JP6894635B2 - メタン発酵後の消化液の処理方法、メタン発酵後の消化液の処理装置、およびメタン発酵システム - Google Patents
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Description
本発明は、メタン発酵後の消化液の処理方法、メタン発酵後の消化液の処理装置、およびメタン発酵システムに関する。
下水汚泥、家畜排泄物および食品廃棄物などの有機性廃棄物を、嫌気的発酵によって分解して、メタンガスなどのバイオガスを発生させる技術（メタン発酵）が知られている。また、メタン発酵により発生したバイオガスを燃料として用いて発電を行う技術（バイオガス発電）も知られている。バイオガス発電は、導入および維持などにかかる経費が少ないことや、二酸化炭素などを含む温室効果ガスの排出量を低減できることから、注目されている。
メタン発酵によりバイオガスを発生させた後の残渣（消化液）は、たとえば、特許文献１などに記載されているように、液肥化されて畑などに散布されたり、水処理されて河川に放流されたりする。しかし、消化液を液肥化しても、畑などに散布できる時期は限定されていたり、農地の減少などにより販路の開拓が困難だったりするため、その二次利用が十分になされているとはいえない。また、消化液を水処理するにしても、水処理には高額な処理設備が必要だったり、当該処理設備の運用に高額な経費が必要だったりするため、その普及は容易ではない。
これらの問題に鑑みて、特許文献２では、メタン発酵によりバイオガスを発生させた後の、メタン発酵を行うメタン菌および有機酸を生成する酸生成菌を含む消化液を、メタン発酵前の有機性廃棄物に再導入する方法が提案されている。特許文献２によれば、上記方法では、消化液に含まれる酸生成菌に有機性廃棄物を分解させて有機酸を生成させた後に、有機性廃棄物を固液分離することにより、メタン発酵に好適な量の有機酸を含む抽出液を得ることができるとされている。また、特許文献２によれば、上記方法では、メタン菌などは系内で循環使用され、かつ、過剰となったメタン菌および酸生成菌、ならびにメタン発酵により生成する固形物は、上記固液分離の際に濾別できるため、水処理のための施設などは不要であるとされている。
特許文献２に記載のように、メタン発酵後の消化液をメタン発酵に再利用する方法が検討されている。しかし、特許文献２に記載の方法は、酸生成菌に有機性廃棄物を分解させた後の有機酸の量を調整するために精緻な作業が必要であり、実用的ではなかった。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、メタン発酵後の消化液を、より簡易に、メタン発酵に再利用できるように処理する方法、ならびに当該方法を実施するためのメタン発酵後の消化液の処理装置およびメタン発酵システムを提供することを、その目的とする。
上記課題を解決するための本発明の一実施形態に関するメタン発酵後の消化液の処理方法は、酢酸菌を含み、かつ嫌気状態または微好気状態である、メタン発酵後の消化液に、エタノール生産菌を添加する工程と、上記エタノール生産菌が添加された上記消化液を曝気する工程と、を有する。
また、上記課題を解決するための本発明の一実施形態に関するメタン発酵後の消化液の処理装置は、メタン発酵後の消化液を貯留する消化液槽と、エタノール生産菌を上記消化液槽に添加する菌添加部と、上記消化液槽に貯留された上記消化液を曝気する曝気部と、を有する。
また、上記課題を解決するための本発明の一実施形態に関するメタン発酵システムは、上記メタン発酵後の消化液の処理装置と、メタン発酵を行うメタン発酵槽と、を有する。上記消化液槽には、メタン発酵後の消化液が上記メタン発酵槽から導入され、上記メタン発酵槽には、上記菌添加部により上記エタノール生産菌を添加され、かつ、上記曝気部により曝気された上記消化液が上記滅菌槽から導入される。
本発明によれば、メタン発酵後の消化液を、より簡易に、メタン発酵に再利用できるように処理する方法、ならびに当該方法を実施するためのメタン発酵後の消化液の処理装置およびメタン発酵システムが提供される。
メタン発酵において、分解される有機物に含まれる炭水化物、タンパク質および脂肪などは、第１段階の分解によりそれぞれ単糖類、アミノ酸および高級脂肪酸に分解され、さらに、高級脂肪酸は、酢酸、プロピオン酸および酪酸などの低級脂肪酸に分解される。次に、第２段階の分解により、酢酸以外の低級脂肪酸（プロピオン酸および酪酸など）、ならびに乳酸およびエタノールなどのその他の生成物は、水素生成細菌により水素と酢酸に分解される。最後に、第３段階の分解により、酢酸および分解されなかったプロピオン酸は、基質特異性が高いメタン生成古細菌によりメタンおよび二酸化炭素などに分解される。
メタン発酵により生成されるメタンのうち、７０％〜８０％が酢酸由来であり、６％〜３５％がプロピオン酸由来であると報告されている。そのため、本発明者らは、メタン発酵後の消化液を処理して酢酸を生成することで、上記消化液をメタン発酵に再利用する方法を検討した。鋭意検討の結果、本発明者らは、上記消化液にエタノール生産菌を添加し、さらに消化液を曝気することで、上記消化液から酢酸を生成する、消化液の処理方法に想到し、さらに検討を重ねて、本発明を完成させた。
［第１の実施形態］
（メタン発酵システム）
図１は、本発明の一実施形態に関する、上記消化液の処理方法を実施するための処理装置を備えたメタン発酵システムの一例を示す模式図である。
（メタン発酵システム）
図１は、本発明の一実施形態に関する、上記消化液の処理方法を実施するための処理装置を備えたメタン発酵システムの一例を示す模式図である。
本実施形態に関するメタン発酵システム１００は、メタン発酵により発生したバイオガスを燃料として用いて発電を行うバイオガス発電所であり、メタン発酵槽１１０、メタン発酵後の消化液の処理装置２００、および発電装置３００を有する。なお、メタン発酵システム１００は、メタン発酵槽１１０と処理装置２００との間を連通する消化液流路および消化液を流通させるポンプ（いずれも不図示）を有してもよいし、メタン発酵槽１１０と発電装置３００との間を連通するバイオガス流路を有してもよい。
メタン発酵槽１１０は、家畜排泄物および食品廃棄物などの有機性廃棄物を貯留して、メタン発酵によりメタンガスなどのバイオガスを発生させるための、公知のメタン発酵装置が備えるメタン発酵槽とすることができる。なお、上記メタン発酵装置は、メタン発酵槽に導入される有機性廃棄物を一時的に貯留する廃棄物タンク、メタン発酵槽１１０に上記有機性廃棄物を供給する供給ポンプ、メタン発酵槽１１０中で上記有機性廃棄物を撹拌する撹拌部、メタン発酵後の消化液を排出する排出ポンプ、および、メタン発酵槽１１０で発生したバイオガスを導出して貯留するガスホルダなど（いずれも不図示）を有してもよい。
処理装置２００は、メタン発酵槽から排出された上記消化液から酢酸を生成する装置であり、消化液槽２１０、菌添加部２２０、曝気部２３０、および滅菌槽２４０を有する。なお、処理装置２００は、これらを連通する消化液流路および消化液を流通させるポンプ（いずれも不図示）を有してもよい。
消化液槽２１０は、メタン発酵槽１１０と連通した液体槽である。消化液槽２１０には、メタン発酵を行った後の消化液がメタン発酵槽１１０から導入される。消化液槽２１０は、貯留された消化液を攪拌する、攪拌羽および攪拌スクリューなどの攪拌部（不図示）を有してもよい。消化液槽２１０は、液量センサ（不図示）を備えて、消化液槽２１０に貯留されている消化液の量を測定できる構成であってもよいし、流量センサ（不図示）を備えて、メタン発酵槽１１０から導入された消化液の量と消化液槽２１０から排出されたエタノール生成後の消化液の量とをもとに、消化液槽２１０に貯留されている消化液の量を測定できる構成であってもよい。また、消化液槽２１０は、温度計（不図示）を備えて、貯留された消化液の温度を測定できる構成であってもよいし、ｐＨ計（不図示）を備えて、上記消化液のｐＨを測定できる構成であってもよい。
消化液槽２１０は、内部に貯留された消化液への雰囲気からの酸素の溶解、および酵母の好気的呼吸により消化液中で生成された二酸化炭素の消化液中からの排出などを抑制する観点から、密閉された液体槽であることが好ましい。
上記導入する消化液は、メタン発酵を行った後のメタン発酵槽１１０内に残留した液体成分であり、滅菌処理をされていない消化液である。そのため、上記消化液には、通常、メタン菌（Methanobacterium、Methanospirillim、Methanococcus、MEthanosarcina、Methanosaetaなど）および酢酸菌（Acetobacter、Gluconobacterなど）などが含まれる。また、上記導入する消化液は、曝気などにより酸素を導入されていない、嫌気状態または微好気状態の消化液である。なお、嫌気状態または微好気状態とは、好気状態よりも溶存酸素濃度が低い状態であり、たとえば、溶存酸素濃度が２ｍｇ／Ｌである状態を意味する。上記消化液が滅菌処理されていたり、酸素を導入されていたりすると、消化液中のアンモニア濃度が上昇してｐＨが高まり、後述する酵母菌および酢酸菌による作用が生じにくい。
菌添加部２２０は、消化液槽２１０にエタノール生産菌を添加する。本実施形態では、菌添加部２２０は、エタノール生産菌を含む発酵液を生成する発酵槽２２２および生成した発酵液を消化液槽２１０に導入する発酵液流路２２４を有する。
発酵槽２２２は、エタノール生産菌、糖、および水が投入される液体槽である。発酵槽２２２は、たとえば攪拌羽および攪拌スクリューなどの攪拌部ならびに加温部（いずれも不図示）を有する、アルコール発酵によりエタノール生産菌に糖を分解させるための公知の発酵槽であればよい。
上記エタノール生産菌は、嫌気条件でアルコール発酵により糖を分解してエタノールを生産する真菌または細菌であればよいが、好気条件では好気的呼吸により糖を分解して二酸化炭素を生成する通性嫌気性生物であることが好ましく、酵母であることがより好ましい。
上記酵母の例には、サッカロマイセス（Saccharomyces）属、シゾサッカロマイセス（Schizosaccharomyces）属、トルラスポラ（Torulaspora）属、キャンジダ（Candida）属、クルイベロマイセス（Kluyveromyces）属、およびピチア（Pichia）属などに分類される酵母が含まれる。上記酵母のより具体的な例には、サッカロマイセスセレビシエ（Saccharomyses cerevisiae）、シゾサッカロマイセス ポンベ（Schizosaccharomyces pombe）、トルラスポラ デルブルエッキー（Torulaspora delbrueckii）、キャンジダ ケフィア（Candida kefir）、クルイベロマイセスマルキシアナス（Kluyveromyces marxianus）、クルイベロマイセス ラクティス（Kluyveromyces lactis）、ピチア ファリノサ（Pichia farinosa）、およびピチア ブルトニ（Pichia burtonii）などが含まれる。
上記糖は、グルコース、ショ糖、およびフルクトースなどを含む、上記エタノール生産菌（好ましくは酵母）により分解され得る糖であればよく、セルロースなどを加水分解して得られる糖であってもよいし、廃糖蜜などであってもよい。
発酵液流路２２４は、発酵槽２２２と消化液槽２１０とを連通する流路であり、発酵槽２２２で発酵処理されたエタノール生産菌を含む発酵液を、消化液槽２１０に導入する。発酵液流路２２４は、流量センサ（不図示）を備えて、消化液槽２１０に貯留された消化液の量に対する、導入される発酵液の量を測定して、消化液の量に対する、導入される発酵液の量を調整できる構成であってもよい。
後述するように、本実施形態では、消化液へのエタノール生産菌の添加および曝気により、消化液中では酢酸が生成するため、消化液のｐＨは低下しやすい。しかし、処理後の消化液をメタン発酵槽１１０に再導入して、メタン発酵に再利用する際には、再導入された消化液によってメタン発酵時のｐＨが低下することによるメタン発酵の阻害を生じにくくするように、酢酸の生成量をある程度に留めておくことが好ましい。このような観点からは、処理後の消化液には、消化液のｐＨが４．０以上５．５以下になるような量（たとえば、０．１ｍｏｌ程度）の酢酸が生成されることが好ましく、上記量の酢酸が生成される程度に、添加するエタノール生産菌の量を調整することが好ましい。
たとえば、菌添加部２２０は、水に対して、消化液の全質量に対して５質量％となる量の廃糖蜜または３０質量％となる量の上記セルロースの加水分解により得られた糖を添加し、十分に撹拌した後、ｐＨが３．０〜４．０程度になるまで（たとえば、３０℃で２４時間）、発酵処理を行う。このようにして得られた発酵液を、発酵液の添加量が消化液の全質量に対して５〜１０質量％程度となるように、消化液槽２１０内の消化液に添加する。
曝気部２３０は、消化液槽２１０に貯留されている消化液に空気を送りこみ、消化液を曝気する。
本実施形態において、曝気部２３０による曝気により、消化液槽２１０内の消化液が部分的に好気条件となり、部分的に嫌気状態となることで、消化液中に酢酸が生成すると考えられる。
つまり、曝気により好気条件となった消化液では、嫌気性生物であるメタン菌が死滅または不活性化し、一方で上記導入されたエタノール生産菌が好気的呼吸により糖を分解して二酸化炭素を生成する。この生成した二酸化炭素が消化液中に溶解して、消化液中には部分的に嫌気条件となった領域が生じる。この嫌気条件となった領域では、上記エタノール生産菌がアルコール発酵により糖を分解してエタノールを生成する。また、上記発酵液を消化液槽２１０に導入する際には、エタノール生産菌のほかに、発酵槽２２２での発酵により生成したエタノールも消化液槽２１０に導入される。
一方で、消化液中には、曝気により好気条件となった領域も同時に存在する。この好気条件となった領域では、好気性細菌である酢酸菌が上記生成したエタノールまたは導入されたエタノールから酢酸を生成する。このようにして、消化液中で酢酸が生成すると考えられる。
また、この際に、酵母菌による窒素の同化作用及び消化液内に含まれる硝酸菌類による脱窒により、消化液中のアンモニア量は減少すると考えられる。そのため、処理後の消化液をメタン発酵槽１１０に再導入しても、アンモニアによるメタン発酵の阻害は生じにくいと考えられる。
また、本実施形態では、菌添加部２２０は、発酵槽２２２内でのアルコール発酵により、エタノール生産菌が糖を分解してエタノールを予め生成している。そのため、曝気されている消化液槽２１０内の消化液中では、酢酸菌によるエタノールから酢酸の生成が効率よく行われ、より短時間で酢酸を生成することが可能となる。
曝気部２３０による上記曝気は、再導入された消化液によってメタン発酵時のｐＨが低下することによるメタン発酵の阻害を生じにくくするように、消化液のｐＨが４．０以上５．５以下になるような量（たとえば、０．１ｍｏｌ程度）の酢酸が生成される程度（たとえば、３６℃で４８時間）に行うことが好ましい。
滅菌槽２４０は、消化液槽２１０と連通した液体槽である。滅菌槽２４０には、滅菌槽２４０は、菌添加部２２０によるエタノール生産菌の添加および曝気部２３０による曝気によって酢酸が生成した消化液が消化液槽２１０から導入される。
滅菌槽２４０は、メタン発酵槽１１０に再導入する消化液中の酵母菌を滅菌させて、酵母菌の導入によるメタン発酵槽１１０内の微生物への影響を抑制するための液体槽であり、公知の滅菌装置とすることができる。滅菌槽２４０による滅菌処理は、消化液中の酵母菌が死滅する程度（たとえば、８０℃で６０分）とすることができる。
発電装置３００は、メタン発酵槽１１０から導入されたバイオガスを用いて発電を行う、公知の発電装置とすることができる。なお、発電装置３００は、上記バイオガスを燃焼させるボイラー、タービンおよび発電機など（いずれも不図示）を有してもよい。
（消化液の処理方法）
図２は、メタン発酵システム１００におけるメタン発酵後の処理液の処理方法の一例を示すフローチャートである。
図２は、メタン発酵システム１００におけるメタン発酵後の処理液の処理方法の一例を示すフローチャートである。
まず、メタン発酵後の消化液を消化液槽に導入する（工程Ｓ１１０）。消化液の導入は、予め定められた量になるまで行えばよい。
メタン発酵は嫌気条件で行われ、また、メタン発酵の副生成物である二酸化炭素が消化液に溶解しているため、上記消化液は、通常、嫌気状態または微好気状態となっている。また、上記消化液には、メタン発酵に必要なメタン菌および酢酸菌が含まれる。上記消化液は、曝気などによる酸素の導入および滅菌処理をされておらず、嫌気状態または微好気状態であり、かつ、これらのメタン菌および酢酸菌を含む消化液である。
次に、上記消化液にエタノール生産菌を添加する（工程Ｓ１２０）。
本実施形態において、エタノール生産菌の添加は、エタノール生産菌および糖を含む発酵液の消化液への添加により行われる。エタノール生産菌を添加した後、消化液を撹拌することが好ましい。
エタノール生産菌の添加量は、処理後の消化液のｐＨが４．０以上５．５以下になるような量（たとえば、０．１ｍｏｌ程度）の酢酸が生成される程度であればよく、たとえば、１０６個のエタノール生産菌を含み、消化液の全質量に対して５質量％の廃糖蜜を含む発酵液を、発酵液の添加量が消化液の全質量に対して３０質量％となるように、消化液に添加すればよい。
次に、消化液を曝気する（工程Ｓ１３０）。
曝気は、処理後の消化液のｐＨが４．０以上５．５以下になるような量（たとえば、０．１ｍｏｌ程度）の酢酸が生成される程度に行えばよく、たとえば、３６℃で４８時間の曝気を行えばよい。
上記曝気により、消化液中では、部分的に好気条件となった領域でエタノール生産菌が好気的呼吸により二酸化炭素を生成し、生成された上記二酸化炭素が溶解して部分的に嫌気状態となった領域ではエタノール生産菌が糖をアルコール分解してエタノールを生成する。さらに、上記部分的に好気条件となった領域では、酢酸菌が、上記生成されたエタノールから酢酸を生成する。
なお、曝気は、エタノール生産菌を消化液に添加した後に開始されることが好ましいが、エタノール生産菌が添加される消化液が嫌気状態または微好気状態である限りにおいて、エタノール生産菌を消化液に添加する以前に開始されていてもよい。
次に、曝気後の消化液を滅菌槽に導入（工程Ｓ１４０）して、上記消化液を滅菌する（工程Ｓ１５０）。
滅菌は、メタン発酵に関与しないエタノール生産菌が死滅する程度であればよく、たとえば８０℃で６０分の滅菌処理を行えばよい。
このように処理された消化液は、メタン発酵の燃料である酢酸を多く含むため、その後、メタン発酵槽に再導入されて、メタン発酵に再利用されることができる。なお、メタン発酵槽に再導入される前の上記処理された消化液を、貯留槽に一時的に保管してもよい。
本実施形態によれば、消化液に添加した発酵液の含水率分（およそ３０質量％）だけが、消化液槽２１０に導入された消化液に対する増加分となり、消化液の循環利用に際しては、この含水率分のみを系外に排出すればよい。そのため、系外に排出される液体分の量を顕著に低下させることができ、廃水処理をほぼ不要とすることも可能である。
［第２の実施形態］
図３は、本発明の他の実施形態に関する、上記消化液の処理方法を実施するための処理装置を備えたメタン発酵システムの一例を示す模式図である。本実施形態に関するメタン発酵システム１００ａは、メタン発酵後の消化液の処理装置２００のうち、菌添加部２２０の構成のみが、第１の実施形態に関するメタン発酵システム１００と異なる。そのため、第１の実施形態と共通する部分については説明を省略する。
図３は、本発明の他の実施形態に関する、上記消化液の処理方法を実施するための処理装置を備えたメタン発酵システムの一例を示す模式図である。本実施形態に関するメタン発酵システム１００ａは、メタン発酵後の消化液の処理装置２００のうち、菌添加部２２０の構成のみが、第１の実施形態に関するメタン発酵システム１００と異なる。そのため、第１の実施形態と共通する部分については説明を省略する。
本実施形態において、菌添加部２２０は、発酵槽２２２を有さず、かわりにエタノール生産菌を消化液槽２１０に導入する菌導入部２２６および糖を消化液槽２１０に導入する糖導入部２２８を有する。
菌導入部２２６は、乾燥状態のエタノール生産菌を消化液槽２１０に導入する流路である。
導入される上記乾燥状態のエタノール生産菌の量は、処理後の消化液のｐＨが４．０以上５．５以下になるような量（たとえば、０．１ｍｏｌ程度）の酢酸が生成される程度であればよい。たとえば、消化液の全質量に対して３質量％となる量の、上記乾燥状態のエタノール生産菌が、消化液槽２１０に導入されればよい。
糖導入部２２８は、糖を含む発酵液を消化液槽２１０に導入する流路である。
導入される上記糖の量は、処理後の消化液のｐＨが４．０以上５．５以下になるような量（たとえば、０．１ｍｏｌ程度）の酢酸が生成される程度であればよい。たとえば、 消化液の全質量に対して５質量％となる量の廃糖蜜または３０質量％となる量のセルロースの加水分解により得られた糖が、消化液槽２１０に導入されればよい。
本実施形態においても、曝気により好気条件となった消化液では、嫌気性生物であるメタン菌が死滅または不活性化し、一方で上記導入されたエタノール生産菌が好気的呼吸により糖を分解して二酸化炭素を生成する。この生成した二酸化炭素が消化液中に溶解して、消化液中には部分的に嫌気条件となった領域が生じる。この嫌気条件となった領域では、上記導入されたエタノール生産菌がアルコール発酵により上記導入された糖を分解してエタノールを生成する。
一方で、消化液中には、曝気により好気条件となった領域も同時に存在する。この好気条件となった領域では、好気性細菌である酢酸菌が上記生成したエタノールまたは導入されたエタノールから酢酸を生成する。このようにして、消化液中で酢酸が生成すると考えられる。
なお、消化液中に十分な量の糖が存在するような場合は、糖導入部２２８からの糖の導入を行わなくてもよい。
また、菌導入部２２６は、エタノール生産菌を含む発酵液を消化液槽２１０に導入する流路であってもよい。
本実施形態によれば、消化液に添加した糖の含水率分だけが、消化液槽２１０に導入された消化液に対する増加分となり、消化液の循環利用に際しては、この含水率分のみを系外に排出すればよい。そのため、系外に排出される液体分の量を顕著に低下させることができ、廃水処理をほぼ不要とすることも可能である。
［その他の実施形態］
なお、上記各実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
なお、上記各実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
たとえば、メタン発酵槽で高温発酵を行うときなど、エタノール生産菌をメタン発酵槽に導入してもメタン発酵の効率が顕著に低下しないときは、滅菌槽における曝気後の消化液の滅菌処理は不要である。
また、エタノール生産菌の添加および曝気により酢酸を生成した消化液は、メタン発酵槽に再導入せず、固液分離した後に堆肥および土壌改良剤などとして使用することもできる。
以下、実施例を参照して本発明を更に具体的に説明するが、本発明の範囲は実施例の記載に限定されない。
［実験１］
メタン発酵後の処理液を密閉された容器に投入し、１０６個／ｇの酵母菌を含む酵母培養液、および廃糖蜜を上記容器に添加した。酵母培養液の添加量は、消化液の全質量に対し３０質量％とし、廃糖蜜の添加量は、消化液の全質量に対し５質量％とした。酵母菌としては、アグリ・コア株式会社が所有するＰｉｃｈｉａ Ｆａｒｉｎｏｓａ、およびＰｉｃｈｉａ ｂｕｒｔｏｎｉｉを用いた。
メタン発酵後の処理液を密閉された容器に投入し、１０６個／ｇの酵母菌を含む酵母培養液、および廃糖蜜を上記容器に添加した。酵母培養液の添加量は、消化液の全質量に対し３０質量％とし、廃糖蜜の添加量は、消化液の全質量に対し５質量％とした。酵母菌としては、アグリ・コア株式会社が所有するＰｉｃｈｉａ Ｆａｒｉｎｏｓａ、およびＰｉｃｈｉａ ｂｕｒｔｏｎｉｉを用いた。
上記容器内の消化液を３６℃に保温したまま４８時間曝気した。曝気後の消化液を一般社団法人 日本食品分析センターに依頼して分析したところ、０．５７％（約０．１ｍｏｌ）の酢酸および５４０ｐｐｍのエタノールが検出されたが、遊離のアミノ酸は検出されなかった。
また、実験前の消化液および実験後の消化液を株式会社環境研究センターに依頼して分析したところ、実験前のアンモニア性窒素量は３５００ｐｐｍだったのに対し、実験後のアンモニア性窒素量は１７００ｐｐｍに低下していた。
［実験２］
酵母菌として市販のパン酵母を用いた以外は実験１と同様に実験を行ったところ、曝気後の消化液のｐＨ、酢酸およびエタノールの量、遊離アミノ酸量は、実験１と同程度だった。
酵母菌として市販のパン酵母を用いた以外は実験１と同様に実験を行ったところ、曝気後の消化液のｐＨ、酢酸およびエタノールの量、遊離アミノ酸量は、実験１と同程度だった。
［実験３］
曝気をせずに上記容器内の消化液を４８時間保管した以外は実験１と同様に実験を行ったところ、曝気後の消化液からエタノールおよびは検出されなかった。
曝気をせずに上記容器内の消化液を４８時間保管した以外は実験１と同様に実験を行ったところ、曝気後の消化液からエタノールおよびは検出されなかった。
［実験４］
上記消化液をオートクレーブで滅菌したところ、消化液のｐＨが上昇し、酵母菌および酢酸菌を培養することができなかった。
上記消化液をオートクレーブで滅菌したところ、消化液のｐＨが上昇し、酵母菌および酢酸菌を培養することができなかった。
［実験５］
容器に投入する前の消化液を十分に曝気したところ、消化液のｐＨが上昇し、酵母菌および酢酸菌を培養することができなかった。
容器に投入する前の消化液を十分に曝気したところ、消化液のｐＨが上昇し、酵母菌および酢酸菌を培養することができなかった。
［実験１〜実験５の考察］
これらの結果から、酵母菌を投入した後に消化液を曝気すること、消化液中の細菌類（酢酸菌など）を滅菌しないこと、および消化液を過剰な好気状態としないこと、の条件を満たしたときに、消化液から酢酸およびエタノールを生成できることがわかる。
これらの結果から、酵母菌を投入した後に消化液を曝気すること、消化液中の細菌類（酢酸菌など）を滅菌しないこと、および消化液を過剰な好気状態としないこと、の条件を満たしたときに、消化液から酢酸およびエタノールを生成できることがわかる。
これは、曝気により消化液中のメタン菌が死滅または不活性化し、酵母菌が糖を分解（好気的呼吸）して二酸化炭素を生成したことによると考えられる。その結果、上記消化液のうち、上記生成した二酸化炭素が溶解して部分的に嫌気条件となった領域では、酵母菌が廃糖蜜に含まれる糖を分解（アルコール発酵）してエタノールを生成し。一方で、上記消化液のうち、曝気により部分的に好気条件となっている領域では、好気性細菌である酢酸菌が上記生成されたエタノールから酢酸を生成すると考えられる。
一方で、曝気をしないときは、消化液中のメタン菌が糖を捕食してしまうため、酵母菌が糖を分解することによる二酸化炭素の生成が十分に生じず、エタノールおよび酢酸は十分には生成されなかったと考えられる。
また、酵母菌を投入する前に消化液を滅菌したときや、酵母菌を投入する前に消化液を曝気したときは、アンモニアの濃度が上昇したことによりｐＨが上昇し、酵母菌および酢酸菌を培養できるｐＨとならないため、実験１と同様の処理による酢酸の生成は困難であると考えられる。
［実験６］
実験１で得られた曝気後の消化液に対して８０℃で６０分間の滅菌処理を行い、容量が０．３ｍ３のメタン発酵試験槽に投入した。投入は、１４日間かけて行い、初日と２日目にはそれぞれ１ｋｇずつ、その後は毎日２ｋｇずつ、最終的に合計２０ｋｇの滅菌処理された上記消化液を投入した。
実験１で得られた曝気後の消化液に対して８０℃で６０分間の滅菌処理を行い、容量が０．３ｍ３のメタン発酵試験槽に投入した。投入は、１４日間かけて行い、初日と２日目にはそれぞれ１ｋｇずつ、その後は毎日２ｋｇずつ、最終的に合計２０ｋｇの滅菌処理された上記消化液を投入した。
ガス濃度計で発生したガスの濃度を測定したところ、滅菌処理された上記消化液の投入前のメタンガス濃度は５９．６％だったが、投入開始から２４時間経過後（初日）には５６．５％であり、９日目には６５．０％であり、１４日目には５５．２％であった。
また、投入より９日目に実験１で得られた曝気後の消化液に２キロを投入後にガスバックにてガスを貯留し、２４時間後にガス量を計測した。その結果、生成したメタンガスの量は、１４０Ｎｍ３であり、滅菌処理された上記消化液の投入量１トンあたりに換算すると、７０Ｎｍ３であった。鶏糞を用いてメタン発酵を行ったときと同等の量のメタンガスを得ることができていた。
［実験７］
実験６を終了した後の消化液に対して、さらに実験１と同様の処理を行った。曝気後の消化液を用いて実験６と同様の処理を再度行ったところ、実験６と同等の量のメタンガスを得ることができた。
実験６を終了した後の消化液に対して、さらに実験１と同様の処理を行った。曝気後の消化液を用いて実験６と同様の処理を再度行ったところ、実験６と同等の量のメタンガスを得ることができた。
［実験６〜実験７の考察］
これらの結果から、実験１の方法により消化液を処理することで、消化液を循環させて利用できることがわかる。
これらの結果から、実験１の方法により消化液を処理することで、消化液を循環させて利用できることがわかる。
本発明のメタン発酵後の消化液の処理方法によれば、消化液を循環利用することが可能であり、消化液からの廃水処理量を大幅に低減したり、ほぼ不要としたりすることができる。また、本発明によれば、簡易な操作および設備により、消化液を循環利用することが可能である。そのため、本発明は、メタン発酵後の消化液の処理に係るコストおよび設備の節減を可能とし、メタン発酵によるバイオガス発電などをより安価かつ容易に行うことを可能とする。そのため、本発明は、メタン発酵に関する技術のさらなる普及に貢献することが期待される。
１００、１００ａ メタン発酵システム
１１０ メタン発酵槽
２００ 消化液の処理装置
２１０ 消化液槽
２２０ 菌添加部
２２２ 発酵槽
２２４ 発酵液流路
２２６ 菌導入部
２２８ 糖導入部
２３０ 曝気部
２４０ 滅菌槽
３００ 発電装置
１１０ メタン発酵槽
２００ 消化液の処理装置
２１０ 消化液槽
２２０ 菌添加部
２２２ 発酵槽
２２４ 発酵液流路
２２６ 菌導入部
２２８ 糖導入部
２３０ 曝気部
２４０ 滅菌槽
３００ 発電装置
Claims (11)
- 酢酸菌を含み、かつ嫌気状態または微好気状態である、メタン発酵後の消化液に、エタノール生産菌を添加する工程と、
前記エタノール生産菌が添加された前記消化液を曝気する工程と、
を有し、
前記曝気は、前記消化液のｐＨが４．０以上５．５以下になるように行う、
メタン発酵後の消化液の処理方法。 - 前記エタノール生産菌は、酵母菌である、請求項１に記載のメタン発酵後の消化液の処理方法。
- 前記エタノール生産菌を添加する工程において、前記消化液に糖をさらに添加する、請求項１または２に記載のメタン発酵後の消化液の処理方法。
- 前記糖は、廃糖蜜である、請求項３に記載のメタン発酵後の消化液の処理方法。
- 前記曝気する工程の後に、前記消化液に含まれる前記エタノール生産菌を滅菌する工程を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のメタン発酵後の消化液の処理方法。
- 前記エタノール生産菌を滅菌する工程の後に、エタノール生産菌が滅菌された前記消化液を、メタン発酵を行うメタン発酵槽に導入する工程を有する、請求項５に記載のメタン発酵後の消化液の処理方法。
- メタン発酵後の消化液を貯留する消化液槽と、
エタノール生産菌を前記消化液槽に添加する菌添加部と、
前記消化液槽に貯留された前記消化液を曝気する曝気部と、
を有し、
前記曝気部は、前記消化液のｐＨが４．０以上５．５以下になるように前記曝気を行う、
メタン発酵後の消化液の処理装置。 - 前記菌添加部は、前記エタノール生産菌と、糖と、を前記消化液槽に添加する、請求項７に記載のメタン発酵後の消化液の処理装置。
- 前記エタノール生産菌を滅菌する滅菌槽を有し、
前記滅菌槽には、曝気された前記消化液が前記消化液槽から導入される、
請求項７または８に記載のメタン発酵後の消化液の処理装置。 - 請求項９に記載のメタン発酵後の消化液の処理装置と、
メタン発酵を行うメタン発酵槽と、を有し、
前記消化液槽には、メタン発酵後の消化液が前記メタン発酵槽から導入され、
前記メタン発酵槽には、前記菌添加部により前記エタノール生産菌を添加され、かつ、前記曝気部により曝気された前記消化液が前記滅菌槽から導入される、
メタン発酵システム。 - 前記メタン発酵槽で発生したメタンガスを用いて発電を行う発電装置を有する、請求項１０に記載のメタン発酵システム。
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