tank was supplied to the pretreatment tank. , with 17 m 3 /d of filtrate and 3 m 3 /d of suspension discharged from the fermenter. The optimal value for HRT in the pretreatment tank (same as SRT because it is a complete mixing type) differs depending on the type of organic waste to be treated. 3 pretreatment baths can be used. (When HRT is set to 6 hours, a pretreatment tank having a tank volume of 5 m 3 can be used, and when HRT is set to 24 hours, a tank volume of 20 m 3 can be used). As with the culture tank, the pretreatment tank is operated and controlled such that the pH is approximately 6.9, the oxidation-reduction potential (ORP) is -250 mV or less, and the temperature is 39°C.
20 m 3 /d of the pretreatment liquid treated in the pretreatment tank is supplied to the methane fermentation tank (tank volume 200 m 3 ). The HRT in the methane fermentation tank shall be the value obtained by dividing the volume of the methane fermentation tank, 200 m 3 , by the daily supply rate of 20 m 3 /d (dV) of liquid medium such as artificial medium (artificial saliva) or dilution water. , 10 days [200 (m 3 )/20 (m 3 /d)]. Since it is the same number of days as the planned HRT of 10 days for the existing methane fermenter, it is clear that sufficient HRT can be secured for the methane fermenter in Case 1 to perform its function.
(事例2)
図7は、2相式の燃料ガス製造装置にリグノセルロース系バイオマスを供給した場合の事例2の説明図である。事例2では、培養槽兼前処理槽320、メタン発酵槽30から構成される2相式プロセスについて検討した。
当該食品工場より排出される2.2t-DW/dのリグノセルロース系バイオマスは、培養槽兼前処理槽での膜ろ過を用いた固液分離が良好に行えるように、固形物濃度(TS)が1.1重量%となるように培養槽兼前処理槽に投入される場合、1日あたり200m3の人工培地(人工だ液)などの液体培地を培養槽兼前処理槽へ供給することになる。つまり、200m3の処理水が、培養槽兼前処理槽を通して後段のメタン発酵槽に供給されることになる。メタン発酵槽におけるHRTは、メタン発酵槽の槽容積200m3を一日当たりの人工培地(人工だ液)などの液体培地または希釈水の供給量200m3/d(dV)で除した値であることから、1日[200(m3)/200(m3/d)]となる。既設のメタン発酵槽の計画HRTの10日に比べ大幅に短くなることから、事例2におけるメタン発酵槽が機能を果たすのに十分なHRTを確保することができないことは明らかである。
(Case 2)
FIG. 7 is an explanatory diagram of Case 2 when lignocellulosic biomass is supplied to a two-phase fuel gas production apparatus. In Case 2, a two-phase process comprising a culture tank/
The 2.2 t-DW/d lignocellulosic biomass discharged from the food factory has a solid concentration (TS) of is 1.1% by weight in the culture tank/pretreatment tank, 200 m 3 of liquid medium such as artificial medium (artificial saliva) should be supplied to the culture tank/pretreatment tank per day. become. That is, 200 m 3 of treated water is supplied to the subsequent methane fermentation tank through the culture tank and pretreatment tank. The HRT in the methane fermentation tank shall be the value obtained by dividing the volume of the methane fermentation tank, 200 m 3 , by the daily supply rate of liquid medium such as artificial medium (artificial saliva) or dilution water, 200 m 3 /d (dV). , one day is [200 (m 3 )/200 (m 3 /d)]. Since this is significantly shorter than the planned HRT of 10 days for the existing methane fermenter, it is clear that sufficient HRT for the methane fermenter in Case 2 to fulfill its function cannot be secured.
上記のとおり、ルーメン微生物群の培養槽と、有機性廃棄物の加水分解と酸生成の機能に特化した前処理槽と、メタン発酵槽とから構成される3相式プロセスとすることにより、前処理槽で処理される有機性廃棄物の濃度を高めることができることから、結果的にメタン発酵槽に供給される前処理液の量が低減され、既設の完全混合型のメタン発酵槽が機能を果たすのに十分なHRTを確保できることが明らかとなった。 As described above, by adopting a three-phase process consisting of a culture tank for rumen microorganisms, a pretreatment tank specialized for hydrolysis and acid generation of organic waste, and a methane fermentation tank, Since the concentration of organic waste treated in the pretreatment tank can be increased, the amount of pretreatment liquid supplied to the methane fermentation tank can be reduced, and the existing complete mixing type methane fermentation tank can function. It was found that sufficient HRT can be secured to fulfill
本発明の燃料ガス製造装置、及び燃料ガス製造方法は、古紙や廃紙等の都市ゴミ等の産業廃棄物、食品廃棄物、農林産廃棄物、建築廃材等のリグノセルロース系産業廃棄物を含む有機性廃棄物を分解処理し、その分解処理物を原料としてメタンや水素のような燃料ガスを生成する用途において利用可能である。 The fuel gas production apparatus and fuel gas production method of the present invention include industrial waste such as municipal waste such as waste paper and waste paper, lignocellulosic industrial waste such as food waste, agricultural and forestry waste, and construction waste. It can be used for the purpose of decomposing organic waste and using the decomposed product as a raw material to generate fuel gas such as methane or hydrogen.
10:培養槽
11:ろ過液送液管
12:懸濁液送液管
20:前処理槽
21:前処理液供給管
30:発酵槽
40:固液分離手段
41:ろ過膜
50:撹拌機
100、101、102:燃料ガス製造装置
B:有機性廃棄物
C:易分解性の有機性廃棄物
G:燃料ガス
M:人工培地(人工だ液)などの液体培地
W:希釈水
S:固形廃棄物
T:処理水
P:ポンプ
R:発酵残渣
10: Culture tank 11: Filtrate feed pipe 12: Suspension liquid feed pipe 20: Pretreatment tank 21: Pretreatment liquid supply pipe 30: Fermentation tank 40: Solid-liquid separation means 41: Filter membrane 50:
Claims (7)
ルーメン微生物を培養する培養槽と、
前記培養槽内において得られた前記ルーメン微生物の培養液と有機性廃棄物とを混合し、前記有機性廃棄物を処理して易分解性有機性廃棄物及び揮発性脂肪酸に変換する前処理槽と、
前記前処理槽内において得られた前記易分解性有機性廃棄物及び前記揮発性脂肪酸を基質として発酵を行う発酵槽と
を備えることを特徴とする燃料ガス製造装置。 A fuel gas production apparatus for producing biomass-derived fuel gas,
a culture tank for culturing rumen microorganisms;
A pretreatment tank in which the culture solution of the rumen microorganisms obtained in the culture tank is mixed with organic waste, and the organic waste is treated and converted into easily decomposable organic waste and volatile fatty acids. and,
A fuel gas production apparatus, comprising: a fermenter for fermenting the easily decomposable organic waste and the volatile fatty acid obtained in the pretreatment tank as substrates.
ルーメン微生物を培養する培養工程と、
前記培養工程において得られた前記ルーメン微生物の培養液と有機性廃棄物とを混合し、前記有機性廃棄物を処理して易分解性有機性廃棄物及び揮発性脂肪酸に変換する前処理工程と、
前記前処理工程において得られた前記易分解性有機性廃棄物及び前記揮発性脂肪酸を基質として発酵を行う発酵工程と
を備え、
前記培養工程は、前記培養液を固液分離する固液分離工程をさらに備えることを特徴とする燃料ガス製造方法。 A fuel gas production method for producing biomass-derived fuel gas, comprising:
a culturing step of culturing rumen microorganisms;
a pretreatment step of mixing the culture solution of the rumen microorganisms obtained in the culturing step with organic waste, and treating the organic waste to convert it into easily decomposable organic waste and volatile fatty acids; ,
a fermentation step of performing fermentation using the easily decomposable organic waste and the volatile fatty acid obtained in the pretreatment step as substrates;
The fuel gas production method, wherein the culturing step further includes a solid-liquid separation step of solid-liquid separating the culture solution.
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