JP3857106B2 - 微生物を用いた水素及びメタンの製造方法ならびに装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、再生可能有機性資源などの有機物を原料とする、微生物を用いた水素およびメタンの製造方法、ならびに装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素は、環境汚染のないクリーンな燃料として広い用途が期待され、次世代の有力なエネルギー源の一つにあげられている。現在、水素は主に化石燃料から製造されているが、製造工程において環境汚染の原因になる物質を排出するという問題があり、これに代わるクリーンで効率のよい水素生産技術の実用化がまたれている。
【０００３】
最近注目を浴びている、微生物を用いて有機性物質を発酵させ水素を製造する、いわゆる水素発酵法は、バイオマス、有機性廃棄物、有機性排水などの再生可能有機性資源を原料にして、水素生成菌により水素を製造できる有用な水素の製造手段であり、多くの技術的な提案がなされている（例えば、特開平８−１９１６８３号公報、特開２０００−１０２３９７号公報の記載）。さらに、水素生成菌は、水素と同時に有機酸を生成し、水素発酵後の残さには有機酸が多く含まれ、また、セルロース、ヘミセルロース蛋白質などの有機成分が残るので、その処理が必要になる。この問題に関しては、例えば、メタン発酵してバイオガスから水素とメタンとを発生させる提案（特開２００１−１４９９８３公報の記載）がみられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、水素発酵は多くの利点を有し多くの提案がなされているのにもかかわらず、その実用化は進んでいない。実験室的には水素生成菌の作用により連続して水素生成することが可能である。しかし、水素発酵は実用的に必ずしも円滑に行われない。本発明は、水素生成菌の作用が実用的に実施できない理由を明らかにし、再生可能有機性資源を原料とする微生物を用いたクリーンな水素製造方法および装置において、水素生成菌がその作用を十二分に奏することのできる条件を整えることを課題に研究の結果、完成したものである。あわせて、水素発酵において排出される発酵残さについても、環境保全上の問題を生じないことを課題にした。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明は、バイオマス、有機性廃棄物、有機性排水な どの再生可能有機性資源を原料として、５０〜９０℃の加熱処理を施し水素生成を 阻害する微生物を不活性化させた後、加熱処理された原料中に存在する水素生成菌 により水素発酵させて水素および二酸化炭素を主成分とするバイオガスを発生させ ることを特徴とする微生物を用いた水素製造方法を提供する。さらに、前記再生可 能有機性資源を原料として、５０〜９０℃の加熱処理を施し水素生成を阻害する微 生物を不活性化させた後、加熱処理された原料中に存在する水素生成菌により原料 を水素発酵して水素および二酸化炭素を主成分とするバイオガスを発生させ、バイ オガスを発生させた後に残る水素発酵残さをメタン発酵してメタンを生成させるこ とを特徴とする水素およびメタン製造方法。有機物を原料として５０〜９０℃の加 熱処理を施した後、水素生成菌により原料を水素発酵して水素および二酸化炭素を 主成分とするバイオガスを発生させ、バイオガスを発生させた後に残る水素発酵残 さをメタン発酵してメタンを生成させることを特徴とする水素およびメタン製造方 法を提供する。
【０００６】
また、本発明は、原料となる前記再生可能有機性資源を５０〜９０℃に加熱処理 する加熱装置と、加熱処理された原料中に存在する水素生成菌により水素および二 酸化炭素を主成分とするバイオガスを発生させる水素発酵槽とを含んでなることを 特徴とする水素製造装置。原料となる有機物を５０〜９０℃に加熱処理する加熱装 置と、加熱処理された有機物を原料として、水素生成菌により水素および二酸化炭 素を主成分とするバイオガスを発生させる水素発酵槽とを含んでなることを特徴と する水素製造装置を提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る、微生物を用いた水素およびメタンの製造方法、ならびに装置を、実施形態例をあげ図面を参照して説明する。図１は本発明に係る微生物を用いた水素およびメタン製造の構成を示すブロック図である。
【０００８】
水素発酵法は、一般的に原料の有機性物質を水素発酵槽に供給し、水素生成菌の存在下に、ｐＨ５〜７前後、約２５〜３５℃の温度範囲で８〜２４時間の滞留時間を維持し、水素および二酸化炭素を主成分とするバイオガスを発生させるものである。そして、原料にバイオマス、有機性廃棄物、有機性排水などの再生可能有機性資源を容易に利用できることが特長の一つである。
【０００９】
さて、実験室的には水素生成菌の作用により連続して水素生成することが可能である。しかし、水素発酵は実用的に必ずしも円滑に進行しない。その原因を追跡し、その大きな理由の一つとして、水素生成菌の水素生成作用が乳酸菌などの雑菌の影響をきわめて受けやすいことが判った。実験室では研究を目的として水素生成菌の活動を円滑に進める関係上、通常、１２１℃、２０分間の加圧滅菌処理を行い、雑菌が混入していない条件下において水素生成菌のみの作用により水素を連続して生成させている。ところが、実用を目指して有機性廃棄物などの再生可能有機性資源を原料とする発酵を進めると、原料に付着して混入する微生物、とくに乳酸菌などによって水素生成菌の作用が阻害され、水素の発生量が大幅に減少しあるいは事実上水素の発生が停止してしまうことが判った。乳酸菌が水素生成菌の作用を阻害していることを実験によって確かめたので、つぎにその内容を示す。
【００１０】
実験例
雑菌（乳酸菌）が水素生成菌の水素生成能に与える影響を実験したので、その内容を説明する。実験には表１に記載した３種類の水素生成菌（Clostoridium属）及び雑菌としておから（豆腐殻）から分離された２種類の乳酸菌を用い、続けて２回のバッチ処理を行い水素の生成状態を調べた。使用した菌種と実験の結果とを表１に示す。
【００１１】
実験１〜３では雑菌が存在しない条件下での水素生成菌のブランク実験を行った。１回目の実験において９ｍｌのＰＹＧ培地に１ｍｌの水素生成菌の懸濁液を加え、水温３５℃において１８時間の振とう培養を行い、水素の生成状況を調べた。引き続き、２回目の実験を行い、新たに９ｍｌのＰＹＧ培地に１回目に得られた培養液１ｍｌを加えて、１回目と同じ条件で振とう培養し、水素の生成状況を調べた。
【００１２】
実験４〜９では雑菌として乳酸菌の存在下における水素生成菌の作用効果を観察した。１回目の実験において９ｍｌのＰＹＧ培地に１ｍｌの水素生成菌の懸濁液と乳酸菌の懸濁液１ｍｌとを加え、実験１の１回目と同じ条件で振とう培養し、水素の生成状況を調べた。引き続き、２回目の実験を行い、新たに９ｍｌのＰＹＧ培地に１回目に得られた培養液１ｍｌと乳酸菌の懸濁液１ｍｌとを加えて、１回目と同じ条件で振とう培養し、水素の生成状況を調べた。
【００１３】
実験１０〜１１では、１回目の実験において９ｍｌのＰＹＧ培地に１ｍｌの水素生成菌の懸濁液と乳酸菌培養上澄液３ｍｌとを加え、実験１の１回目と同じ条件で振とう培養し、水素の生成状況を調べた。引き続き、２回目の実験を行い、新たに９ｍｌのＰＹＧ培地に１回目に得られた培養液１ｍｌと乳酸菌培養上澄液３ｍｌとを加えて、１回目と同じ条件で振とう培養し、水素の生成状況を調べた。
【００１４】
前記実験の結果、水素生成菌を単独で用いた実験１〜３では、バッチ処理１回目、２回目共に水素生成能が維持されていたが、乳酸菌を混合した実験４〜９においては２回目の培養において水素生成能が見られなくなり、乳酸菌培養上澄液を混合した実験１０、１１においては２回目の培養において水素生成能が大幅に低下し乳酸菌の影響が認められた。
【００１５】
【表１】
【００１６】
ところで、実験室と同じ条件で実地の原料を処理することは現実的ではない。本発明においては、有機性原料１を水素発酵に供するに当たって、前処理として比較的低温の５０〜９０℃において、好ましくは６０〜８０℃の範囲において、原料１に加熱処理２を施すことにより水素生成を阻害する微生物、たとえば水素資化性細菌や乳酸菌などを不活化させ、その影響を排除する。一方、芽胞性である水素生成菌は、胞子を形成するために熱耐性を有し、前記温度範囲の加熱処理で活性を失うことはない。
【００１７】
前記の加熱処理を施された有機性原料３を水素発酵槽４に供給し、水素生成菌の作用を利用して水素発酵させ、水素と二酸化炭素とを主成分とするバイオガス５を発生させる。加熱処理後の原料３を水素発酵槽４に供給するので、槽内における水素生成菌の水素生成能は失われることなく作用し連続して水素を生成させることができる。原料１にバイオマス、有機性廃棄物、有機性排水などの多様な再生可能有機性廃棄物を使用して水素を製造することができる。発生させたバイオガス５は、たとえば、送気ブロワにより膜分離法や吸着法など水素分離装置に送入され、水素を分離する。分離した水素は次工程に送り、必要によっては精製して、使用し又は貯蔵する。
【００１８】
バイオガスを発生させた後の水素発酵残さ６は、好ましくは、メタン発酵槽７に送りてメタン８を生成させる。メタン発酵によって、水素発酵残さ６中に含まれる有機酸や残留有機成分を分解してメタン８を生成させてメタンとして回収し、燃料や合成ガスに改質して利用する。残留有機成分量を低減した発酵残さ９は系外に取り出される。
【００１９】
【発明の効果】
本発明を利用し、原料に加熱処理を施した後に水素発酵を行うことにより、水素生成菌の水素生成能が安定するので、連続的に水素を生成して利用できるようになる。本発明の加熱処理は、実行容易な条件で施せるので、再生可能有機性資源を原料に水素を製造する技術の実用化に効果的である。そして、水素発酵の後にメタン発酵を行うことで水素回収後の水素発酵残さからメタンを回収し、残さ中の有機成分が低減され、その後の処理が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る微生物を用いた水素およびメタン製造の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１：原料 ２：加熱処理装置（工程）
３：原料（加熱処理済） ４：水素発酵槽（工程）
５：バイオガス（水素・二酸化炭素等） ６：水素発酵残さ
７：メタン発酵槽（工程） ８：メタン・二酸化炭素等
９：発酵残さ
【発明が属する技術分野】
本発明は、再生可能有機性資源などの有機物を原料とする、微生物を用いた水素およびメタンの製造方法、ならびに装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素は、環境汚染のないクリーンな燃料として広い用途が期待され、次世代の有力なエネルギー源の一つにあげられている。現在、水素は主に化石燃料から製造されているが、製造工程において環境汚染の原因になる物質を排出するという問題があり、これに代わるクリーンで効率のよい水素生産技術の実用化がまたれている。
【０００３】
最近注目を浴びている、微生物を用いて有機性物質を発酵させ水素を製造する、いわゆる水素発酵法は、バイオマス、有機性廃棄物、有機性排水などの再生可能有機性資源を原料にして、水素生成菌により水素を製造できる有用な水素の製造手段であり、多くの技術的な提案がなされている（例えば、特開平８−１９１６８３号公報、特開２０００−１０２３９７号公報の記載）。さらに、水素生成菌は、水素と同時に有機酸を生成し、水素発酵後の残さには有機酸が多く含まれ、また、セルロース、ヘミセルロース蛋白質などの有機成分が残るので、その処理が必要になる。この問題に関しては、例えば、メタン発酵してバイオガスから水素とメタンとを発生させる提案（特開２００１−１４９９８３公報の記載）がみられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、水素発酵は多くの利点を有し多くの提案がなされているのにもかかわらず、その実用化は進んでいない。実験室的には水素生成菌の作用により連続して水素生成することが可能である。しかし、水素発酵は実用的に必ずしも円滑に行われない。本発明は、水素生成菌の作用が実用的に実施できない理由を明らかにし、再生可能有機性資源を原料とする微生物を用いたクリーンな水素製造方法および装置において、水素生成菌がその作用を十二分に奏することのできる条件を整えることを課題に研究の結果、完成したものである。あわせて、水素発酵において排出される発酵残さについても、環境保全上の問題を生じないことを課題にした。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明は、バイオマス、有機性廃棄物、有機性排水な どの再生可能有機性資源を原料として、５０〜９０℃の加熱処理を施し水素生成を 阻害する微生物を不活性化させた後、加熱処理された原料中に存在する水素生成菌 により水素発酵させて水素および二酸化炭素を主成分とするバイオガスを発生させ ることを特徴とする微生物を用いた水素製造方法を提供する。さらに、前記再生可 能有機性資源を原料として、５０〜９０℃の加熱処理を施し水素生成を阻害する微 生物を不活性化させた後、加熱処理された原料中に存在する水素生成菌により原料 を水素発酵して水素および二酸化炭素を主成分とするバイオガスを発生させ、バイ オガスを発生させた後に残る水素発酵残さをメタン発酵してメタンを生成させるこ とを特徴とする水素およびメタン製造方法。有機物を原料として５０〜９０℃の加 熱処理を施した後、水素生成菌により原料を水素発酵して水素および二酸化炭素を 主成分とするバイオガスを発生させ、バイオガスを発生させた後に残る水素発酵残 さをメタン発酵してメタンを生成させることを特徴とする水素およびメタン製造方 法を提供する。
【０００６】
また、本発明は、原料となる前記再生可能有機性資源を５０〜９０℃に加熱処理 する加熱装置と、加熱処理された原料中に存在する水素生成菌により水素および二 酸化炭素を主成分とするバイオガスを発生させる水素発酵槽とを含んでなることを 特徴とする水素製造装置。原料となる有機物を５０〜９０℃に加熱処理する加熱装 置と、加熱処理された有機物を原料として、水素生成菌により水素および二酸化炭 素を主成分とするバイオガスを発生させる水素発酵槽とを含んでなることを特徴と する水素製造装置を提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る、微生物を用いた水素およびメタンの製造方法、ならびに装置を、実施形態例をあげ図面を参照して説明する。図１は本発明に係る微生物を用いた水素およびメタン製造の構成を示すブロック図である。
【０００８】
水素発酵法は、一般的に原料の有機性物質を水素発酵槽に供給し、水素生成菌の存在下に、ｐＨ５〜７前後、約２５〜３５℃の温度範囲で８〜２４時間の滞留時間を維持し、水素および二酸化炭素を主成分とするバイオガスを発生させるものである。そして、原料にバイオマス、有機性廃棄物、有機性排水などの再生可能有機性資源を容易に利用できることが特長の一つである。
【０００９】
さて、実験室的には水素生成菌の作用により連続して水素生成することが可能である。しかし、水素発酵は実用的に必ずしも円滑に進行しない。その原因を追跡し、その大きな理由の一つとして、水素生成菌の水素生成作用が乳酸菌などの雑菌の影響をきわめて受けやすいことが判った。実験室では研究を目的として水素生成菌の活動を円滑に進める関係上、通常、１２１℃、２０分間の加圧滅菌処理を行い、雑菌が混入していない条件下において水素生成菌のみの作用により水素を連続して生成させている。ところが、実用を目指して有機性廃棄物などの再生可能有機性資源を原料とする発酵を進めると、原料に付着して混入する微生物、とくに乳酸菌などによって水素生成菌の作用が阻害され、水素の発生量が大幅に減少しあるいは事実上水素の発生が停止してしまうことが判った。乳酸菌が水素生成菌の作用を阻害していることを実験によって確かめたので、つぎにその内容を示す。
【００１０】
実験例
雑菌（乳酸菌）が水素生成菌の水素生成能に与える影響を実験したので、その内容を説明する。実験には表１に記載した３種類の水素生成菌（Clostoridium属）及び雑菌としておから（豆腐殻）から分離された２種類の乳酸菌を用い、続けて２回のバッチ処理を行い水素の生成状態を調べた。使用した菌種と実験の結果とを表１に示す。
【００１１】
実験１〜３では雑菌が存在しない条件下での水素生成菌のブランク実験を行った。１回目の実験において９ｍｌのＰＹＧ培地に１ｍｌの水素生成菌の懸濁液を加え、水温３５℃において１８時間の振とう培養を行い、水素の生成状況を調べた。引き続き、２回目の実験を行い、新たに９ｍｌのＰＹＧ培地に１回目に得られた培養液１ｍｌを加えて、１回目と同じ条件で振とう培養し、水素の生成状況を調べた。
【００１２】
実験４〜９では雑菌として乳酸菌の存在下における水素生成菌の作用効果を観察した。１回目の実験において９ｍｌのＰＹＧ培地に１ｍｌの水素生成菌の懸濁液と乳酸菌の懸濁液１ｍｌとを加え、実験１の１回目と同じ条件で振とう培養し、水素の生成状況を調べた。引き続き、２回目の実験を行い、新たに９ｍｌのＰＹＧ培地に１回目に得られた培養液１ｍｌと乳酸菌の懸濁液１ｍｌとを加えて、１回目と同じ条件で振とう培養し、水素の生成状況を調べた。
【００１３】
実験１０〜１１では、１回目の実験において９ｍｌのＰＹＧ培地に１ｍｌの水素生成菌の懸濁液と乳酸菌培養上澄液３ｍｌとを加え、実験１の１回目と同じ条件で振とう培養し、水素の生成状況を調べた。引き続き、２回目の実験を行い、新たに９ｍｌのＰＹＧ培地に１回目に得られた培養液１ｍｌと乳酸菌培養上澄液３ｍｌとを加えて、１回目と同じ条件で振とう培養し、水素の生成状況を調べた。
【００１４】
前記実験の結果、水素生成菌を単独で用いた実験１〜３では、バッチ処理１回目、２回目共に水素生成能が維持されていたが、乳酸菌を混合した実験４〜９においては２回目の培養において水素生成能が見られなくなり、乳酸菌培養上澄液を混合した実験１０、１１においては２回目の培養において水素生成能が大幅に低下し乳酸菌の影響が認められた。
【００１５】
【表１】
ところで、実験室と同じ条件で実地の原料を処理することは現実的ではない。本発明においては、有機性原料１を水素発酵に供するに当たって、前処理として比較的低温の５０〜９０℃において、好ましくは６０〜８０℃の範囲において、原料１に加熱処理２を施すことにより水素生成を阻害する微生物、たとえば水素資化性細菌や乳酸菌などを不活化させ、その影響を排除する。一方、芽胞性である水素生成菌は、胞子を形成するために熱耐性を有し、前記温度範囲の加熱処理で活性を失うことはない。
【００１７】
前記の加熱処理を施された有機性原料３を水素発酵槽４に供給し、水素生成菌の作用を利用して水素発酵させ、水素と二酸化炭素とを主成分とするバイオガス５を発生させる。加熱処理後の原料３を水素発酵槽４に供給するので、槽内における水素生成菌の水素生成能は失われることなく作用し連続して水素を生成させることができる。原料１にバイオマス、有機性廃棄物、有機性排水などの多様な再生可能有機性廃棄物を使用して水素を製造することができる。発生させたバイオガス５は、たとえば、送気ブロワにより膜分離法や吸着法など水素分離装置に送入され、水素を分離する。分離した水素は次工程に送り、必要によっては精製して、使用し又は貯蔵する。
【００１８】
バイオガスを発生させた後の水素発酵残さ６は、好ましくは、メタン発酵槽７に送りてメタン８を生成させる。メタン発酵によって、水素発酵残さ６中に含まれる有機酸や残留有機成分を分解してメタン８を生成させてメタンとして回収し、燃料や合成ガスに改質して利用する。残留有機成分量を低減した発酵残さ９は系外に取り出される。
【００１９】
【発明の効果】
本発明を利用し、原料に加熱処理を施した後に水素発酵を行うことにより、水素生成菌の水素生成能が安定するので、連続的に水素を生成して利用できるようになる。本発明の加熱処理は、実行容易な条件で施せるので、再生可能有機性資源を原料に水素を製造する技術の実用化に効果的である。そして、水素発酵の後にメタン発酵を行うことで水素回収後の水素発酵残さからメタンを回収し、残さ中の有機成分が低減され、その後の処理が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る微生物を用いた水素およびメタン製造の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１：原料 ２：加熱処理装置（工程）
３：原料（加熱処理済） ４：水素発酵槽（工程）
５：バイオガス（水素・二酸化炭素等） ６：水素発酵残さ
７：メタン発酵槽（工程） ８：メタン・二酸化炭素等
９：発酵残さ
Claims (3)
- バイオマス、有機性廃棄物、有機性排水などの再生可能有機性資源を原料として 、５０〜９０℃の加熱処理を施し水素生成を阻害する微生物を不活性化させた後、 加熱処理された原料中に存在する水素生成菌により水素発酵させて水素および二酸 化炭素を主成分とするバイオガスを発生させることを特徴とする微生物を用いた水 素製造方法。
- バイオマス、有機性廃棄物、有機性排水などの再生可能有機性資源を原料として 、５０〜９０℃の加熱処理を施し水素生成を阻害する微生物を不活性化させた後、 加熱処理された原料中に存在する水素生成菌により原料を水素発酵して水素および 二酸化炭素を主成分とするバイオガスを発生させ、バイオガスを発生させた後に残 る水素発酵残さをメタン発酵してメタンを生成させることを特徴とする水素および メタン製造方法。
- バイオマス、有機性廃棄物、有機性排水などの原料となる再生可能有機性資源を を５０〜９０℃に加熱処理する加熱装置と、加熱処理された原料中に存在する水素 生成菌により水素および二酸化炭素を主成分とするバイオガスを発生させる水素発 酵槽とを含んでなることを特徴とする水素製造装置。
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