JP3706076B2 - 水素発酵装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は有機物、例えば有機性廃棄物を水素発酵により分解し、新エネルギーとして注目される水素ガスを回収する水素発酵装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、クリーンエネルギーとしての水素の需要や燃料電池のエネルギー源としての水素の需要が高まっている。また、廃棄物排出量の増大やその処理、処分が社会問題となっている。
【０００３】
このような状況の下、水素発酵による有機性廃棄物の処理が注目されている。水素発酵により有機性廃棄物を処理した場合、水素を生成しながら、環境浄化を行うことができる。また、最近、有機物を嫌気的条件下で分解して大量の水素を生成する嫌気性細菌など嫌気性微生物の存在が確認された。
【０００４】
水素発酵は、炭水化物、タンパク質、脂質などの有機物を嫌気的発酵により二酸化炭素と有機酸等に分解する過程で起こる現象である。嫌気的発酵でメタンを生成する過程では炭水化物、タンパク質、脂質などの有機物を加水分解して有機酸を生成する可溶化酸生成段階と、有機酸をメタン、二酸化炭素、水に分解するメタン発酵段階の２段階からなる。水素発酵は酸生成段階において有機物を加水分解するときに生成する水素に着目する技術である。従来の有機物の嫌気的発酵では、この水素に着目しておらず、生成した水素はメタン菌による利用、他の細菌の電子受容体の還元やエネルギーの獲得などに消費されていた。
【０００５】
水素生成能を持つ微生物は、大きく分けて非光合成嫌気性細菌と光合成嫌気性細菌とに分類される。非光合成嫌気性細菌は、光合成嫌気性細菌と比較して、水素生成速度が速く、光に依存せず、２４時間連続して水素を発生することが可能であるというメリットがある。非光合成嫌気性細菌は糖類、有機酸、アミノ酸、タンパク質などから水素を生成する。
【０００６】
図７は従来の水素発酵装置の概略的な構成図である。図において、１０１は水素発酵装置である。１０２は有機物を水素発酵により分解して水素ガスを生成する水素発酵槽である。１０３は有機物を水素発酵槽１０２に投入する流入管であり、１０４は水素発酵により生成した有機酸等を含む発酵液を水素発酵槽１０２から取り出す流出管である。１０５は水素発酵槽１０２内を攪拌し、水素発酵槽１０２に投入された有機物と水素発酵槽１０２内に存在する水素生成菌とをまんべんなく混合する攪拌装置である。
【０００７】
次に動作について説明する。
有機物を流入管１０３を経由して連続的又は間欠的に水素発酵槽１０２に投入する。水素発酵槽１０２に投入された有機物は、攪拌装置１０５の攪拌により水素発酵槽１０２内に存在する水素生成菌とまんべんなく混合し、水素発酵により分解して水素ガスを生成する。水素発酵が進行すると、水素発酵槽１０２の液相において水素濃度が上昇し、気相において水素分圧が上昇する。有機酸等を含んだ発酵液は流出管１０４を経由して系外に取り出される。
【０００８】
例えば、有機物がグルコースの場合、理論的には水素発酵により（１）式で示す反応が起こり、１モルのグルコースから４モルの水素ガスが生成する。しかし、実際には、酢酸以外にアルコールなども生成し、その分だけ水素ガスの生成効率は低下する。
また、この反応は水素生成細菌のヒドロゲナーゼの働きによって起こり、ヒドロゲナーゼは水素ガスの発生または吸収をともなう酸化還元反応を触媒する酵素であり、（２）式に示す可逆反応により水素ガスの酸化やプロトンの還元を行う。このため、水素発酵槽内の液相中の水素濃度や気相中の水素分圧が上昇すると、生成した水素ガスが消費され、水素ガスの生成効率が低下する。
【数１】
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の水素発酵装置は以上のように構成されているので、水素発酵槽内で生成する水素ガスにより、水素発酵槽内の液相中の水素濃度や気相中の水素分圧が上昇すると、（２）式に示す可逆反応により、生成した水素ガスが消費され、従って、連続して安定した水素ガスの生成を行うことができず、その結果、水素ガスの生成効率が低下するという課題があった。
【００１０】
これらの課題を解決するためには、水素反応槽内を減圧し、水素ガスを強制的に反応系外に取り出せばよいが、その場合には、水素反応槽内を減圧にするための装置を設けなければならず、過去に行われた例では、２８．４ｋＰａ程度の減圧では余計な作業を行うために維持管理が煩雑になるわりに水素ガス生成効率の向上が認められない（「エバラ時報，Ｎｏ．１８３（１９９９−４），ｐ３８〜４５」参照）という課題があった。
【００１１】
また、機械式の攪拌装置を備えた水素発酵槽では、生物反応により生成するバイオガスや代謝副産物が滞留し易くなり、これらに起因して生成する硫化水素やアンモニアにより、水素発酵を行う微生物の活性が阻害され、水素ガスの生成に支障が生じていた。
【００１２】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、不活性ガスを水素発酵槽内に導入して、水素発酵槽内で生成した水素ガスを不活性ガスとともに水素発行槽外に排出し、水素発酵槽から流出した混合気体から水素ガスあるいは不活性ガスを分離して、水素ガス分離後の気体あるいは分離された不活性ガスを水素発酵槽に返送する水素発酵装置を得ることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る水素発酵装置は、有機物を水素発酵により分解する水素発酵槽と、水素発酵槽内に不活性ガスを導入する不活性ガス導入手段と、水素発酵槽より排出される気体から水素ガスを分離する水素ガス分離手段と、水素ガス分離手段より排出される気体を水素発酵槽に返送するガス返送手段とを備えたものである。
【００１４】
この発明に係る水素発酵装置は、水素ガス分離手段が、水素ガス分離膜および／または水素ガス吸着材を有するものである。
【００１５】
この発明に係る水素発酵装置は、有機物を水素発酵により分解する水素発酵槽と、水素発酵槽内に不活性ガスを導入する不活性ガス導入手段と、水素発酵槽より排出される気体から不活性ガスを分離する不活性ガス分離手段と、不活性ガス分離手段より排出される気体を水素発酵槽に返送するガス返送手段とを備えたものである。
【００１６】
この発明に係る水素発酵装置は、不活性ガス分離手段が、不活性ガス液化装置および／または不活性ガス吸着剤を有するものである。
【００１７】
この発明に係る水素発酵装置は、不活性ガスが、窒素ガスおよび／または希ガスであるものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による水素発酵装置の概略的な構成図である。図において、１は水素発酵装置、２は有機物を水素発酵により分解して水素ガスを生成する水素発酵槽であり、嫌気状態を保持するように製作され、温度、ｐＨ、有機物負荷、滞留時間などが水素ガス生成効率が高くなる条件に調整される。３は有機物を水素発酵槽２に投入する流入管である。水素発酵槽２に投入する有機物は固体状態のものでも、液体状態のものでもよい。４は水素発酵により生成した有機酸等を含む発酵液を水素発酵槽２から取り出す流出管である。５は不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置であり、６は不活性ガス供給装置５から供給された不活性ガス及び後述する水素ガス分離装置７から返送されてきた水素ガス分離後の気体を水素発酵槽２内に導入し、水素発酵槽２内をバブリングする不活性ガス導入管である。７は水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体から当該水素ガスを分離し、水素ガス分離後の気体を水素発酵槽２に返送する水素ガス分離装置である。
【００１９】
水素ガス分離装置７において、８は水素ガスを透過させる水素ガス分離膜を備え、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体中の水素ガスを水素ガス分離膜に透過させることにより、この混合気体から水素ガスを分離する水素ガス分離部、９は水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体を水素ガス分離部８へ移送するガス移送管、１０は水素ガス分離部８から流出した水素ガス分離後の気体を水素発酵槽２に返送するガス返送管である。
【００２０】
図２は実施の形態１の水素発酵装置を構成する水素ガス分離装置の水素ガス分離部の概略的な構成図である。図において、１１は水素ガス分離膜ユニットである。１２は水素ガス分離膜ユニット１１を構成する個々の水素ガス分離膜エレメントであり、内部に水素ガス分離膜を有し、ガス移送管９を通して移送されてきた、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体が流入するガス流入部１３と、水素ガス分離膜を透過した水素ガスが流出する水素ガス流出部１４と、水素ガス分離膜による水素ガス分離後の気体が流出するガス流出部１５とを備える。１６は水素ガス分離膜を透過した水素ガスを吸引するポンプである。
【００２１】
水素発酵槽２に投入された有機物と水素発酵槽２内に存在する水素生成菌とをまんべんなく混合するために水素発酵槽２内を攪拌する必要があるが、その方式として機械式の攪拌装置を水素発酵槽２に設ける方法や、酸素以外の気体を水素発酵槽２内に導入する方法がある。この実施に形態では、不活性ガス導入管６を通して水素発酵槽２内に導入される不活性ガスを水素発酵槽２内の攪拌に用いる。
【００２２】
水素発酵槽２内に導入する不活性ガスとして、窒素ガス、希ガスが好ましく、特に窒素ガスが好ましい。その理由を以下に示す。
▲１▼水素発酵槽２内では、窒素ガスや希ガスを生成する反応が起こらない。このため、水素発酵槽２内に導入する窒素ガスや希ガスは水素ガスを追い出すためだけに利用され、水素発酵槽２内の生物反応に影響を及ぼさない。
▲２▼窒素ガス及び希ガスは常温で気体であり、液化しにくく、水への溶解性も低い。
▲３▼窒素ガス及び希ガスはいずれも化学的に安定であり、他の物質に変化しにくい。
▲４▼窒素ガスと水素ガスとの間に、水素ガス分離膜を用いて分離できる程度の質量差があり、また、窒素ガスと水素ガスとは大きさも似ており、入れ替わり易く、水素ガスを追い出し易い。
▲５▼窒素ガスは安価である。
▲６▼窒素ガスは自然界に多く存在するため生物に与える影響が少ない。
【００２３】
水素ガス分離装置７の水素ガス分離部８に設ける水素ガス分離膜として、ポリスルホンなどの樹脂を用いた複合素材系分離膜、ポリスルホン、ポリイミドが好ましい。ポリスルホンなどの樹脂を用いた複合素材系分離膜は、優れた分離係数をもつポリスルホン非対称孔径膜と分離係数は低いが透過係数の大きいジメチルシクロキサンなどのコーティング物質とからなる多成分膜構造をもつ。この複合素材系分離膜は水、Ｈ2 、Ｈｅ、Ｈ2 Ｓの順に良く透過し、Ｎ2 、ＣＨ4 、ＣＯ、Ａｒの順に透過しにくい（「最新の膜処理技術とその応用、清水博、編集監修
（株）フジテクノシステム発行所」参照）。
【００２４】
次に動作について説明する。
有機物を流入管３を経由して連続的又は間欠的に水素発酵槽２に投入する。また、不活性ガス供給装置５から供給された不活性ガスや水素ガス分離装置７から返送されてきた水素ガス分離後の気体が不活性ガス導入管５を通して水素発酵槽２内に導入される。水素発酵槽２に投入された有機物は、不活性ガス導入管５を通して水素発酵槽２内に導入された不活性ガスや水素発酵槽２に設けられた機械式の攪拌装置（図示せず）の攪拌により、水素発酵槽２内に存在する水素生成菌とまんべんなく混合し、水素発酵により分解して水素ガスを生成する。水素発酵により生成した水素ガスは、水素発酵槽２内に導入された不活性ガスにより液相から気相に追い出され、不活性ガスとともに水素発酵槽２外に流出する。このため、水素発酵が進行しても、水素発酵槽２内の液相中の水素濃度や気相中の水素分圧は低く、適正に維持される。有機酸等を含んだ発酵液は流出管４を経由して系外に取り出される。
【００２５】
水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体は、ガス移送管９を通して水素ガス分離部８に移送される。水素ガス分離部８は、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体中の水素ガスを水素ガス分離膜に透過させることにより、この混合気体から水素ガスを分離する。水素ガス分離部８から流出した水素ガス分離後の気体は、ガス返送管１０を通して水素発酵槽２に返送される。水素発酵槽２に返送された水素ガス分離後の気体は、不活性ガス導入管５を通して、不活性ガス供給装置５から供給された不活性ガスとともに水素発酵槽２内に導入される。また、水素ガス分離部８の水素ガス分離膜を透過した水素ガスは、高濃度であり、クリーンエネルギーや燃料電池のエネルギー源として利用することができる。
【００２６】
以上のように、この実施の形態１によれば、不活性ガスを水素発酵槽２内に導入し、水素発酵により生成した水素ガスを不活性ガスとともに水素発酵槽２外に排出するので、水素発酵槽２内の液相中の水素濃度や気相中の水素分圧を適正に維持することができる。従って、連続して安定した水素ガスの生成を行うことができる。その結果、水素ガスを効率的に生成することができる。
【００２７】
また、この実施の形態１によれば、水素発酵槽２内に導入する不活性ガスにより水素発酵槽２内を攪拌するので、水素発酵槽２内を良好に攪拌することができる。従って、水素ガスを効率的に生成することができる。
【００２８】
また、この実施の形態１によれば、水素発酵槽２から流出した混合気体から水素ガスを分離し、水素ガス分離後の気体を水素発酵槽２に返送するので、不活性ガスの使用量を削減することができる。従って、運転コストを低減することができる。
【００２９】
また。この実施の形態１によれば、水素発酵槽２に返送する不活性ガスが水素発酵槽２内の温度に近いので、水素発酵槽２内の温度を低下させることなく、水素発酵を円滑に進行させることができる。また、水素発酵槽２内を水素発酵に適した温度に加温するためのエネルギーを削減することができる。
【００３０】
実施の形態２．
実施の形態２では、水素ガスの分離に水素ガス吸着材を用いる場合について説明する。
【００３１】
図３はこの発明の実施の形態２による水素発酵装置の概略的な構成図である。図において、２１は水素発酵装置、２２は水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体から当該水素ガスを分離し、水素ガス分離後の気体を水素発酵槽２に返送する水素ガス分離装置である。
【００３２】
水素ガス分離装置２２において、２３は水素ガスを吸着する水素ガス吸着材を備え、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体中の水素ガスを水素ガス吸着材に吸着させることにより、この混合気体から水素ガスを分離する水素ガス分離部、２４は水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体を水素ガス分離部２３へ移送するガス移送管、２５は水素ガス分離部２３から流出した水素ガス分離後の気体を水素発酵槽２に返送するガス返送管である。
その他の構成要素は図１で同一符合を付して示したものと同一あるいは同等である。
【００３３】
水素ガス分離装置２１の水素ガス分離部２３に設ける水素ガス吸着材として、水素吸蔵合金、ナフタレンが好ましい。ナフタレンは水素ガスと接触することでデカリンとなり、水素を吸収する。水素吸蔵合金は重量比で１％の水素を吸収可能であり、ナフタレンは重量比で７％の水素を吸収可能である。
【００３４】
次に動作について説明する。
水素発酵槽２内での動作は実施の形態１の場合と同様である。
水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体は、ガス移送管２４を通して水素ガス分離部２３に移送される。水素ガス分離部２３は、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体中の水素ガスを水素ガス吸着材に吸着させることにより、この混合気体から水素ガスを分離する。水素ガス分離部２３から流出した水素ガス分離後の気体は、ガス返送管２５を通して水素発酵槽２に返送される。水素発酵槽２に返送された水素ガス分離後の気体は、不活性ガス導入管５を通して、不活性ガス供給装置５から供給された不活性ガスとともに水素発酵槽２内に導入される。また、水素ガス分離部２３の水素ガス吸着材に吸着した水素ガスは、必要に応じて水素ガス吸着材から脱離してクリーンエネルギーや燃料電池のエネルギー源として使用することができる。
【００３５】
以上のように、この実施の形態２によれば、水素ガスの分離に水素ガス吸着材を用いるので、高濃度の水素を回収することができる。また、水素ガス吸着材に吸着した水素ガスを水素発酵装置２１外に移動することができる。
【００３６】
実施の形態３．
実施の形態３では、水素ガス分離装置に代えて、不活性ガス分離装置を用いる場合について説明する。
【００３７】
図４はこの発明の実施の形態３による水素発酵装置の概略的な構成図である。図において、３１は水素発酵装置、３２は水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体から当該不活性ガスを分離し、分離された不活性ガスを水素発酵槽２に返送する不活性ガス分離装置である。
【００３８】
不活性ガス分離装置３２において、３３は不活性ガスを液化する不活性ガス液化装置を備え、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体中の不活性ガスを不活性ガス液化装置で液化することにより、この混合気体から不活性ガスを分離する不活性ガス分離部、３４は水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体を不活性ガス分離部３３へ移送するガス移送管、３５は不活性ガス分離部３３で分離された不活性ガスを水素発酵槽２に返送するガス返送管である。
その他の構成要素は図１で同一符合を付して示したものと同一あるいは同等である。
【００３９】
図５は実施の形態３の水素発酵装置を構成する不活性ガス分離装置の不活性ガス分離部の概略的な構成図である。図において、３６は不活性ガス液化装置ユニットである。３７は不活性ガス液化装置ユニット３６を構成する個々の不活性ガス液化装置エレメントであり、内部に不活性ガス液化装置を有し、ガス移送管３４を通して移送されてきた、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体が流入するガス流入部３８と、不活性ガス液化装置で液化された不活性ガスが、再び気化された後、流出する不活性ガス流出部３９と、不活性ガス液化装置による不活性ガス分離後の水素ガスを含むバイオガスが流出するガス流出部４０とを備える。４１は不活性ガス液化装置で液化され、再び気化された不活性ガスを吸引するポンプである。
【００４０】
不活性ガス分離装置３１の不活性ガス分離部３３に設ける不活性ガス液化装置として、流入した混合気体を液体ヘリウムで−２００℃に冷却し、分離対象の不活性ガスと他のガスとの沸点の違いを利用するものを用いる。水素の沸点は−２５９．０℃であり、窒素、アルゴンの沸点はそれぞれ−１９５．８℃、−１８９．２℃であるので、−２００℃に冷却することにより、窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性ガスが液化するが水素ガスは液化しない。
【００４１】
次に動作について説明する。
水素発酵槽２内での動作は実施の形態１の場合と同様である。
水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体は、ガス移送管３４を通して不活性ガス分離部３３に移送される。不活性ガス分離部３３は、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体中の不活性ガスを不活性ガス液化装置で液化することにより、この混合気体から不活性ガスを分離する。不活性ガス分離部３３の不活性ガス液化装置で液化された不活性ガスは、再び気化された後、ガス返送管３５を通して水素発酵槽２に返送される。水素発酵槽２に返送された不活性ガスは、不活性ガス導入管５を通して、不活性ガス供給装置５から供給された不活性ガスとともに水素発酵槽２内に導入される。また、不活性ガス分離部３３から流出した不活性ガス分離後の水素ガスを含むバイオガスは、水素発酵装置３１外に排出され、回収される。
【００４２】
以上のように、この実施の形態３によれば、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体から当該不活性ガスを分離し、分離された不活性ガスを水素反応槽２に返送するので、バイオガス中の微量の硫化水素やアンモニアなどが水素発酵槽２に返送される不活性ガス中に含まれず、高純度の不活性ガスが水素発酵槽２に返送される。従って、水素発酵槽２に返送される不活性ガスにより水素発酵を行う微生物の活性が阻害されない。
【００４３】
実施の形態４．
実施の形態４では、不活性ガスの分離に不活性ガス吸着材をを用いる場合について説明する。
【００４４】
図６はこの発明の実施の形態４による水素発酵装置の概略的な構成図である。
図において、５１は水素発酵装置、５２は水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体から当該不活性ガスを分離し、分離された不活性ガスを水素発酵槽２に返送する不活性ガス分離装置である。
【００４５】
不活性ガス分離装置５２において、５３は不活性ガスを吸着する不活性ガス吸着材を備え、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体中の不活性ガスを不活性ガス吸着材に吸着させることにより、この混合気体から不活性ガスを分離する不活性ガス分離部、５４は水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体を不活性ガス分離部５３へ移送するガス移送管、５５は不活性ガス分離部５３で分離された不活性ガスを水素発酵槽２に返送するガス返送管である。
その他の構成要素は図１で同一符合を付して示したものと同一あるいは同等である。
【００４６】
不活性ガス分離装置５１の不活性ガス分離部５３に設ける不活性ガス吸着材として、分離対象の不活性ガスを効率的に吸着し、容易に脱離できる材料を用いる。
【００４７】
次に動作について説明する。
水素発酵槽２内での動作は実施の形態１の場合と同様である。
水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体は、ガス移送管５４を通して不活性ガス分離部５３に移送される。不活性ガス分離部５３は、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体中の不活性ガスを不活性ガス吸着材に吸着させることにより、この混合気体から不活性ガスを分離する。不活性ガス分離部５３の不活性ガス吸着材に吸着された不活性ガスは、定期的に不活性ガス吸着材から脱離してガス返送管５５を通して水素発酵槽２に返送される。水素発酵槽２に返送された不活性ガスは、不活性ガス導入管５を通して、不活性ガス供給装置５から供給された不活性ガスととも、水素発酵槽２内に導入される。また、不活性ガス分離部５３から流出した、不活性ガス分離後の水素ガスを含むバイオガスは、水素発酵装置５１外に排出され、回収される。
【００４８】
以上のように、この実施の形態４によれば、不活性ガスの分離に不活性ガス吸着材を用いるので、不活性ガスを水素発酵槽２に返送する必要があるときだけ、不活性ガス分離部５３の不活性ガス吸着材に吸着された不活性ガスを不活性ガス吸着材から脱離して水素発酵槽２に返送することができる。
【００４９】
【実施例】
以下、この発明の実施の一例を説明する。
実施例１．
実施例１では、図１に示す水素発酵装置１を用いてグルコースを水素発酵処理する場合について説明する。水素ガス分離膜として、ポリスルホンなどの樹脂を用いた複合素材系分離膜を使用した。
【００５０】
１リットルの水素発酵槽２に、クリストリジウム属が存在する嫌気性水素生成菌を投入し、グルコースと栄養塩主体の培地で馴養後、水素発酵槽２内の温度が３０℃、ｐＨが６．７の条件で、グルコース負荷が１５ｇ／Ｌ・ｄとなり滞留時間（ＨＲＴ）が２４時間となるように連続運転した。運転中、水素発酵槽２内に、不活性ガスとして窒素ガスを７ｍＬ／ｍｉｎの流量で通気し、水素発酵槽２内をスターラーで十分に攪拌した。その結果、水素ガス生成効率は２．４（モル・Ｈ2／モル・グルコース）であった。窒素ガスを通気しないときの水素ガス生成効率は２．０（モル・Ｈ2／モル・グルコース）であり、窒素ガスを通気することにより、水素ガス生成効率は１．２倍となった。
【００５１】
窒素ガスと水素ガスとの比が２：１の混合気体が水素発酵槽２から流出する。
水素発酵槽２から流出した混合気体を、上述した水素ガス分離膜を備えた水素ガス分離部８に流し、水素ガス分離部８から流出した気体を水素発酵槽２に返送した。窒素ガスの平均回収率（すなわち、水素発酵槽２に返送される気体中の窒素ガス濃度）は９０％であった。
【００５２】
実施例２．
実施例２では、図３に示す水素発酵装置２１を用いてグルコースを水素発酵処理する場合について説明する。水素ガス吸着材として、ナフタレンを使用した。
【００５３】
実施例１と同一の条件で運転した。その結果、水素ガス生成効率は２．５（モル・Ｈ2 ／モル・グルコース）であった。水素ガス吸着材は水素ガスを直接吸着するため、水素ガス分離膜より水素ガス回収率が高く、従って、実施例１の場合より水素ガス生成効率が高くなった。
【００５４】
窒素ガスと水素ガスとの比が２：１の混合気体が水素発酵槽２から流出する。
水素発酵槽２から流出した混合気体を、上述したナフタレンを備えた水素ガス分離部２３に流し、水素ガス分離部２３から流出した気体を水素発酵槽２に返送した。窒素ガスの平均回収率（すなわち、水素発酵槽２に返送される気体中の窒素ガス濃度）は９４．６％であった。なお、水素吸蔵合金を備えた水素ガス分離部の場合、窒素ガスの平均回収率は９２．６％であった。
【００５５】
実施例３．
実施例３では、図６に示す水素発酵装置５１を用いてグルコースを水素発酵処理する場合について説明する。不活性ガス液化装置として、流入した混合気体を液体ヘリウムで−２００℃に冷却するものを使用した。
【００５６】
実施例１の場合と同一の条件で運転した。その結果、水素ガス生成効率は２．１（モル・Ｈ2 ／モル・グルコース）であった。
【００５７】
窒素ガスと水素ガスとの比が２：１の混合気体が水素発酵槽２から流出する。
水素発酵槽２から流出した混合気体を、上述した不活性ガス液化装置を備えた不活性ガス分離部５３に流した。液化した窒素ガスを再び気化し、水素発酵槽２に返送した。窒素ガスの平均回収率（すなわち、水素発酵槽２に新規に投入された窒素ガスのうち水素発酵槽２に返送される気体中の窒素ガス濃度）は８０％であった。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、不活性ガスを水素発酵槽内に導入し、水素発酵により生成した水素ガスを、不活性ガスとともに水素発酵槽外に排出するので、以下の効果が得られる。
▲１▼水素発酵槽内の液相中の水素濃度や気相中の水素分圧を適正に維持することができる。従って、水素発酵槽内で連続して安定した水素ガスの生成を行うことができる。その結果、水素ガスを効率的に生成することができる。
▲２▼水素発酵槽を減圧にする装置が不要となる。従って、維持管理作業を軽減することができる。
【００５９】
また、この発明によれば、水素発酵槽内に導入する不活性ガスにより水素発酵槽内を攪拌するので、水素発酵槽内を良好に攪拌することができる。また、従来、水素発酵槽に滞留していたバイオガスや代謝副産物に起因する硫化水素やアンモニアの生成を防止することができる。従って、水素発酵を行う微生物の活性を維持・向上させることができる。その結果、水素ガスを効率的に生成することができる。
【００６０】
また、この発明によれば、水素発酵槽から流出した混合気体から水素ガスあるいは不活性ガスを分離し、水素ガス分離後の気体あるい分離した不活性ガスを水素発酵槽に返送するので、不活性ガスの使用量を削減することができる。従って、運転コストを低減することができる。
【００６１】
また、この発明によれば、水素発酵槽に返送する不活性ガスが水素発酵槽内の温度に近いので、水素発酵槽内の温度の低下を防止することができる。従って、水素発酵を円滑に進行させることができる。また、水素発酵槽内を水素発酵に適した温度に加温するためのエネルギーを削減することができる。
【００６２】
また、この発明によれば、水素ガスの分離に水素ガス吸着材を用いた場合、高濃度の水素を回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による水素発酵装置の概略的な構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による水素発酵装置を構成する水素ガス分離装置の水素ガス分離部の概略的な構成図である。
【図３】この発明の実施の形態２による水素発酵装置の概略的な構成図である。
【図４】この発明の実施の形態３による水素発酵装置の概略的な構成図である。
【図５】この発明の実施の形態３による水素発酵装置を構成する不活性ガス分離装置の不活性ガス分離部の概略的な構成図である。
【図６】この発明の実施の形態４による水素発酵装置の概略的な構成図である。
【図７】従来の水素発酵装置の概略的な構成図である。
【符号の説明】
１ 水素発酵装置
２ 水素発酵槽
３ 流入管
４ 流出管
５ 不活性ガス供給装置
６ 不活性ガス導入管
７ 水素ガス分離装置
８ 水素ガス分離部
９ ガス移送管
１０ ガス返送管
１１ 水素ガス分離膜ユニット
１２ 水素ガス分離膜エレメント
１３ ガス流入部
１４ 水素ガス流出部
１５ ガス流出部
１６ ポンプ
２１ 水素発酵装置
２２ 水素ガス分離装置
２３ 水素ガス分離部
２４ ガス移送管
２５ ガス返送管
３１ 水素発酵装置
３２ 不活性ガス分離装置
３３ 不活性ガス分離部
３４ ガス移送管
３５ ガス返送管
３６ 不活性ガス液化装置ユニット
３７ 不活性ガス液化装置エレメント
３８ ガス流入部
３９ 不活性ガス流出部
４０ ガス流出部
４１ ポンプ
５１ 水素発酵装置
５２ 不活性ガス分離装置
５３ 不活性ガス分離部
５４ ガス移送管
５５ ガス返送管
１０１ 水素発酵装置
１０２ 水素発酵槽
１０３ 流入管
１０４ 流出管
１０５ 攪拌装置
【発明の属する技術分野】
この発明は有機物、例えば有機性廃棄物を水素発酵により分解し、新エネルギーとして注目される水素ガスを回収する水素発酵装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、クリーンエネルギーとしての水素の需要や燃料電池のエネルギー源としての水素の需要が高まっている。また、廃棄物排出量の増大やその処理、処分が社会問題となっている。
【０００３】
このような状況の下、水素発酵による有機性廃棄物の処理が注目されている。水素発酵により有機性廃棄物を処理した場合、水素を生成しながら、環境浄化を行うことができる。また、最近、有機物を嫌気的条件下で分解して大量の水素を生成する嫌気性細菌など嫌気性微生物の存在が確認された。
【０００４】
水素発酵は、炭水化物、タンパク質、脂質などの有機物を嫌気的発酵により二酸化炭素と有機酸等に分解する過程で起こる現象である。嫌気的発酵でメタンを生成する過程では炭水化物、タンパク質、脂質などの有機物を加水分解して有機酸を生成する可溶化酸生成段階と、有機酸をメタン、二酸化炭素、水に分解するメタン発酵段階の２段階からなる。水素発酵は酸生成段階において有機物を加水分解するときに生成する水素に着目する技術である。従来の有機物の嫌気的発酵では、この水素に着目しておらず、生成した水素はメタン菌による利用、他の細菌の電子受容体の還元やエネルギーの獲得などに消費されていた。
【０００５】
水素生成能を持つ微生物は、大きく分けて非光合成嫌気性細菌と光合成嫌気性細菌とに分類される。非光合成嫌気性細菌は、光合成嫌気性細菌と比較して、水素生成速度が速く、光に依存せず、２４時間連続して水素を発生することが可能であるというメリットがある。非光合成嫌気性細菌は糖類、有機酸、アミノ酸、タンパク質などから水素を生成する。
【０００６】
図７は従来の水素発酵装置の概略的な構成図である。図において、１０１は水素発酵装置である。１０２は有機物を水素発酵により分解して水素ガスを生成する水素発酵槽である。１０３は有機物を水素発酵槽１０２に投入する流入管であり、１０４は水素発酵により生成した有機酸等を含む発酵液を水素発酵槽１０２から取り出す流出管である。１０５は水素発酵槽１０２内を攪拌し、水素発酵槽１０２に投入された有機物と水素発酵槽１０２内に存在する水素生成菌とをまんべんなく混合する攪拌装置である。
【０００７】
次に動作について説明する。
有機物を流入管１０３を経由して連続的又は間欠的に水素発酵槽１０２に投入する。水素発酵槽１０２に投入された有機物は、攪拌装置１０５の攪拌により水素発酵槽１０２内に存在する水素生成菌とまんべんなく混合し、水素発酵により分解して水素ガスを生成する。水素発酵が進行すると、水素発酵槽１０２の液相において水素濃度が上昇し、気相において水素分圧が上昇する。有機酸等を含んだ発酵液は流出管１０４を経由して系外に取り出される。
【０００８】
例えば、有機物がグルコースの場合、理論的には水素発酵により（１）式で示す反応が起こり、１モルのグルコースから４モルの水素ガスが生成する。しかし、実際には、酢酸以外にアルコールなども生成し、その分だけ水素ガスの生成効率は低下する。
【数１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の水素発酵装置は以上のように構成されているので、水素発酵槽内で生成する水素ガスにより、水素発酵槽内の液相中の水素濃度や気相中の水素分圧が上昇すると、（２）式に示す可逆反応により、生成した水素ガスが消費され、従って、連続して安定した水素ガスの生成を行うことができず、その結果、水素ガスの生成効率が低下するという課題があった。
【００１０】
これらの課題を解決するためには、水素反応槽内を減圧し、水素ガスを強制的に反応系外に取り出せばよいが、その場合には、水素反応槽内を減圧にするための装置を設けなければならず、過去に行われた例では、２８．４ｋＰａ程度の減圧では余計な作業を行うために維持管理が煩雑になるわりに水素ガス生成効率の向上が認められない（「エバラ時報，Ｎｏ．１８３（１９９９−４），ｐ３８〜４５」参照）という課題があった。
【００１１】
また、機械式の攪拌装置を備えた水素発酵槽では、生物反応により生成するバイオガスや代謝副産物が滞留し易くなり、これらに起因して生成する硫化水素やアンモニアにより、水素発酵を行う微生物の活性が阻害され、水素ガスの生成に支障が生じていた。
【００１２】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、不活性ガスを水素発酵槽内に導入して、水素発酵槽内で生成した水素ガスを不活性ガスとともに水素発行槽外に排出し、水素発酵槽から流出した混合気体から水素ガスあるいは不活性ガスを分離して、水素ガス分離後の気体あるいは分離された不活性ガスを水素発酵槽に返送する水素発酵装置を得ることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る水素発酵装置は、有機物を水素発酵により分解する水素発酵槽と、水素発酵槽内に不活性ガスを導入する不活性ガス導入手段と、水素発酵槽より排出される気体から水素ガスを分離する水素ガス分離手段と、水素ガス分離手段より排出される気体を水素発酵槽に返送するガス返送手段とを備えたものである。
【００１４】
この発明に係る水素発酵装置は、水素ガス分離手段が、水素ガス分離膜および／または水素ガス吸着材を有するものである。
【００１５】
この発明に係る水素発酵装置は、有機物を水素発酵により分解する水素発酵槽と、水素発酵槽内に不活性ガスを導入する不活性ガス導入手段と、水素発酵槽より排出される気体から不活性ガスを分離する不活性ガス分離手段と、不活性ガス分離手段より排出される気体を水素発酵槽に返送するガス返送手段とを備えたものである。
【００１６】
この発明に係る水素発酵装置は、不活性ガス分離手段が、不活性ガス液化装置および／または不活性ガス吸着剤を有するものである。
【００１７】
この発明に係る水素発酵装置は、不活性ガスが、窒素ガスおよび／または希ガスであるものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による水素発酵装置の概略的な構成図である。図において、１は水素発酵装置、２は有機物を水素発酵により分解して水素ガスを生成する水素発酵槽であり、嫌気状態を保持するように製作され、温度、ｐＨ、有機物負荷、滞留時間などが水素ガス生成効率が高くなる条件に調整される。３は有機物を水素発酵槽２に投入する流入管である。水素発酵槽２に投入する有機物は固体状態のものでも、液体状態のものでもよい。４は水素発酵により生成した有機酸等を含む発酵液を水素発酵槽２から取り出す流出管である。５は不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置であり、６は不活性ガス供給装置５から供給された不活性ガス及び後述する水素ガス分離装置７から返送されてきた水素ガス分離後の気体を水素発酵槽２内に導入し、水素発酵槽２内をバブリングする不活性ガス導入管である。７は水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体から当該水素ガスを分離し、水素ガス分離後の気体を水素発酵槽２に返送する水素ガス分離装置である。
【００１９】
水素ガス分離装置７において、８は水素ガスを透過させる水素ガス分離膜を備え、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体中の水素ガスを水素ガス分離膜に透過させることにより、この混合気体から水素ガスを分離する水素ガス分離部、９は水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体を水素ガス分離部８へ移送するガス移送管、１０は水素ガス分離部８から流出した水素ガス分離後の気体を水素発酵槽２に返送するガス返送管である。
【００２０】
図２は実施の形態１の水素発酵装置を構成する水素ガス分離装置の水素ガス分離部の概略的な構成図である。図において、１１は水素ガス分離膜ユニットである。１２は水素ガス分離膜ユニット１１を構成する個々の水素ガス分離膜エレメントであり、内部に水素ガス分離膜を有し、ガス移送管９を通して移送されてきた、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体が流入するガス流入部１３と、水素ガス分離膜を透過した水素ガスが流出する水素ガス流出部１４と、水素ガス分離膜による水素ガス分離後の気体が流出するガス流出部１５とを備える。１６は水素ガス分離膜を透過した水素ガスを吸引するポンプである。
【００２１】
水素発酵槽２に投入された有機物と水素発酵槽２内に存在する水素生成菌とをまんべんなく混合するために水素発酵槽２内を攪拌する必要があるが、その方式として機械式の攪拌装置を水素発酵槽２に設ける方法や、酸素以外の気体を水素発酵槽２内に導入する方法がある。この実施に形態では、不活性ガス導入管６を通して水素発酵槽２内に導入される不活性ガスを水素発酵槽２内の攪拌に用いる。
【００２２】
水素発酵槽２内に導入する不活性ガスとして、窒素ガス、希ガスが好ましく、特に窒素ガスが好ましい。その理由を以下に示す。
▲１▼水素発酵槽２内では、窒素ガスや希ガスを生成する反応が起こらない。このため、水素発酵槽２内に導入する窒素ガスや希ガスは水素ガスを追い出すためだけに利用され、水素発酵槽２内の生物反応に影響を及ぼさない。
▲２▼窒素ガス及び希ガスは常温で気体であり、液化しにくく、水への溶解性も低い。
▲３▼窒素ガス及び希ガスはいずれも化学的に安定であり、他の物質に変化しにくい。
▲４▼窒素ガスと水素ガスとの間に、水素ガス分離膜を用いて分離できる程度の質量差があり、また、窒素ガスと水素ガスとは大きさも似ており、入れ替わり易く、水素ガスを追い出し易い。
▲５▼窒素ガスは安価である。
▲６▼窒素ガスは自然界に多く存在するため生物に与える影響が少ない。
【００２３】
水素ガス分離装置７の水素ガス分離部８に設ける水素ガス分離膜として、ポリスルホンなどの樹脂を用いた複合素材系分離膜、ポリスルホン、ポリイミドが好ましい。ポリスルホンなどの樹脂を用いた複合素材系分離膜は、優れた分離係数をもつポリスルホン非対称孔径膜と分離係数は低いが透過係数の大きいジメチルシクロキサンなどのコーティング物質とからなる多成分膜構造をもつ。この複合素材系分離膜は水、Ｈ2 、Ｈｅ、Ｈ2 Ｓの順に良く透過し、Ｎ2 、ＣＨ4 、ＣＯ、Ａｒの順に透過しにくい（「最新の膜処理技術とその応用、清水博、編集監修
（株）フジテクノシステム発行所」参照）。
【００２４】
次に動作について説明する。
有機物を流入管３を経由して連続的又は間欠的に水素発酵槽２に投入する。また、不活性ガス供給装置５から供給された不活性ガスや水素ガス分離装置７から返送されてきた水素ガス分離後の気体が不活性ガス導入管５を通して水素発酵槽２内に導入される。水素発酵槽２に投入された有機物は、不活性ガス導入管５を通して水素発酵槽２内に導入された不活性ガスや水素発酵槽２に設けられた機械式の攪拌装置（図示せず）の攪拌により、水素発酵槽２内に存在する水素生成菌とまんべんなく混合し、水素発酵により分解して水素ガスを生成する。水素発酵により生成した水素ガスは、水素発酵槽２内に導入された不活性ガスにより液相から気相に追い出され、不活性ガスとともに水素発酵槽２外に流出する。このため、水素発酵が進行しても、水素発酵槽２内の液相中の水素濃度や気相中の水素分圧は低く、適正に維持される。有機酸等を含んだ発酵液は流出管４を経由して系外に取り出される。
【００２５】
水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体は、ガス移送管９を通して水素ガス分離部８に移送される。水素ガス分離部８は、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体中の水素ガスを水素ガス分離膜に透過させることにより、この混合気体から水素ガスを分離する。水素ガス分離部８から流出した水素ガス分離後の気体は、ガス返送管１０を通して水素発酵槽２に返送される。水素発酵槽２に返送された水素ガス分離後の気体は、不活性ガス導入管５を通して、不活性ガス供給装置５から供給された不活性ガスとともに水素発酵槽２内に導入される。また、水素ガス分離部８の水素ガス分離膜を透過した水素ガスは、高濃度であり、クリーンエネルギーや燃料電池のエネルギー源として利用することができる。
【００２６】
以上のように、この実施の形態１によれば、不活性ガスを水素発酵槽２内に導入し、水素発酵により生成した水素ガスを不活性ガスとともに水素発酵槽２外に排出するので、水素発酵槽２内の液相中の水素濃度や気相中の水素分圧を適正に維持することができる。従って、連続して安定した水素ガスの生成を行うことができる。その結果、水素ガスを効率的に生成することができる。
【００２７】
また、この実施の形態１によれば、水素発酵槽２内に導入する不活性ガスにより水素発酵槽２内を攪拌するので、水素発酵槽２内を良好に攪拌することができる。従って、水素ガスを効率的に生成することができる。
【００２８】
また、この実施の形態１によれば、水素発酵槽２から流出した混合気体から水素ガスを分離し、水素ガス分離後の気体を水素発酵槽２に返送するので、不活性ガスの使用量を削減することができる。従って、運転コストを低減することができる。
【００２９】
また。この実施の形態１によれば、水素発酵槽２に返送する不活性ガスが水素発酵槽２内の温度に近いので、水素発酵槽２内の温度を低下させることなく、水素発酵を円滑に進行させることができる。また、水素発酵槽２内を水素発酵に適した温度に加温するためのエネルギーを削減することができる。
【００３０】
実施の形態２．
実施の形態２では、水素ガスの分離に水素ガス吸着材を用いる場合について説明する。
【００３１】
図３はこの発明の実施の形態２による水素発酵装置の概略的な構成図である。図において、２１は水素発酵装置、２２は水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体から当該水素ガスを分離し、水素ガス分離後の気体を水素発酵槽２に返送する水素ガス分離装置である。
【００３２】
水素ガス分離装置２２において、２３は水素ガスを吸着する水素ガス吸着材を備え、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体中の水素ガスを水素ガス吸着材に吸着させることにより、この混合気体から水素ガスを分離する水素ガス分離部、２４は水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体を水素ガス分離部２３へ移送するガス移送管、２５は水素ガス分離部２３から流出した水素ガス分離後の気体を水素発酵槽２に返送するガス返送管である。
その他の構成要素は図１で同一符合を付して示したものと同一あるいは同等である。
【００３３】
水素ガス分離装置２１の水素ガス分離部２３に設ける水素ガス吸着材として、水素吸蔵合金、ナフタレンが好ましい。ナフタレンは水素ガスと接触することでデカリンとなり、水素を吸収する。水素吸蔵合金は重量比で１％の水素を吸収可能であり、ナフタレンは重量比で７％の水素を吸収可能である。
【００３４】
次に動作について説明する。
水素発酵槽２内での動作は実施の形態１の場合と同様である。
水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体は、ガス移送管２４を通して水素ガス分離部２３に移送される。水素ガス分離部２３は、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体中の水素ガスを水素ガス吸着材に吸着させることにより、この混合気体から水素ガスを分離する。水素ガス分離部２３から流出した水素ガス分離後の気体は、ガス返送管２５を通して水素発酵槽２に返送される。水素発酵槽２に返送された水素ガス分離後の気体は、不活性ガス導入管５を通して、不活性ガス供給装置５から供給された不活性ガスとともに水素発酵槽２内に導入される。また、水素ガス分離部２３の水素ガス吸着材に吸着した水素ガスは、必要に応じて水素ガス吸着材から脱離してクリーンエネルギーや燃料電池のエネルギー源として使用することができる。
【００３５】
以上のように、この実施の形態２によれば、水素ガスの分離に水素ガス吸着材を用いるので、高濃度の水素を回収することができる。また、水素ガス吸着材に吸着した水素ガスを水素発酵装置２１外に移動することができる。
【００３６】
実施の形態３．
実施の形態３では、水素ガス分離装置に代えて、不活性ガス分離装置を用いる場合について説明する。
【００３７】
図４はこの発明の実施の形態３による水素発酵装置の概略的な構成図である。図において、３１は水素発酵装置、３２は水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体から当該不活性ガスを分離し、分離された不活性ガスを水素発酵槽２に返送する不活性ガス分離装置である。
【００３８】
不活性ガス分離装置３２において、３３は不活性ガスを液化する不活性ガス液化装置を備え、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体中の不活性ガスを不活性ガス液化装置で液化することにより、この混合気体から不活性ガスを分離する不活性ガス分離部、３４は水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体を不活性ガス分離部３３へ移送するガス移送管、３５は不活性ガス分離部３３で分離された不活性ガスを水素発酵槽２に返送するガス返送管である。
その他の構成要素は図１で同一符合を付して示したものと同一あるいは同等である。
【００３９】
図５は実施の形態３の水素発酵装置を構成する不活性ガス分離装置の不活性ガス分離部の概略的な構成図である。図において、３６は不活性ガス液化装置ユニットである。３７は不活性ガス液化装置ユニット３６を構成する個々の不活性ガス液化装置エレメントであり、内部に不活性ガス液化装置を有し、ガス移送管３４を通して移送されてきた、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体が流入するガス流入部３８と、不活性ガス液化装置で液化された不活性ガスが、再び気化された後、流出する不活性ガス流出部３９と、不活性ガス液化装置による不活性ガス分離後の水素ガスを含むバイオガスが流出するガス流出部４０とを備える。４１は不活性ガス液化装置で液化され、再び気化された不活性ガスを吸引するポンプである。
【００４０】
不活性ガス分離装置３１の不活性ガス分離部３３に設ける不活性ガス液化装置として、流入した混合気体を液体ヘリウムで−２００℃に冷却し、分離対象の不活性ガスと他のガスとの沸点の違いを利用するものを用いる。水素の沸点は−２５９．０℃であり、窒素、アルゴンの沸点はそれぞれ−１９５．８℃、−１８９．２℃であるので、−２００℃に冷却することにより、窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性ガスが液化するが水素ガスは液化しない。
【００４１】
次に動作について説明する。
水素発酵槽２内での動作は実施の形態１の場合と同様である。
水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体は、ガス移送管３４を通して不活性ガス分離部３３に移送される。不活性ガス分離部３３は、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体中の不活性ガスを不活性ガス液化装置で液化することにより、この混合気体から不活性ガスを分離する。不活性ガス分離部３３の不活性ガス液化装置で液化された不活性ガスは、再び気化された後、ガス返送管３５を通して水素発酵槽２に返送される。水素発酵槽２に返送された不活性ガスは、不活性ガス導入管５を通して、不活性ガス供給装置５から供給された不活性ガスとともに水素発酵槽２内に導入される。また、不活性ガス分離部３３から流出した不活性ガス分離後の水素ガスを含むバイオガスは、水素発酵装置３１外に排出され、回収される。
【００４２】
以上のように、この実施の形態３によれば、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体から当該不活性ガスを分離し、分離された不活性ガスを水素反応槽２に返送するので、バイオガス中の微量の硫化水素やアンモニアなどが水素発酵槽２に返送される不活性ガス中に含まれず、高純度の不活性ガスが水素発酵槽２に返送される。従って、水素発酵槽２に返送される不活性ガスにより水素発酵を行う微生物の活性が阻害されない。
【００４３】
実施の形態４．
実施の形態４では、不活性ガスの分離に不活性ガス吸着材をを用いる場合について説明する。
【００４４】
図６はこの発明の実施の形態４による水素発酵装置の概略的な構成図である。
図において、５１は水素発酵装置、５２は水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体から当該不活性ガスを分離し、分離された不活性ガスを水素発酵槽２に返送する不活性ガス分離装置である。
【００４５】
不活性ガス分離装置５２において、５３は不活性ガスを吸着する不活性ガス吸着材を備え、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体中の不活性ガスを不活性ガス吸着材に吸着させることにより、この混合気体から不活性ガスを分離する不活性ガス分離部、５４は水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体を不活性ガス分離部５３へ移送するガス移送管、５５は不活性ガス分離部５３で分離された不活性ガスを水素発酵槽２に返送するガス返送管である。
その他の構成要素は図１で同一符合を付して示したものと同一あるいは同等である。
【００４６】
不活性ガス分離装置５１の不活性ガス分離部５３に設ける不活性ガス吸着材として、分離対象の不活性ガスを効率的に吸着し、容易に脱離できる材料を用いる。
【００４７】
次に動作について説明する。
水素発酵槽２内での動作は実施の形態１の場合と同様である。
水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体は、ガス移送管５４を通して不活性ガス分離部５３に移送される。不活性ガス分離部５３は、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体中の不活性ガスを不活性ガス吸着材に吸着させることにより、この混合気体から不活性ガスを分離する。不活性ガス分離部５３の不活性ガス吸着材に吸着された不活性ガスは、定期的に不活性ガス吸着材から脱離してガス返送管５５を通して水素発酵槽２に返送される。水素発酵槽２に返送された不活性ガスは、不活性ガス導入管５を通して、不活性ガス供給装置５から供給された不活性ガスととも、水素発酵槽２内に導入される。また、不活性ガス分離部５３から流出した、不活性ガス分離後の水素ガスを含むバイオガスは、水素発酵装置５１外に排出され、回収される。
【００４８】
以上のように、この実施の形態４によれば、不活性ガスの分離に不活性ガス吸着材を用いるので、不活性ガスを水素発酵槽２に返送する必要があるときだけ、不活性ガス分離部５３の不活性ガス吸着材に吸着された不活性ガスを不活性ガス吸着材から脱離して水素発酵槽２に返送することができる。
【００４９】
【実施例】
以下、この発明の実施の一例を説明する。
実施例１．
実施例１では、図１に示す水素発酵装置１を用いてグルコースを水素発酵処理する場合について説明する。水素ガス分離膜として、ポリスルホンなどの樹脂を用いた複合素材系分離膜を使用した。
【００５０】
１リットルの水素発酵槽２に、クリストリジウム属が存在する嫌気性水素生成菌を投入し、グルコースと栄養塩主体の培地で馴養後、水素発酵槽２内の温度が３０℃、ｐＨが６．７の条件で、グルコース負荷が１５ｇ／Ｌ・ｄとなり滞留時間（ＨＲＴ）が２４時間となるように連続運転した。運転中、水素発酵槽２内に、不活性ガスとして窒素ガスを７ｍＬ／ｍｉｎの流量で通気し、水素発酵槽２内をスターラーで十分に攪拌した。その結果、水素ガス生成効率は２．４（モル・Ｈ2／モル・グルコース）であった。窒素ガスを通気しないときの水素ガス生成効率は２．０（モル・Ｈ2／モル・グルコース）であり、窒素ガスを通気することにより、水素ガス生成効率は１．２倍となった。
【００５１】
窒素ガスと水素ガスとの比が２：１の混合気体が水素発酵槽２から流出する。
水素発酵槽２から流出した混合気体を、上述した水素ガス分離膜を備えた水素ガス分離部８に流し、水素ガス分離部８から流出した気体を水素発酵槽２に返送した。窒素ガスの平均回収率（すなわち、水素発酵槽２に返送される気体中の窒素ガス濃度）は９０％であった。
【００５２】
実施例２．
実施例２では、図３に示す水素発酵装置２１を用いてグルコースを水素発酵処理する場合について説明する。水素ガス吸着材として、ナフタレンを使用した。
【００５３】
実施例１と同一の条件で運転した。その結果、水素ガス生成効率は２．５（モル・Ｈ2 ／モル・グルコース）であった。水素ガス吸着材は水素ガスを直接吸着するため、水素ガス分離膜より水素ガス回収率が高く、従って、実施例１の場合より水素ガス生成効率が高くなった。
【００５４】
窒素ガスと水素ガスとの比が２：１の混合気体が水素発酵槽２から流出する。
水素発酵槽２から流出した混合気体を、上述したナフタレンを備えた水素ガス分離部２３に流し、水素ガス分離部２３から流出した気体を水素発酵槽２に返送した。窒素ガスの平均回収率（すなわち、水素発酵槽２に返送される気体中の窒素ガス濃度）は９４．６％であった。なお、水素吸蔵合金を備えた水素ガス分離部の場合、窒素ガスの平均回収率は９２．６％であった。
【００５５】
実施例３．
実施例３では、図６に示す水素発酵装置５１を用いてグルコースを水素発酵処理する場合について説明する。不活性ガス液化装置として、流入した混合気体を液体ヘリウムで−２００℃に冷却するものを使用した。
【００５６】
実施例１の場合と同一の条件で運転した。その結果、水素ガス生成効率は２．１（モル・Ｈ2 ／モル・グルコース）であった。
【００５７】
窒素ガスと水素ガスとの比が２：１の混合気体が水素発酵槽２から流出する。
水素発酵槽２から流出した混合気体を、上述した不活性ガス液化装置を備えた不活性ガス分離部５３に流した。液化した窒素ガスを再び気化し、水素発酵槽２に返送した。窒素ガスの平均回収率（すなわち、水素発酵槽２に新規に投入された窒素ガスのうち水素発酵槽２に返送される気体中の窒素ガス濃度）は８０％であった。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、不活性ガスを水素発酵槽内に導入し、水素発酵により生成した水素ガスを、不活性ガスとともに水素発酵槽外に排出するので、以下の効果が得られる。
▲１▼水素発酵槽内の液相中の水素濃度や気相中の水素分圧を適正に維持することができる。従って、水素発酵槽内で連続して安定した水素ガスの生成を行うことができる。その結果、水素ガスを効率的に生成することができる。
▲２▼水素発酵槽を減圧にする装置が不要となる。従って、維持管理作業を軽減することができる。
【００５９】
また、この発明によれば、水素発酵槽内に導入する不活性ガスにより水素発酵槽内を攪拌するので、水素発酵槽内を良好に攪拌することができる。また、従来、水素発酵槽に滞留していたバイオガスや代謝副産物に起因する硫化水素やアンモニアの生成を防止することができる。従って、水素発酵を行う微生物の活性を維持・向上させることができる。その結果、水素ガスを効率的に生成することができる。
【００６０】
また、この発明によれば、水素発酵槽から流出した混合気体から水素ガスあるいは不活性ガスを分離し、水素ガス分離後の気体あるい分離した不活性ガスを水素発酵槽に返送するので、不活性ガスの使用量を削減することができる。従って、運転コストを低減することができる。
【００６１】
また、この発明によれば、水素発酵槽に返送する不活性ガスが水素発酵槽内の温度に近いので、水素発酵槽内の温度の低下を防止することができる。従って、水素発酵を円滑に進行させることができる。また、水素発酵槽内を水素発酵に適した温度に加温するためのエネルギーを削減することができる。
【００６２】
また、この発明によれば、水素ガスの分離に水素ガス吸着材を用いた場合、高濃度の水素を回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による水素発酵装置の概略的な構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による水素発酵装置を構成する水素ガス分離装置の水素ガス分離部の概略的な構成図である。
【図３】この発明の実施の形態２による水素発酵装置の概略的な構成図である。
【図４】この発明の実施の形態３による水素発酵装置の概略的な構成図である。
【図５】この発明の実施の形態３による水素発酵装置を構成する不活性ガス分離装置の不活性ガス分離部の概略的な構成図である。
【図６】この発明の実施の形態４による水素発酵装置の概略的な構成図である。
【図７】従来の水素発酵装置の概略的な構成図である。
【符号の説明】
１ 水素発酵装置
２ 水素発酵槽
３ 流入管
４ 流出管
５ 不活性ガス供給装置
６ 不活性ガス導入管
７ 水素ガス分離装置
８ 水素ガス分離部
９ ガス移送管
１０ ガス返送管
１１ 水素ガス分離膜ユニット
１２ 水素ガス分離膜エレメント
１３ ガス流入部
１４ 水素ガス流出部
１５ ガス流出部
１６ ポンプ
２１ 水素発酵装置
２２ 水素ガス分離装置
２３ 水素ガス分離部
２４ ガス移送管
２５ ガス返送管
３１ 水素発酵装置
３２ 不活性ガス分離装置
３３ 不活性ガス分離部
３４ ガス移送管
３５ ガス返送管
３６ 不活性ガス液化装置ユニット
３７ 不活性ガス液化装置エレメント
３８ ガス流入部
３９ 不活性ガス流出部
４０ ガス流出部
４１ ポンプ
５１ 水素発酵装置
５２ 不活性ガス分離装置
５３ 不活性ガス分離部
５４ ガス移送管
５５ ガス返送管
１０１ 水素発酵装置
１０２ 水素発酵槽
１０３ 流入管
１０４ 流出管
１０５ 攪拌装置
Claims (5)
- 有機物を水素発酵により分解する水素発酵槽と、
上記水素発酵槽内に不活性ガスを導入する不活性ガス導入手段と、
上記水素発酵槽より排出される気体から水素ガスを分離する水素ガス分離手段と、
上記水素ガス分離手段より排出される気体を上記水素発酵槽に返送するガス返送手段と
を備えたことを特徴とする水素発酵装置。 - 水素ガス分離手段は、水素ガス分離膜および／または水素ガス吸着材を有することを特徴とする請求項１記載の水素発酵装置。
- 有機物を水素発酵により分解する水素発酵槽と、
上記水素発酵槽内に不活性ガスを導入する不活性ガス導入手段と、
上記水素発酵槽より排出される気体から不活性ガスを分離する不活性ガス分離手段と、
上記不活性ガス分離手段より排出される気体を上記水素発酵槽に返送するガス返送手段と
を備えたことを特徴とする水素発酵装置。 - 不活性ガス分離手段は、不活性ガス液化装置および／または不活性ガス吸着剤を有することを特徴とする請求項３記載の水素発酵装置。
- 不活性ガスは、窒素ガスおよび／または希ガスであることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載の水素発酵装置。
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