JP6464443B2 - バイオガス製造のためのセルロース加水分解物の使用 - Google Patents
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Description
［発明の技術分野］
本発明は、セルロース加水分解及び加水分解されたセルロースからのバイオガス製造のための方法に関する。
本発明は、セルロース加水分解及び加水分解されたセルロースからのバイオガス製造のための方法に関する。
［発明の背景］
製紙スラッジといったセルロース含有投入材料、又は少なくとも部分的に加水分解されたセルロースを含有する工程中間体流を回収するバイオガス製造工程の経済性を最適化することは、重要である。このような工程は、流れ中の高い含水量に起因し、大量に処理することが通常である。したがって、大規模施設での廃棄物処理における容量限界は、セルロース含有スラッジの体積的に高い含水量に起因する、高い設置費に対応する。
製紙スラッジといったセルロース含有投入材料、又は少なくとも部分的に加水分解されたセルロースを含有する工程中間体流を回収するバイオガス製造工程の経済性を最適化することは、重要である。このような工程は、流れ中の高い含水量に起因し、大量に処理することが通常である。したがって、大規模施設での廃棄物処理における容量限界は、セルロース含有スラッジの体積的に高い含水量に起因する、高い設置費に対応する。
セルロースは、バイオガスリアクターの微生物叢において通常見出される微生物によって消化することが難しい基質である。そのままのセルロースの低い消化性は、エネルギー源及び炭素源としてのセルロースを不良なものとし、バイオガス製造という点において低い収率をもたらす。
処理されている材料混合物（例えば、蓋のない容器内での通気中）の細菌内容物は、病気及び臭気の原因となる無用な微生物の増殖を許すため、病気及び臭気の広がりを抑制することが難しい。したがって、微生物の蔓延は、製紙スラッジ廃棄に好気的な廃棄物処理方法が利用される限り、現実的な懸念事項である。したがって、そのような微生物含有流体を、含水量を低下させて処理する、適切な方法が模索されるべきである。
また、そのようなセルロース含有水性混合物の高い含水量は、大きなリアクター容積と、低い反応物質濃度に起因する低い反応速度も必要となる。低い流動性に関連する物質移動限界に主に起因し、未処理のセルロース含有廃棄物流は、低いバイオガス放出率しか実現しないという、改善を必要とするさらなる欠点がある。製紙スラッジ関連投入流を使用する現行のバイオガス製造工程を用いて、低い工程費用で高収率を得ることは難しい。
セルロース系材料をバイオガス原料として使用することの別の欠点は、バイオガス製造細菌コンソーシアによるセルロースの消化性が低いことである。メタン製造に特化された細菌は、そのままではセルロースの消化性に乏しい。
高含水量流の加熱及び冷却は、多量のエネルギーを必要とする。さらに、適切な流動性を得るために、流れは多量の真水でさらに希釈され、これは環境に優しくない方法であり、非常に重要な懸念事項でもある。通気される高い含水量の流れは、その通気費用も増加させる。
ＣａｔＬｉｑ、熱ガス化、及び熱分解のような合成油生成技術は、流体材料を非常に高圧な容器内へポンプ圧送することを必要とする。そのままでは半乾燥状態（１０％以上の乾燥物含有量）である製紙スラッジは、凝集体を形成し、ポンプ圧送可能な流体のように挙動しない。
不均衡な窒素、リン及びカリウムのレベルに起因して、製紙スラッジは、土壌改良材又は肥料として直接使用することができず、しかも長いセルロース鎖のために、製紙スラッジと土壌との混合がより困難となる。
［発明の目的］
本発明の第一の目的は、上述の従来技術の欠点を克服することである。
本発明の第一の目的は、上述の従来技術の欠点を克服することである。
本発明の別の目的は、バイオガス製造工程で回収される製紙スラッジから中間生成物を得るための方法の提供である。
本発明のさらなる目的は、製紙スラッジからバイオガスを製造する、高収率で低コストの工程を得るための方法の提供である。
本発明の別の目的は、熱分解、熱ガス化、又はｃａｔｌｉｑ（商標）工程を介する合成油製造に使用される製紙スラッジから中間生成物を得るための方法の提供である。
本発明のさらなる目的は、製紙スラッジから堆肥を作製する際に使用される生成物を促進的に得るための方法の提供である。
［発明の概要］
本発明は、炭素源として製紙スラッジを含む発酵培地と、セルラーゼ細菌からオンサイト（ｏｎ ｓｉｔｅ）で得られるセルラーゼとを、発酵培地中のセルロース分子の平均グルコースモノマー数が５〜５００の間の範囲に減少するまで接触させるステップを含む、セルロース加水分解方法を提案する。本発明は、製紙スラッジからバイオガスを回収する、高収率で低コストの方法をさらに提案する。
本発明は、炭素源として製紙スラッジを含む発酵培地と、セルラーゼ細菌からオンサイト（ｏｎ ｓｉｔｅ）で得られるセルラーゼとを、発酵培地中のセルロース分子の平均グルコースモノマー数が５〜５００の間の範囲に減少するまで接触させるステップを含む、セルロース加水分解方法を提案する。本発明は、製紙スラッジからバイオガスを回収する、高収率で低コストの方法をさらに提案する。
［発明の詳細な説明］
本発明は、下記のステップ（Ｙ）：
Ｙ）炭素源として製紙スラッジを含む発酵培地と、セルラーゼ細菌からオンサイトで得られるセルラーゼとを、発酵培地中のセルロース分子の平均グルコースモノマー数が５〜５００の間の範囲に減少するまで接触させること
を含む、セルロース加水分解方法を提案する。
本発明は、下記のステップ（Ｙ）：
Ｙ）炭素源として製紙スラッジを含む発酵培地と、セルラーゼ細菌からオンサイトで得られるセルラーゼとを、発酵培地中のセルロース分子の平均グルコースモノマー数が５〜５００の間の範囲に減少するまで接触させること
を含む、セルロース加水分解方法を提案する。
本方法は、ステップ（Ｙ）の前に、
以下の連続的なステップ（ａ〜ｄ）：
ａ）細菌（セルロース分解細菌、好ましくはセルロモナス属（ｃｅｌｌｕｌｏｍｏｎａｓ）、より好ましくはセルロモナス・フィミ（ｃｅｌｌｕｌｏｍｏｎａｓ ｆｉｍｉ））を、深冷凍ストックからニュートリエント寒天平板培地（ｎｕｔｒｉｅｎｔ ａｇａｒ ｐｌａｔｅｓ）又はルリア・ブロス（Ｌｕｒｉａ Ｂｒｏｔｈ）平板培地へ培養し、１日〜３日の間の範囲内の第一の期間、３０℃〜４０℃の間の範囲内の温度でこの細菌をインキュベートするステップと、
ｂ）上記平板培地から採取された３つ以上のコロニーを、液状の発酵開始培養物に接種するステップと、
ｃ）約１日〜約４日の間の範囲内の期間、約３０℃〜約４０℃の間の範囲内の温度で発酵開始培養物をインキュベートするステップと、
ｄ）生成培養物の総重量に対し、１ｗｔ％〜１０ｗｔ％の範囲内の量の発酵開始培養物を混合することにより始める、３６時間〜７２時間の間の範囲内の期間、生成培養物をインキュベートするステップと
を含む、細菌産生ステップ（Ｘ）を含むことが好ましい。
以下の連続的なステップ（ａ〜ｄ）：
ａ）細菌（セルロース分解細菌、好ましくはセルロモナス属（ｃｅｌｌｕｌｏｍｏｎａｓ）、より好ましくはセルロモナス・フィミ（ｃｅｌｌｕｌｏｍｏｎａｓ ｆｉｍｉ））を、深冷凍ストックからニュートリエント寒天平板培地（ｎｕｔｒｉｅｎｔ ａｇａｒ ｐｌａｔｅｓ）又はルリア・ブロス（Ｌｕｒｉａ Ｂｒｏｔｈ）平板培地へ培養し、１日〜３日の間の範囲内の第一の期間、３０℃〜４０℃の間の範囲内の温度でこの細菌をインキュベートするステップと、
ｂ）上記平板培地から採取された３つ以上のコロニーを、液状の発酵開始培養物に接種するステップと、
ｃ）約１日〜約４日の間の範囲内の期間、約３０℃〜約４０℃の間の範囲内の温度で発酵開始培養物をインキュベートするステップと、
ｄ）生成培養物の総重量に対し、１ｗｔ％〜１０ｗｔ％の範囲内の量の発酵開始培養物を混合することにより始める、３６時間〜７２時間の間の範囲内の期間、生成培養物をインキュベートするステップと
を含む、細菌産生ステップ（Ｘ）を含むことが好ましい。
好ましい選択肢において、ステップ（ｄ）における生成培養物は、発酵開始培養物との混合の前に下記の原料：
生成培養物の総体積に対し、０．５ｗｔ％〜４ｗｔ％の量のビート糖蜜又はサトウキビ糖蜜（ｃａｎｅ ｍｏｌａｓｓｅｓ）と、
生成培養物の総重量に対し、０．５ｗｔ％〜１．５ｗｔ％の量のＮＰＫ肥料（７−７−７）と、
生成培養物の総重量に対し、０．１５ｗｔ％〜０．５ｗｔ％の量のコーンスティープリカー、又は０．０５ｗｔ％〜０．２５ｗｔ％の量の酵母抽出物、又は０．０５ｗｔ％〜０．２５ｗｔ％の量の廃ビール酵母と
を含み、培養時に、ｐＨは約７．０の値に保たれ、温度は３０℃〜４０℃の間の範囲内に保たれる。
生成培養物の総体積に対し、０．５ｗｔ％〜４ｗｔ％の量のビート糖蜜又はサトウキビ糖蜜（ｃａｎｅ ｍｏｌａｓｓｅｓ）と、
生成培養物の総重量に対し、０．５ｗｔ％〜１．５ｗｔ％の量のＮＰＫ肥料（７−７−７）と、
生成培養物の総重量に対し、０．１５ｗｔ％〜０．５ｗｔ％の量のコーンスティープリカー、又は０．０５ｗｔ％〜０．２５ｗｔ％の量の酵母抽出物、又は０．０５ｗｔ％〜０．２５ｗｔ％の量の廃ビール酵母と
を含み、培養時に、ｐＨは約７．０の値に保たれ、温度は３０℃〜４０℃の間の範囲内に保たれる。
生成培養物に対する２９０００ｍ／ｓ２〜８００００ｇｍ／ｓ２の間の範囲内の加速度（これらの値は、約３０００×ｇ及び８０００×ｇに相当し、ここでｇは、重力加速度（ｇ≒９．８１ｍ／ｓ ２ ）を表す）に相当する遠心の適用により、バイオマスは、流体生成物としてステップ（ｄ）の最後に収集される場合がある。
さらに、バイオマス中の固形物比率が少なくとも９０ｗｔ％に達して固形生成物を得るまで、４０℃〜５０℃の間の範囲内の温度での空気循環下、バイオマスを乾燥させることがこれに続く場合がある。
開始培養物は、好ましくはルリア・ブロス、ニュートリエント・ブロスを含み、又はより好ましくは、水性栄養培地（本発明者らにより「ＥｐｉＭｉｌｋ」と名付けられた）を含み、該水性栄養培地は、該栄養培地の総重量に対し、０．５ｗｔ％〜２ｗｔ％の粉ミルク、０．５ｗｔ％〜２ｗｔ％のホエイ粉末、０．５ｗｔ％〜１ｗｔ％の塩化ナトリウム、及び０．０５ｗｔ％〜０．２５ｗｔ％のコーンスティープリカーを、水性流体と混合することにより調製される。したがって、本発明は、細菌増殖のための、上述の水性栄養培地をさらに提案する。この培地は、低コストの混合物であり、高い細菌培養増殖効率を提供する。さらに、本発明は、発酵開始培養物培地としての上記栄養培地の使用をさらに提案する。
上述の方法に係る例示的な応用を行い、「実施例Ａ１」と示した。
本方法の変形例（「実施例Ａ２」と称される例示的な応用として示された）において、ステップ（Ｙ）は、固形分が２５ｗｔ％〜４０ｗｔ％の間の範囲内の製紙スラッジを、当該製紙スラッジに添加される下記のさらなる原料と混合することによって調製される水性混合物中で行われる、加水分解ステップを含み、さらなる原料は、製紙スラッジ１トン当たりの量で：
５ｋｇ〜１０ｋｇのコーンスティープリカー、若しくは１２．５ｋｇ〜２５ｋｇのビート糖蜜、若しくは２．５ｋｇ〜５ｋｇの酵母抽出物、若しくは５ｋｇ〜１０ｋｇの廃ビール酵母、又はそれらの混合物、
５０ｇ〜２５０ｇのＭｇＳＯ４、
１００ｇ〜２００ｇの固形生成物又は２５リットル〜５０リットルの流体生成物、
であり、さらに上記水性混合物は、水性混合物の含水量を維持しつつ、３０℃〜４０℃の間の温度で、２４時間〜７２時間の間の期間通気され、生産物（Ａ）を得る。
５ｋｇ〜１０ｋｇのコーンスティープリカー、若しくは１２．５ｋｇ〜２５ｋｇのビート糖蜜、若しくは２．５ｋｇ〜５ｋｇの酵母抽出物、若しくは５ｋｇ〜１０ｋｇの廃ビール酵母、又はそれらの混合物、
５０ｇ〜２５０ｇのＭｇＳＯ４、
１００ｇ〜２００ｇの固形生成物又は２５リットル〜５０リットルの流体生成物、
であり、さらに上記水性混合物は、水性混合物の含水量を維持しつつ、３０℃〜４０℃の間の温度で、２４時間〜７２時間の間の期間通気され、生産物（Ａ）を得る。
本方法の上記変形例における生産物（Ａ）の一部は、さらなるバッチの加水分解に使用するために確保され得、それに従い、当該一部中の微生物は、そのようなさらなるバッチ内で、追加の微生物を供給することなく増殖する。この目的で、ステップ（Ｙ）は、固形分が２５ｗｔ％〜４０ｗｔ％の間の範囲内の製紙スラッジを、当該製紙スラッジに添加される下記のさらなる原料と混合することによって調製される水性混合物中で行われる、加水分解ステップを含み、さらなる原料は、製紙スラッジ１トン当たりの量で：
セルロース分解微生物（セルロース分解細菌、好ましくはセルロモナス）を含有する、３００ｋｇ〜３５０ｋｇの生産物（Ａ）、
６．５ｋｇ〜１３ｋｇのコーンスティープリカー、若しくは１６．５ｋｇ〜３３ｋｇのビート糖蜜、若しくは３．７５ｋｇ〜６．５ｋｇの酵母抽出物、若しくは６．５ｋｇ〜１３ｋｇの廃ビール酵母、又はそれらの混合物、
６５ｇ〜３５０ｇのＭｇＳＯ４、
６．５ｇ〜１３ｇの固形生成物又は１．６５リットル〜３．３リットルの流体生成物、
であり、さらに上記水性混合物は、水性混合物の含水量を維持しつつ、３０℃〜４０℃の間の温度で、２４時間〜７２時間の間の期間通気され、バイオガス製造に使用するための加水分解生成物（Ｂ）を得る。
セルロース分解微生物（セルロース分解細菌、好ましくはセルロモナス）を含有する、３００ｋｇ〜３５０ｋｇの生産物（Ａ）、
６．５ｋｇ〜１３ｋｇのコーンスティープリカー、若しくは１６．５ｋｇ〜３３ｋｇのビート糖蜜、若しくは３．７５ｋｇ〜６．５ｋｇの酵母抽出物、若しくは６．５ｋｇ〜１３ｋｇの廃ビール酵母、又はそれらの混合物、
６５ｇ〜３５０ｇのＭｇＳＯ４、
６．５ｇ〜１３ｇの固形生成物又は１．６５リットル〜３．３リットルの流体生成物、
であり、さらに上記水性混合物は、水性混合物の含水量を維持しつつ、３０℃〜４０℃の間の温度で、２４時間〜７２時間の間の期間通気され、バイオガス製造に使用するための加水分解生成物（Ｂ）を得る。
本方法の代替変形例（「実施例Ａ３」と称される例示的な応用として示された）において、ステップ（Ｙ）は、固形分が３０ｗｔ％〜５０ｗｔ％の間の範囲内の製紙スラッジを、当該製紙スラッジに添加される下記のさらなる原料と混合することによって調製される水性混合物中で行われる、加水分解ステップを含み、さらなる原料は、製紙スラッジ１トン当たりの量で：
２０ｋｇ〜４０ｋｇのコーンスティープリカー、若しくは４０ｋｇ〜８０ｋｇのビート糖蜜、若しくは１０ｋｇ〜２０ｋｇの酵母抽出物、若しくは２０ｋｇ〜４０ｋｇの廃ビール酵母、又はそれらの混合物、
１００ｇ〜５００ｇのＭｇＳＯ４、
２００ｇ〜４００ｇの固形生成物又は５０リットル〜１００リットルの流体生成物、
水性混合物の固形分を８ｗｔ％〜１５ｗｔ％の間の範囲まで減少させる量の水、
であり、さらに上記水性混合物は、水性混合物の含水量を維持しつつ、３０℃〜４０℃の間の温度で、２４時間〜７２時間の間の期間通気され、生成物（Ｃ）を得る。次いで水性混合物は、液体含有量の少ない加水分解セルロース含有混合物の分画、並びにセルロース分解酵素及びセルロース分解微生物を含有する流体分画を得るために固液分離に供される。換言すれば、水性混合物は、フィルタプレス又はデカンタを介して固液分離され、セルロース分解酵素及び微生物を液体分画中に残し、液体生成物を作製する。分離された固形物は、製紙スラッジを含有する加水分解セルロースから構成され、バイオガス製造（及び堆肥化、合成油等のような他の工程）に使用することができる。
２０ｋｇ〜４０ｋｇのコーンスティープリカー、若しくは４０ｋｇ〜８０ｋｇのビート糖蜜、若しくは１０ｋｇ〜２０ｋｇの酵母抽出物、若しくは２０ｋｇ〜４０ｋｇの廃ビール酵母、又はそれらの混合物、
１００ｇ〜５００ｇのＭｇＳＯ４、
２００ｇ〜４００ｇの固形生成物又は５０リットル〜１００リットルの流体生成物、
水性混合物の固形分を８ｗｔ％〜１５ｗｔ％の間の範囲まで減少させる量の水、
であり、さらに上記水性混合物は、水性混合物の含水量を維持しつつ、３０℃〜４０℃の間の温度で、２４時間〜７２時間の間の期間通気され、生成物（Ｃ）を得る。次いで水性混合物は、液体含有量の少ない加水分解セルロース含有混合物の分画、並びにセルロース分解酵素及びセルロース分解微生物を含有する流体分画を得るために固液分離に供される。換言すれば、水性混合物は、フィルタプレス又はデカンタを介して固液分離され、セルロース分解酵素及び微生物を液体分画中に残し、液体生成物を作製する。分離された固形物は、製紙スラッジを含有する加水分解セルロースから構成され、バイオガス製造（及び堆肥化、合成油等のような他の工程）に使用することができる。
本発明の上記変形例における生成物（Ｃ）の一部は、セパレータ（例えば、フィルタプレス又はデカンタ）を用いる分離によって確保され得、さらなるバッチの加水分解に使用するために、さらなるバッチの加水分解に使用される液体分画（生成物Ｃ１）を含有するセルロース分解微生物（細菌）を分離し、当該一部中の微生物は、そのようなさらなるバッチ内で、追加の微生物を供給することなく増殖する。（例えば、上述のようにフィルタプレスで）得られた固形部分は、バイオガス製造に（生成物Ｃ２として）使用され得る加水分解された製紙スラッジを含有する。このような場合において、ステップ（Ｙ）は、固形分が３０ｗｔ％〜５０ｗｔ％の間の範囲内の製紙スラッジを、当該製紙スラッジに添加される下記のさらなる原料と混合することによって調製される水性混合物中で行われる、加水分解ステップを含み、さらなる原料は、製紙スラッジ１トン当たりの量で：
セルロース分解微生物を含有する、２０００ｋｇ〜３０００ｋｇの生成物（Ｃ１）、
４００ｋｇ〜６００ｋｇの水、
２０ｋｇ〜４０ｋｇのコーンスティープリカー、若しくは４０ｋｇ〜８０ｋｇのビート糖蜜、若しくは１０ｋｇ〜２０ｋｇの酵母抽出物、若しくは２０ｋｇ〜４０ｋｇの廃ビール酵母、又はそれらの混合物、
１００ｇ〜５００ｇのＭｇＳＯ４、
１６ｇ〜３２ｇの固形生成物又は４リットル〜８リットルの流体生成物、
が与えられ、さらに上記水性混合物は、水性混合物の含水量を維持しつつ、３０℃〜４０℃の間の温度で、２４時間〜７２時間の間の期間通気され、バイオガス製造に使用するための加水分解生成物（Ｄ）を得る。
セルロース分解微生物を含有する、２０００ｋｇ〜３０００ｋｇの生成物（Ｃ１）、
４００ｋｇ〜６００ｋｇの水、
２０ｋｇ〜４０ｋｇのコーンスティープリカー、若しくは４０ｋｇ〜８０ｋｇのビート糖蜜、若しくは１０ｋｇ〜２０ｋｇの酵母抽出物、若しくは２０ｋｇ〜４０ｋｇの廃ビール酵母、又はそれらの混合物、
１００ｇ〜５００ｇのＭｇＳＯ４、
１６ｇ〜３２ｇの固形生成物又は４リットル〜８リットルの流体生成物、
が与えられ、さらに上記水性混合物は、水性混合物の含水量を維持しつつ、３０℃〜４０℃の間の温度で、２４時間〜７２時間の間の期間通気され、バイオガス製造に使用するための加水分解生成物（Ｄ）を得る。
したがって、本発明は、バイオガス製造における加水分解生成物（Ｂ又はＤ）の使用（「実施例Ｂ１」と称される例示的な応用として示された）をさらに提案する。この目的で、固形分が３０ｗｔ％〜４０ｗｔ％の間の範囲内の加水分解生成物（Ｂ及び／又はＤ）（つまり、生成物Ｂ及び／又はＤの固形分は、水の添加又は除去によってそのような値に調整される）を、当該加水分解生成物に添加される下記のさらなる原料と混合することを含むさらなるステップ（Ｚ）が提示され、さらなる原料は、加水分解生成物１キログラム当たりの量で：
０．５ｋｇ〜１．５ｋｇの、固形分が２０ｗｔ％〜３０ｗｔ％の鶏糞、
２０ｋｇ〜３０ｋｇの、固形分が７ｗｔ％〜８ｗｔ％のバイオガスリアクタースラッジ、
であり、さらに上記混合物は、嫌気性条件下、３５℃〜４０℃の間の温度で、７日〜１２日の間の期間インキュベートされ、好ましくは間欠的に混合される。
０．５ｋｇ〜１．５ｋｇの、固形分が２０ｗｔ％〜３０ｗｔ％の鶏糞、
２０ｋｇ〜３０ｋｇの、固形分が７ｗｔ％〜８ｗｔ％のバイオガスリアクタースラッジ、
であり、さらに上記混合物は、嫌気性条件下、３５℃〜４０℃の間の温度で、７日〜１２日の間の期間インキュベートされ、好ましくは間欠的に混合される。
さまざまな実施形態例を参照し、本発明が記載された。本明細書を読み、理解した結果、変更例及び修正例が他の者にも思い浮かぶであろうことは明らかである。添付の特許請求の範囲又はその均等物の範囲内に入る限り、そのような変更例及び修正例を全て含むことが意図される。
実施例Ａ１
ステップ（Ｘ）として、ステップ（Ｙ）の前に、下記の連続するステップ（ステップ（ａ）〜（ｄ）に対応）によって細菌産生を行った：
ａ）細菌を、−８０℃の深冷ストックからニュートリエント寒天平板培地へ培養し、２日間の第一の期間、３５℃でインキュベートし、
ｂ）上記平板培地から採取された３つのコロニーを、液状の発酵開始培養物に接種し、
ｃ）発酵開始培養物を、３日間３５℃でインキュベートし、
ｄ）生成培養物の総重量に対し、５ｗｔ％の量の発酵開始培養物を混合することから始め、４８時間の期間、生成培養物をインキュベートした。
ステップ（Ｘ）として、ステップ（Ｙ）の前に、下記の連続するステップ（ステップ（ａ）〜（ｄ）に対応）によって細菌産生を行った：
ａ）細菌を、−８０℃の深冷ストックからニュートリエント寒天平板培地へ培養し、２日間の第一の期間、３５℃でインキュベートし、
ｂ）上記平板培地から採取された３つのコロニーを、液状の発酵開始培養物に接種し、
ｃ）発酵開始培養物を、３日間３５℃でインキュベートし、
ｄ）生成培養物の総重量に対し、５ｗｔ％の量の発酵開始培養物を混合することから始め、４８時間の期間、生成培養物をインキュベートした。
ステップ（ｄ）において、生成培養物は、発酵開始培養物を混合する前に、下記の原料：
生成培養物の総体積に対し、２．５％（ｖ／ｖ）の量のビート糖蜜と、
生成培養物の総重量に対し、１ｗｔ％の量のＮＰＫ肥料（７−７−７）と、
生成培養物の総重量に対し、０．３５ｗｔ％の量のコーンスティープリカーと
を含んでおり、培養時に、ｐＨは、約７．０の値に保たれ、温度は、約３５℃に保たれる。生成培養物に対する約５０００ｇの加速度（約４９０５０ｍ／ｓ２に相当し、ここで重力加速度ｇは、９．８１ｍ／ｓ２に相当する）に相当する遠心の適用により、バイオマスは、流体生成物としてステップ（ｄ）の最後に収集される。バイオマスの固形物比率が９０ｗｔ％に達して固形生成物を得るまで、空気循環下、約４７℃でバイオマスを乾燥させることがこれに続く。
生成培養物の総体積に対し、２．５％（ｖ／ｖ）の量のビート糖蜜と、
生成培養物の総重量に対し、１ｗｔ％の量のＮＰＫ肥料（７−７−７）と、
生成培養物の総重量に対し、０．３５ｗｔ％の量のコーンスティープリカーと
を含んでおり、培養時に、ｐＨは、約７．０の値に保たれ、温度は、約３５℃に保たれる。生成培養物に対する約５０００ｇの加速度（約４９０５０ｍ／ｓ２に相当し、ここで重力加速度ｇは、９．８１ｍ／ｓ２に相当する）に相当する遠心の適用により、バイオマスは、流体生成物としてステップ（ｄ）の最後に収集される。バイオマスの固形物比率が９０ｗｔ％に達して固形生成物を得るまで、空気循環下、約４７℃でバイオマスを乾燥させることがこれに続く。
開始培養物として、栄養培地の総重量に対し、１ｗｔ％の粉ミルク、１ｗｔ％のホエイ粉末、０．５ｗｔ％の塩化ナトリウム、及び０．１５ｗｔ％のコーンスティープリカーを、水性流体と混合することにより調製された水性栄養培地（本発明者らにより「ＥｐｉＭｉｌｋ」と名付けられた）が使用された。
実施例Ａ２
本実施例において、ステップ（Ｙ）は、固形分が３０ｗｔ％の製紙スラッジ２０ｋｇを、当該製紙スラッジに添加される下記のさらなる原料：
１５０ｇのコーンスティープリカー、
３ｇのＭｇＳＯ４、
３ｇの固形生成物
と混合することによって調製された水性混合物中で行われる、加水分解ステップを含んでおり、上記水性混合物は、水性混合物の含水量を維持しつつ、３５℃の温度で、４８時間の期間通気され、セルロース分解微生物を含有する生産物（Ａ）（すなわち、加水分解されたセルロース物質）を得た。
本実施例において、ステップ（Ｙ）は、固形分が３０ｗｔ％の製紙スラッジ２０ｋｇを、当該製紙スラッジに添加される下記のさらなる原料：
１５０ｇのコーンスティープリカー、
３ｇのＭｇＳＯ４、
３ｇの固形生成物
と混合することによって調製された水性混合物中で行われる、加水分解ステップを含んでおり、上記水性混合物は、水性混合物の含水量を維持しつつ、３５℃の温度で、４８時間の期間通気され、セルロース分解微生物を含有する生産物（Ａ）（すなわち、加水分解されたセルロース物質）を得た。
生産物（Ａ）の一部は、さらなるバッチの加水分解に使用するために確保され、この一部中の微生物は、当該さらなるバッチ内で、追加の微生物供給を必要とすることなく増殖した。この目的で、ステップ（Ｙ）は、固形分が３５ｗｔ％の製紙スラッジ１５ｋｇを、当該製紙スラッジに添加される下記のさらなる原料：
セルロース分解微生物を含有する、５ｋｇの生産物（Ａ）、
１５０ｇのコーンスティープリカー、
３ｇのＭｇＳＯ４、
１５０ｇの固形生成物
と混合することによって調製された水性混合物中で行われる、加水分解ステップを含んでおり、さらに上記水性混合物は、水性混合物の含水量を維持しつつ、３５℃の温度で、４８時間の期間通気され、バイオガス製造に使用するための加水分解生成物（Ｂ）を得る。
セルロース分解微生物を含有する、５ｋｇの生産物（Ａ）、
１５０ｇのコーンスティープリカー、
３ｇのＭｇＳＯ４、
１５０ｇの固形生成物
と混合することによって調製された水性混合物中で行われる、加水分解ステップを含んでおり、さらに上記水性混合物は、水性混合物の含水量を維持しつつ、３５℃の温度で、４８時間の期間通気され、バイオガス製造に使用するための加水分解生成物（Ｂ）を得る。
実施例Ａ３
後者の方法を検証する実施例として、ステップ（Ｙ）は、固形分が４０ｗｔ％の製紙スラッジ１０ｋｇを、当該製紙スラッジに添加される下記のさらなる原料と混合することによって調製された水性混合物中で行われる、加水分解ステップを含んでおり、さらなる原料は、製紙スラッジ１トン当たりの量で：
３００ｇのコーンスティープリカー、
３ｇのＭｇＳＯ４、
１リットルの流体生成物（約４グラムの乾燥又は固形生成物に相当）
水性混合物の固形分を約１０ｗｔ％まで減少させるための３０ｋｇの水、
が与えられ、さらに上記水性混合物は、水性混合物の含水量を維持しつつ、３５℃の温度で、４８時間の期間通気され、セルロース分解微生物を含有する生成物（Ｃ）（すなわち、加水分解されたセルロース）を得る。
後者の方法を検証する実施例として、ステップ（Ｙ）は、固形分が４０ｗｔ％の製紙スラッジ１０ｋｇを、当該製紙スラッジに添加される下記のさらなる原料と混合することによって調製された水性混合物中で行われる、加水分解ステップを含んでおり、さらなる原料は、製紙スラッジ１トン当たりの量で：
３００ｇのコーンスティープリカー、
３ｇのＭｇＳＯ４、
１リットルの流体生成物（約４グラムの乾燥又は固形生成物に相当）
水性混合物の固形分を約１０ｗｔ％まで減少させるための３０ｋｇの水、
が与えられ、さらに上記水性混合物は、水性混合物の含水量を維持しつつ、３５℃の温度で、４８時間の期間通気され、セルロース分解微生物を含有する生成物（Ｃ）（すなわち、加水分解されたセルロース）を得る。
本方法の上記変形例における生成物（Ｃ）の一部は、さらなるバッチの加水分解に使用するために確保され、それに従い、この一部中の微生物は、当該さらなるバッチ内で、追加の微生物供給を必要とすることなく増殖した。この目的で、ステップ（Ｙ）は、固形分が４０ｗｔ％の製紙スラッジ１０ｋｇを、当該製紙スラッジに添加される下記のさらなる原料：
セルロース分解微生物を含有する、２５ｋｇの生成物（Ｃ）、
５ｋｇの井戸水（本発明に係る方法における全ての場合において、水道水又は脱塩水と置きかえられることに適していると考えられる）、
２００ｇのコーンスティープリカー（本発明に係る方法における全ての場合において、４００ｇ以上のビート糖蜜、若しくは１００ｇ以上の酵母抽出物、若しくは１００ｇ以上の廃ビール酵母、又はそれらの組み合わせと置きかえられることに適していると考えられる）、
３ｇのＭｇＳＯ４、
１６０ｍｇの固形生成物（本発明に係る方法における全ての場合において、約４リットル以上の流体生成物と置きかえられることに適していると考えられる）と混合することによって調製された水性混合物中で行われる、加水分解ステップを含んでおり、次いでこの水性混合物は、水性混合物の含水量を維持しつつ、３５℃の温度で、４８時間の期間通気され、バイオガス製造に使用するための加水分解生成物（Ｄ）を得た。
セルロース分解微生物を含有する、２５ｋｇの生成物（Ｃ）、
５ｋｇの井戸水（本発明に係る方法における全ての場合において、水道水又は脱塩水と置きかえられることに適していると考えられる）、
２００ｇのコーンスティープリカー（本発明に係る方法における全ての場合において、４００ｇ以上のビート糖蜜、若しくは１００ｇ以上の酵母抽出物、若しくは１００ｇ以上の廃ビール酵母、又はそれらの組み合わせと置きかえられることに適していると考えられる）、
３ｇのＭｇＳＯ４、
１６０ｍｇの固形生成物（本発明に係る方法における全ての場合において、約４リットル以上の流体生成物と置きかえられることに適していると考えられる）と混合することによって調製された水性混合物中で行われる、加水分解ステップを含んでおり、次いでこの水性混合物は、水性混合物の含水量を維持しつつ、３５℃の温度で、４８時間の期間通気され、バイオガス製造に使用するための加水分解生成物（Ｄ）を得た。
実施例Ｂ１
炭素−窒素バランスをとるため、製紙スラッジの総重量に対して固形物が３５ｗｔ％の、炭素に富む製紙スラッジ３．７５ｋｇを、鶏糞の総重量に対して固形分が２５ｗｔ％の、窒素に富む鶏糞３．７５ｋｇと混合した。この混合物を、バイオガスリアクタースラッジの総重量に対して固形分が７．５ｗｔ％のバイオガスリアクタースラッジ９２．５ｋｇに加え（したがって、総重量１００ｇの混合物が得られる）、次いで嫌気条件下、３９℃の温度で、１０日間の期間インキュベートし、１時間毎に１分間、間欠的に混合した。本実験を通して、３．７５×３５÷１００＝１．３１２５ｋｇのセルロース系固形分から８８０リットルのバイオガス生産物が得られた（これは、セルロース系固形分１ｋｇ当たり、約６７０リットルのバイオガス製造に相当する）。これは、比較例、特に生成物Ｂ及び／又はＤの代わりに人工尿素を使用する比較例Ｃ２に対して大きな改善を示す。
炭素−窒素バランスをとるため、製紙スラッジの総重量に対して固形物が３５ｗｔ％の、炭素に富む製紙スラッジ３．７５ｋｇを、鶏糞の総重量に対して固形分が２５ｗｔ％の、窒素に富む鶏糞３．７５ｋｇと混合した。この混合物を、バイオガスリアクタースラッジの総重量に対して固形分が７．５ｗｔ％のバイオガスリアクタースラッジ９２．５ｋｇに加え（したがって、総重量１００ｇの混合物が得られる）、次いで嫌気条件下、３９℃の温度で、１０日間の期間インキュベートし、１時間毎に１分間、間欠的に混合した。本実験を通して、３．７５×３５÷１００＝１．３１２５ｋｇのセルロース系固形分から８８０リットルのバイオガス生産物が得られた（これは、セルロース系固形分１ｋｇ当たり、約６７０リットルのバイオガス製造に相当する）。これは、比較例、特に生成物Ｂ及び／又はＤの代わりに人工尿素を使用する比較例Ｃ２に対して大きな改善を示す。
比較例Ｃ１
加水分解生成物（Ｂ及び／又はＤ）を加えずに製紙スラッジをバイオガスへ変換する能力を評価するため、比較例を設計した。この目的で、製紙スラッジの総重量に対して固形分が３５ｗｔ％の、炭素に富む製紙スラッジ５ｋｇを、バイオガスリアクタースラッジの総重量に対して固形分が７．５ｗｔ％のバイオガスリアクタースラッジ９５ｋｇに加え（したがって、総重量１００ｇの混合物が得られる）、次いで嫌気条件下、３９℃の温度で、２０日間の期間インキュベートし、１時間毎に１分間、間欠的に混合した。本実験を通して、５×３５／１００＝１．７５ｋｇのセルロース系固形分から５５０リットルのバイオガスが得られた（これは、セルロース系固形分１ｋｇ当たり、約３１４リットルのバイオガス製造にしか相当しない）。したがって、実施例Ｂ１と比較すると、著しく低く、遅いバイオガスへの変換が比較例Ｃ１で起きる。
加水分解生成物（Ｂ及び／又はＤ）を加えずに製紙スラッジをバイオガスへ変換する能力を評価するため、比較例を設計した。この目的で、製紙スラッジの総重量に対して固形分が３５ｗｔ％の、炭素に富む製紙スラッジ５ｋｇを、バイオガスリアクタースラッジの総重量に対して固形分が７．５ｗｔ％のバイオガスリアクタースラッジ９５ｋｇに加え（したがって、総重量１００ｇの混合物が得られる）、次いで嫌気条件下、３９℃の温度で、２０日間の期間インキュベートし、１時間毎に１分間、間欠的に混合した。本実験を通して、５×３５／１００＝１．７５ｋｇのセルロース系固形分から５５０リットルのバイオガスが得られた（これは、セルロース系固形分１ｋｇ当たり、約３１４リットルのバイオガス製造にしか相当しない）。したがって、実施例Ｂ１と比較すると、著しく低く、遅いバイオガスへの変換が比較例Ｃ１で起きる。
比較例Ｃ２
加水分解生成物（Ｂ及び／又はＤ）を加える代わりに人工の炭素及び窒素源（尿素）を加えることによって、製紙スラッジをバイオガスへ変換する能力を評価するため、さらなる比較例を設計した。この目的で、製紙スラッジの総重量に対して固形分が３５ｗｔ％の、炭素に富む製紙スラッジ５ｋｇを、３７．５ｇの尿素と混合し、次いでバイオガスリアクタースラッジの総重量に対して固形分が７．５ｗｔ％のバイオガスリアクタースラッジ９５ｋｇに加え（したがって、総重量が約１００ｇの混合物が得られる）、次いで嫌気条件下、３９℃の温度で、１０日間の期間インキュベートし、１時間毎に１分間、間欠的に混合した。本実験を通して、５×３５÷１００＝１．７５ｋｇのセルロース系固形分から６５０リットルのバイオガスが得られた（これは、セルロース系固形分１ｋｇ当たり、約３７１リットルのバイオガス製造に相当する）。したがって、実施例Ｂ１と比較すると、さらに著しく低いバイオガスへの変換が比較例Ｃ２で起きる。
加水分解生成物（Ｂ及び／又はＤ）を加える代わりに人工の炭素及び窒素源（尿素）を加えることによって、製紙スラッジをバイオガスへ変換する能力を評価するため、さらなる比較例を設計した。この目的で、製紙スラッジの総重量に対して固形分が３５ｗｔ％の、炭素に富む製紙スラッジ５ｋｇを、３７．５ｇの尿素と混合し、次いでバイオガスリアクタースラッジの総重量に対して固形分が７．５ｗｔ％のバイオガスリアクタースラッジ９５ｋｇに加え（したがって、総重量が約１００ｇの混合物が得られる）、次いで嫌気条件下、３９℃の温度で、１０日間の期間インキュベートし、１時間毎に１分間、間欠的に混合した。本実験を通して、５×３５÷１００＝１．７５ｋｇのセルロース系固形分から６５０リットルのバイオガスが得られた（これは、セルロース系固形分１ｋｇ当たり、約３７１リットルのバイオガス製造に相当する）。したがって、実施例Ｂ１と比較すると、さらに著しく低いバイオガスへの変換が比較例Ｃ２で起きる。
本発明は、高濃度のセルロースを含有する懸濁液中で低粘度（向上されたポンプ圧送性に関連する）を達成することを可能とし（これは、不要な水の使用を低減し、工程におけるエネルギー消費を低減するために重要である）、産業環境におけるポンプ圧送性（すなわち、ポンプを介する材料の容易な輸送）を可能とし、さらに、例えばフィルタ又はベルトプレスを用いて圧迫される際の、より良い基質の充填を可能とする。本発明は、体積要求を減少させ、最終的に単位有機物当たりのバイオガス収率を増大させることで、さらに有利である。
発酵培地中のセルロース分子の平均グルコースモノマー数が５〜５００の間の範囲まで減少した後に、続いて培地の粘度を測定することができる。本実験において、培地（１０ｗｔ％の乾物含有量を有する）の動的粘度は、加水分解工程を通して、約３００００ｃＰ（センチポアズ、ここでポアズは、１ｋｇ・ｍ−１・ｓ−１に相当する）から、およそ３０００〜４０００ｃＰの間の範囲に低下したことが観察される。本発明に係る工程を通して、培地の動的粘度を、工程開始時の動的粘度の約１００分の１まで低下させることも可能である。さらに、培地中のクレイなどの存在といった、いくつかの他の要因は、測定された粘度値の信頼性の逸脱をもたらし得る。質量分析といったさまざまな分析方法によって、平均グルコースサブユニット数（平均グルコースモノマー数）を、より現実的に測定することもできる。
本発明に係る方法で達成されるように、セルロース含有流体材料の粘度を低下させること、ひいてはセルロース含有流体材料をポンプ圧送可能とすることは、ＣａｔＬｉｑ、熱ガス化、及び熱分解のような合成油生成技術をより実現可能とすることができる。本発明の方法におけるように嫌気性消化チャンバを介して製紙スラッジを（例えば、セルロース含有流動性材料へ）処理すると、製紙スラッジは、土壌中で微生物の増殖を促進する、栄養バランスのとれた堆肥に変換される。
したがって、本発明によって下記の目的：
従来技術の上述の欠点を克服すること、
以下の提供、
バイオガス製造工程で回収される製紙スラッジから中間生成物を得るための方法、
製紙スラッジからバイオガスを製造する、高収率で低コストの工程を得るための方法、
セルロースの加水分解及びそこからのバイオガスの回収において水の消費量が低減された、環境に優しい方法、
セルロース含有スラッジの含水量低下による、セルロース含有スラッジの促進された通気、
含水量が低下した結果、粘度が増大したセルロース含有スラッジによる、微生物蔓延のリスク低下、
セルロース含有スラッジ中の体積含水量の低下による、設置費の削減、及びより小規模な施設での廃棄物処理における大きな容量、
最終的にバイオガス製造微生物叢による利用度がより高い、より短いセルロース鎖となる、予備消化されたセルロース鎖による、セルロース材料からのバイオガス製造における増大された収率
が達成される。
従来技術の上述の欠点を克服すること、
以下の提供、
バイオガス製造工程で回収される製紙スラッジから中間生成物を得るための方法、
製紙スラッジからバイオガスを製造する、高収率で低コストの工程を得るための方法、
セルロースの加水分解及びそこからのバイオガスの回収において水の消費量が低減された、環境に優しい方法、
セルロース含有スラッジの含水量低下による、セルロース含有スラッジの促進された通気、
含水量が低下した結果、粘度が増大したセルロース含有スラッジによる、微生物蔓延のリスク低下、
セルロース含有スラッジ中の体積含水量の低下による、設置費の削減、及びより小規模な施設での廃棄物処理における大きな容量、
最終的にバイオガス製造微生物叢による利用度がより高い、より短いセルロース鎖となる、予備消化されたセルロース鎖による、セルロース材料からのバイオガス製造における増大された収率
が達成される。
Claims (3)
- 炭素源として製紙スラッジを含む発酵培地と、セルラーゼ細菌からオンサイトで得られるセルラーゼとを、発酵培地中のセルロース分子の平均グルコースモノマー数が５〜５００の間の範囲に減少するまで接触させることを含むステップ（Ｙ）を含む、セルロース加水分解方法であって、
前記ステップ（Ｙ）の前に、
以下の連続的なステップ、
ａ）セルロース分解細菌を、深冷凍ストックからニュートリエント寒天平板培地又はルリア・ブロス平板培地へ培養し、１日〜３日の間の範囲内の第一の期間、３０℃〜４０℃の間の範囲内の温度で前記細菌をインキュベートするステップと、
ｂ）前記平板培地から採取された３つ以上のコロニーを、液状の発酵開始培養物に接種するステップと、
ｃ）約１日〜約４日の間の範囲内の期間、約３０℃〜約４０℃の間の範囲内の温度で前記発酵開始培養物をインキュベートするステップと、
ｄ）生成培養物の総重量に対し、１ｗｔ％〜１０ｗｔ％の間の範囲内の量の発酵開始培養物を混合することにより始める、３６時間〜７２時間の間の範囲内の期間、前記生成培養物をインキュベートするステップと
を含む、細菌産生ステップ（Ｘ）をさらに含み、
前記生成培養物に対する２９０００ｍ／ｓ ２ 〜８００００ｇｍ／ｓ ２ の間の範囲内の加速度に相当する遠心の適用により、バイオマスが、流体生成物として前記ステップ（ｄ）の最後に収集され、
任意で、続いて、前記バイオマス中の固形物比率が少なくとも９０ｗｔ％に達して固形生成物を得るまで、４０℃〜５０℃の間の範囲内の温度での空気循環下、前記バイオマスを乾燥させ、
前記ステップ（Ｙ）が、固形分が２５ｗｔ％〜４０ｗｔ％の間の範囲内の製紙スラッジを、前記製紙スラッジに添加される下記のさらなる原料と混合することによって調製される水性混合物中で行われる、加水分解ステップを含み、前記さらなる原料は、前記製紙スラッジ１トン当たりの量で：
５ｋｇ〜１０ｋｇのコーンスティープリカー、若しくは１２．５ｋｇ〜２５ｋｇのビート糖蜜、若しくは２．５ｋｇ〜５ｋｇの酵母抽出物、若しくは５ｋｇ〜１０ｋｇの廃ビール酵母、又はそれらの混合物、
５０ｇ〜２５０ｇのＭｇＳＯ ４ 、
１００ｇ〜２００ｇの固形生成物又は２５リットル〜５０リットルの流体生成物、
であり、さらに前記水性混合物が、前記水性混合物の含水量を維持しつつ、３０℃〜４０℃の間の温度で、２４時間〜７２時間の間の期間通気される、方法。 - 前記ステップ（ｄ）において、前記生成培養物が、前記発酵開始培養物との混合の前に下記の原料：
前記生成培養物の総体積に対し、０．５ｗｔ％〜４ｗｔ％の量のビート糖蜜又はサトウキビ糖蜜と、
前記生成培養物の総重量に対し、０．５ｗｔ％〜１．５ｗｔ％の量のＮＰＫ肥料（７−７−７）と、
前記生成培養物の総重量に対し、０．１５ｗｔ％〜０．５ｗｔ％の量のコーンスティープリカー、又は０．０５ｗｔ％〜０．２５ｗｔ％の量の酵母抽出物、又は０．０５ｗｔ％〜０．２５ｗｔ％の量の廃ビール酵母と
を含み、培養時に、ｐＨが約７．０の値に保たれ、温度が３０℃〜４０℃の間の範囲内に保たれる、請求項１に記載の方法。 - 前記開始培養物が、ルリア・ブロス、ニュートリエント・ブロス、又は好ましくは、水性栄養培地を含み、前記水性栄養培地は、前記栄養培地の総重量に対し、０．５ｗｔ％〜２ｗｔ％の粉ミルク、０．５ｗｔ％〜２ｗｔ％のホエイ粉末、０．５ｗｔ％〜１ｗｔ％の塩化ナトリウム、及び０．０５ｗｔ％〜０．２５ｗｔ％のコーンスティープリカーを、水性流体と混合することにより作製される、請求項１又は２に記載の方法。
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