JP6944282B2 - Methane fermentation system and monitoring method for methanogens - Google Patents
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Description
本発明は、メタン発酵システム及びメタン生成菌のモニタリング方法に関する。 The present invention relates to a methane fermentation system and a method for monitoring methanogens.
従来より、メタン発酵施設等において、例えば、有機廃棄物等のバイオマス原料から、種々の発酵技術によって、メタンガス等のバイオガスを生成させることが、広く行われている。 Conventionally, in methane fermentation facilities and the like, it has been widely practiced to generate biogas such as methane gas from biomass raw materials such as organic waste by various fermentation techniques.
例えば、メタン発酵施設において、バイオマス原料からメタンガスを生成させる場合、バイオマス原料を液化、加水分解等によって低分子化、酸生成させることで、低級脂肪酸及びアルコールを生成させる。そして、水素生成、酢酸生成によって、水素+二酸化炭素、又は酢酸を、細菌(メタン生成菌)を用いて発酵させることで、メタンガスが生成される。このようにして生成されたメタンガス及び熱を、回収するようになっている。 For example, in a methane fermentation facility, when methane gas is produced from a biomass raw material, the biomass raw material is reduced in molecular weight and acid is produced by liquefaction, hydrolysis, etc. to produce lower fatty acids and alcohol. Then, by hydrogen production and acetic acid production, hydrogen + carbon dioxide or acetic acid is fermented using a bacterium (methanogen) to generate methane gas. The methane gas and heat generated in this way are recovered.
ところで、メタン発酵施設において、施設の立ち上げを円滑に行ったり、メタンガスを計画通りに回収したりするためには、メタン発酵を担うメタン生成菌が、発酵槽の発酵液中に、一定数以上存在することが重要である。そのため、メタン生成菌の効率的なモニタリング方法が求められている。 By the way, in a methane fermentation facility, in order to smoothly start up the facility and recover methane gas as planned, a certain number or more of methanogens responsible for methane fermentation are contained in the fermentation broth of the fermenter. It is important to be present. Therefore, an efficient monitoring method for methanogens is required.
そこで、メタン発酵におけるメタン生成菌のモニタリングに関する技術として、メタン生成菌に特異的に存在する蛍光性補酵素(8‐ヒドロキシ‐5‐ジアザフラビン誘導体、以下、蛍光物質F420という)の蛍光強度を測定することで、メタン生成菌の活性を測定する技術が、例えば、特開平1‐250041号公報(特許文献1)及び特開平8‐154662号公報(特許文献2)に開示されている。 Therefore, as a technique for monitoring methanogens in methane fermentation, the fluorescence intensity of a fluorescent coenzyme (8-hydroxy-5-diazaflavin derivative, hereinafter referred to as fluorescent substance F420) specifically present in methanogens is measured. As a result, techniques for measuring the activity of methanogens are disclosed in, for example, JP-A-1-250041 (Patent Document 1) and JP-A-8-154662 (Patent Document 2).
特許文献1に記載のメタン生成菌計測装置では、発酵槽と、発酵槽中のメタン生成菌を含有する被検体を流すための導管と、被検体に所定の波長範囲の励起光を照射する光源と、被検体が励起光の照射を受けて発する蛍光のうち所定の波長範囲の蛍光を蛍光画像として取得するビデオカメラと、蛍光画像を画像処理してメタン生成菌以外の物質に基づく蛍光を排除する画像処理回路と、を備える。 In the methane-producing bacterium measuring device described in Patent Document 1, a fermenter, a conduit for flowing a subject containing the methane-producing bacterium in the fermenter, and a light source that irradiates the subject with excitation light in a predetermined wavelength range. A video camera that acquires fluorescence in a predetermined wavelength range from the fluorescence emitted by the subject when irradiated with excitation light as a fluorescence image, and image processing of the fluorescence image to eliminate fluorescence based on substances other than methane-producing bacteria. It is provided with an image processing circuit to be used.
係るメタン生成菌計測装置では、蛍光強度の測定において、光源からメタン生成菌に420nmの光を照射して、蛍光物質F420を青白く光らせ、ビデオカメラで蛍光強度を測定する。測定された蛍光強度のデータは、画像処理回路に送られる。 In the methane-producing bacterium measuring device, in measuring the fluorescence intensity, the methane-producing bacterium is irradiated with light of 420 nm from a light source to make the fluorescent substance F420 glow pale, and the fluorescence intensity is measured with a video camera. The measured fluorescence intensity data is sent to the image processing circuit.
この種のメタン生成菌計測装置では、励起光を照射する前の段階において、メタン生成菌を含む被検体を、予め洗浄するためのメンブレンフィルタ及び洗浄制御装置を設けることで、発酵槽中に含まれるメタン生成菌以外の蛍光物質を除去し、蛍光画像のバックグランドを除去することができる、とされている。 In this type of methanogen measuring device, the subject containing the methanogen is contained in the fermenter by providing a membrane filter and a washing control device for washing the subject containing the methanogen in advance before irradiating with excitation light. It is said that it is possible to remove fluorescent substances other than methanogens and remove the background of fluorescent images.
また、特許文献2に記載のメタン発酵槽の自動制御システムは、メタン発酵槽と、メタン発酵槽に接続され、メタン生成菌を送り出すサンプリングラインと、サンプリングラインに接続され、メタン生成菌の前処理を行う前処理装置と、前処理装置に接続された蛍光分光光度計と、蛍光分光光度計に接続されたデータ解析装置と、を備える。 Further, the automatic control system for the methane fermenter described in Patent Document 2 is connected to the methane fermenter, the sampling line that is connected to the methane fermenter and sends out the methanogen, and the sampling line, and is connected to the sampling line to pretreat the methanogen. A pretreatment device for performing the above, a fluorescence spectrophotometer connected to the pretreatment device, and a data analysis device connected to the fluorescence spectrophotometer are provided.
特許文献2に記載のメタン発酵槽の自動制御システムでは、メタン発酵槽からサンプリングラインを介して、発酵液をサンプリングし、発酵液を前処理装置に送る。前処理装置では、発酵液の希釈、メタン生成菌中の蛍光物質F420を菌体外に溶出させるためのアルカリ処理、及び加熱処理等が行われる。 In the automatic control system of the methane fermentation tank described in Patent Document 2, the fermentation broth is sampled from the methane fermentation tub via the sampling line, and the fermentation broth is sent to the pretreatment apparatus. In the pretreatment apparatus, dilution of the fermentation broth, alkaline treatment for eluting the fluorescent substance F420 in the methanogen to the outside of the cells, heat treatment and the like are performed.
そして、前処理後のサンプルを、蛍光分光光度計に送り、蛍光強度を測定する。蛍光強度の測定では、メタン生成菌に420nmの光を照射して、蛍光物質F420を青白く光らせ、蛍光分光光度計で蛍光強度を測定する。測定された蛍光強度のデータは、データ解析装置に送られる。データ解析装置は、送られてきたデータを解析し、原料槽から原料投入ラインを介して、メタン生成菌を含む原料液を、メタン発酵槽内に必要時に必要量だけ、投入するようになっている。 Then, the sample after the pretreatment is sent to a fluorescence spectrophotometer to measure the fluorescence intensity. In the measurement of the fluorescence intensity, the methane-producing bacterium is irradiated with light of 420 nm to make the fluorescent substance F420 glow pale, and the fluorescence intensity is measured by a fluorescence spectrophotometer. The measured fluorescence intensity data is sent to the data analyzer. The data analysis device analyzes the sent data and inputs the raw material liquid containing methanogens into the methane fermentation tank from the raw material tank via the raw material input line in the required amount at the required time. There is.
しかしながら、特許文献1に記載のメタン発酵システムでは、上述のように、メタン生成菌に励起光を照射する前の段階において、被検体を予め洗浄するためのメンブレンフィルタ及び洗浄制御装置を設ける必要があるため、洗浄に使用する大がかりな設備等が別途必要である。また、測定で使用された被験体を、そのまま排出するため、再利用することができない、という問題があった。 However, in the methane fermentation system described in Patent Document 1, as described above, it is necessary to provide a membrane filter and a washing control device for washing the subject in advance before irradiating the methanogen with excitation light. Therefore, large-scale equipment used for cleaning is required separately. In addition, since the subject used in the measurement is discharged as it is, there is a problem that it cannot be reused.
また、特許文献2に記載のメタン発酵システムでは、発酵液の希釈、メタン生成菌中の蛍光物質F420を菌体外に溶出させるためのアルカリ処理、及び加熱処理等の前処理、及び前処理を行うための試薬が必要である。 Further, in the methane fermentation system described in Patent Document 2, dilution of the fermentation broth, alkaline treatment for eluting the fluorescent substance F420 in the methanogenic bacteria to the outside of the cells, pretreatment such as heat treatment, and pretreatment are performed. You need reagents to do this.
さらに、特許文献1及び特許文献2に記載のメタン発酵システムでは、メタン発酵槽中のメタン生成菌を、ある程度の時間間隔(タイムラグ)で測定することは可能であるが、メタン発酵槽中のメタン生成菌の菌数を、リアルタイムに測定することはできず、メタン生成菌のオンサイトでの正確な測定については、全く考慮されていない、という問題があった。 Further, in the methane fermentation system described in Patent Document 1 and Patent Document 2, it is possible to measure methanogens in the methane fermentation tank at a certain time interval (time lag), but methane in the methane fermentation tank. There was a problem that the number of methanogens could not be measured in real time, and the accurate on-site measurement of methanogens was not considered at all.
そこで、発明者等は、メタン生成菌のより効率的なモニタリング方法として、メタン発酵施設において、オンサイトでリアルタイムに、メタン発酵中のメタン生成菌の菌数を測定することを検討した。 Therefore, as a more efficient monitoring method for methanogens, the inventors examined measuring the number of methanogens during methane fermentation in real time on-site at a methane fermentation facility.
本発明は、斯かる実情に鑑み、メタン発酵施設において、オンサイトでリアルタイムに、メタン発酵中のメタン生成菌の菌数を測定することのできるメタン発酵システム及びメタン生成菌のモニタリング方法を提供することを目的とする。 In view of such circumstances, the present invention provides a methane fermentation system capable of measuring the number of methanogens during methane fermentation in real time on-site in a methane fermentation facility and a method for monitoring methanogens. The purpose is.
本発明に係るメタン発酵システムは、メタン生成菌を用いてバイオマスを発酵し、メタンガスを生成するメタン発酵槽と、前記メタン発酵槽に接続され、前記メタン発酵槽内の消化液の一部を引き抜いてから、さらに前記メタン発酵槽に戻す循環導管と、非接触で前記循環導管を通る前記メタン生成菌の量を検出する検出部と、を備えることを特徴とする。 The methane fermentation system according to the present invention is connected to a methane fermentation tank that produces methane gas by fermenting biomass using a methanogenic bacterium and the methane fermentation tank, and extracts a part of the digestive juice in the methane fermentation tank. Then, it is further provided with a circulation conduit for returning to the methane fermentation tank and a detection unit for detecting the amount of the methanogenic bacteria passing through the circulation conduit in a non-contact manner.
上記構成のメタン発酵システムによれば、メタン生成菌を用いてバイオマスを発酵し、メタンガスを生成するメタン発酵槽と、メタン発酵槽に接続され、メタン発酵槽内の消化液の一部を引き抜いてから、さらにメタン発酵槽に戻す循環導管と、非接触で循環導管を通るメタン生成菌の量を検出する検出部と、を備えるため、検出部において、メタン生成菌に直接接触することなく、非接触で循環導管を通るメタン生成菌の量を検出することができる。 According to the methane fermentation system having the above configuration, it is connected to a methane fermentation tank that produces methane gas by fermenting biomass using methanogens and a methane fermentation tank, and a part of the digestive juice in the methane fermentation tank is extracted. Since it is provided with a circulation conduit for returning to the methane fermenter and a detection unit for detecting the amount of methanogenic bacteria passing through the circulation conduit in a non-contact manner, the detection unit does not come into direct contact with the methanogenic bacteria. The amount of methanogens that pass through the circulation conduit on contact can be detected.
また、大がかりな設備等を別途必要とせず、前処理、及び前処理等で使用する試薬が不要である。これにより、メタン発酵槽内において、消化液の性状の変化を伴う処理を行う必要がないため、メタン生成菌の量を検出するために使用された消化液を循環させることができる。その結果、メタン発酵施設において、オンサイトでリアルタイムに、メタン発酵中のメタン生成菌の菌数を測定することができる。 In addition, large-scale equipment and the like are not required separately, and reagents used in pretreatment and pretreatment are not required. This makes it possible to circulate the digestive juice used to detect the amount of methanogens because it is not necessary to perform treatment that involves changes in the properties of the digestive juice in the methane fermenter. As a result, the number of methanogens during methane fermentation can be measured in real time on-site at the methane fermentation facility.
また、メタン生成菌の量を検出するために使用された消化液を循環させるため、排出する必要がなく、消化液の一部を循環させてメタン発酵槽に戻し、メタン発酵に再利用することができる。その結果、消化液が循環導管内を絶えず流れているため、循環導管内に、例えば、消化液中の固形分等による汚れが付着することがない。 In addition, since the digestive juice used to detect the amount of methanogens is circulated, there is no need to discharge it, and a part of the digestive juice is circulated and returned to the methane fermentation tank for reuse in methane fermentation. Can be done. As a result, since the digestive juice is constantly flowing in the circulation conduit, dirt due to, for example, solids in the digestive juice does not adhere to the circulation conduit.
さらに、例えば、メタン発酵槽中のメタン生成菌の生育状況を確認するための指標として、pH値の測定を行う場合がある。そのような場合、循環導管を、pH値測定用の循環経路と併用することができる。 Further, for example, the pH value may be measured as an index for confirming the growth state of the methanogen in the methane fermenter. In such cases, the circulation conduit can be used in combination with the circulation pathway for measuring the pH value.
本発明の一態様として、前記検出部は、前記循環導管に設けられ、前記循環導管の内部の前記消化液を透視する透明窓部と、該透明窓部に光を照射する光源と、前記透明窓部から反射する光を検出する撮影部と、該撮影部で撮影したデータを画像化する画像処理演算部と、を備える、のが好ましい。 As one aspect of the present invention, the detection unit is provided in the circulation conduit, a transparent window portion that sees through the digestive juice inside the circulation conduit, a light source that irradiates the transparent window portion with light, and the transparency. It is preferable to include a photographing unit that detects the light reflected from the window unit and an image processing calculation unit that images the data photographed by the photographing unit.
上記構成のメタン発酵システムによれば、検出部は、循環導管に設けられ、循環導管の内部の消化液を透視する透明窓部と、該透明窓部に光を照射する光源と、透明窓部から反射する光を検出する撮影部と、該撮影部で撮影したデータを画像化する画像処理演算部と、を備えるため、光源から循環導管の透明窓部に、光が照射され、透明窓部から反射する光は、撮影部によって検出(撮影)され、撮影部で撮影されたデータは、画像処理演算部によって画像化される。 According to the methane fermentation system having the above configuration, the detection unit is provided in the circulation conduit, and has a transparent window portion for seeing through the digestive juice inside the circulation conduit, a light source for irradiating the transparent window portion with light, and a transparent window portion. Since it is provided with a photographing unit that detects light reflected from the image and an image processing calculation unit that images the data photographed by the photographing unit, light is irradiated from the light source to the transparent window portion of the circulation conduit, and the transparent window portion is provided. The light reflected from the light source is detected (photographed) by the photographing unit, and the data photographed by the photographing unit is imaged by the image processing calculation unit.
したがって、光源、透明窓部、撮影部及び画像処理演算部といった簡単な構成で、メタン生成菌に直接接触することなく、非接触で循環導管を通るメタン生成菌の量を検出することができる。これにより、メタン発酵施設において、オンサイトでリアルタイムに、メタン発酵中のメタン生成菌の菌数を測定することができる。 Therefore, the amount of methanogens passing through the circulation duct can be detected without direct contact with the methanogens with a simple configuration such as a light source, a transparent window unit, a photographing unit, and an image processing calculation unit. This makes it possible to measure the number of methanogens during methane fermentation in real time on-site at a methane fermentation facility.
本発明の他態様として、前記循環導管の途中に設けられた循環用ポンプを、さらに備える、のが好ましい。 As another aspect of the present invention, it is preferable to further include a circulation pump provided in the middle of the circulation conduit.
上記構成のメタン発酵システムによれば、循環導管の途中に設けられた循環用ポンプを、さらに備えるため、メタン発酵槽から循環導管に、消化液をより効率的に送り出して、循環導管内に消化液を常に流し続けることで、消化液を効率的に循環させることができる。 According to the methane fermentation system having the above configuration, in order to further include a circulation pump provided in the middle of the circulation conduit, digestive juice is more efficiently delivered from the methane fermentation tank to the circulation conduit and digested in the circulation conduit. By constantly flowing the liquid, the digestive juice can be circulated efficiently.
本発明の他態様として、前記循環導管は、前記透明窓部に対向する領域に、前記消化液の液体分のみを導入するじゃま板をさらに備える、のが好ましい。 As another aspect of the present invention, it is preferable that the circulation conduit further includes a baffle plate for introducing only the liquid component of the digestive juice in the region facing the transparent window portion.
メタン発酵槽中には、バイオマスやメタン生成菌等の固形分、及び発酵液等の液体分が存在している。上記構成のメタン発酵システムによれば、循環導管は、透明窓部に対向する領域に、消化液の液体分のみを導入するじゃま板をさらに備えるため、循環導管を通って透明窓部に対向する領域に、消化液の液体分のみを効率的に導入することができる。 Solids such as biomass and methanogens and liquids such as fermented liquids are present in the methane fermentation tank. According to the methane fermentation system having the above configuration, the circulation conduit faces the transparent window portion through the circulation conduit because the circulation conduit further includes a baffle plate for introducing only the liquid component of the digestive juice in the region facing the transparent window portion. Only the liquid content of the digestive juice can be efficiently introduced into the region.
また、じゃま板を備えることで、透明窓部付近の消化液の流路(断面積)を狭くし、検出対称となる消化液(メタン生成菌)の量を低減させることができる。 Further, by providing the obstruction plate, the flow path (cross-sectional area) of the digestive juice near the transparent window portion can be narrowed, and the amount of the digestive juice (methane-producing bacteria) that becomes the detection symmetry can be reduced.
本発明のメタン生成菌のモニタリング方法は、メタン発酵槽中のメタン生成菌のモニタリング方法であって、前記メタン発酵槽中の消化液を取り出して、前記メタン発酵槽中に戻す循環路を形成する工程と、前記循環路の表面に、所定の波長範囲の励起光を照射する工程と、前記メタン生成菌に特有の補酵素F420の蛍光量を検出する工程と、単位面積当たりの前記蛍光量の総量を算出する工程と、を備える、ことを特徴とする。 The method for monitoring methanogens of the present invention is a method for monitoring methanogens in a methane fermenter, and forms a circulation path for taking out the digested juice in the methane fermenter and returning it to the methane fermenter. A step of irradiating the surface of the circulation path with excitation light in a predetermined wavelength range, a step of detecting the amount of fluorescence of the coenzyme F420 peculiar to the methanogen, and the step of the amount of fluorescence per unit area. It is characterized by comprising a step of calculating the total amount.
上記構成のメタン生成菌のモニタリング方法によれば、メタン発酵槽中のメタン生成菌のモニタリング方法であって、メタン発酵槽中の消化液を取り出して、メタン発酵槽中に戻す循環路を形成する工程と、循環路の表面に、所定の波長範囲の励起光を照射する工程と、メタン生成菌に特有の補酵素F420の蛍光量を検出する工程と、単位面積当たりの前記蛍光量の総量を算出する工程と、を備えるため、メタン生成菌を1個ずつ分離する必要がなく、メタン生成菌に直接接触することなく、非接触で循環導管を通るメタン生成菌の量を検出することができる。 According to the method for monitoring methanogens having the above configuration, it is a method for monitoring methanogens in a methane fermenter, and forms a circulation path for taking out the digested juice in the methane fermenter and returning it to the methane fermenter. The steps, the step of irradiating the surface of the circulation path with excitation light in a predetermined wavelength range, the step of detecting the fluorescence amount of the coenzyme F420 peculiar to methanogens, and the total amount of the fluorescence amount per unit area. Since it is provided with a step of calculating, it is not necessary to separate the methanogens one by one, and the amount of methanogens passing through the circulation conduit can be detected without direct contact with the methanogens. ..
また、大がかりな設備等が不要であり、前処理及び前処理等で使用する試薬が不要である。これにより、メタン発酵槽内において、消化液の性状の変化を伴う処理を行う必要がないため、メタン生成菌の量を検出するために使用された消化液を排出する必要がない。そのため、メタン生成菌の量を検出するために使用された消化液を循環させることができ、消化液の一部を循環させてメタン発酵槽に戻し、メタン発酵に再利用することができる。その結果、消化液が循環導管内を絶えず流れているため、循環導管内に、例えば、消化液中の固形分等による汚れが付着することがない。メタン発酵施設において、オンサイトでリアルタイムにメタン発酵中のメタン生成菌の菌数を測定することができる。 In addition, large-scale equipment and the like are not required, and reagents used in pretreatment and pretreatment are not required. As a result, it is not necessary to perform a treatment involving a change in the properties of the digestive juice in the methane fermenter, and therefore it is not necessary to discharge the digestive juice used for detecting the amount of methanogens. Therefore, the digestive juice used to detect the amount of methanogens can be circulated, and a part of the digestive juice can be circulated and returned to the methane fermenter for reuse in methane fermentation. As a result, since the digestive juice is constantly flowing in the circulation conduit, dirt due to, for example, solids in the digestive juice does not adhere to the circulation conduit. In a methane fermentation facility, the number of methanogens during methane fermentation can be measured in real time on-site.
本発明のさらに別の態様として、予め作成したメタン生成菌密度‐蛍光量の検量線から、前記循環路に流れてきた前記消化液中の表面メタン生成菌密度を算出し、さらに断面積で除して元の消化液中のメタン生成菌密度を算出する工程を、さらに備える、のが好ましい。 As yet another aspect of the present invention, the surface methanogen density in the digestive juice flowing into the circulation path is calculated from a pre-prepared methanogen density-fluorescence calibration line, and further divided by the cross-sectional area. It is preferable to further include a step of calculating the density of methanogens in the original digestive juice.
上記構成のメタン生成菌のモニタリング方法によれば、予め作成したメタン生成菌密度‐蛍光量の検量線から、循環路に流れてきた消化液中の表面メタン生成菌密度を算出し、さらに断面積で除して元の消化液中のメタン生成菌密度を算出する工程を、さらに備えるため、メタン生成菌密度‐蛍光量の検量線を用いて、単位面積当たりの蛍光量の総量から、メタン生成菌密度を容易に求めることができる。これにより、メタン発酵施設において、オンサイトでリアルタイムにメタン発酵中のメタン生成菌数を測定することができる。 According to the methane-producing bacterium monitoring method having the above configuration, the surface methane-producing bacterium density in the digestive juice flowing into the circulation path is calculated from the methane-producing bacterium density-fluorescence calibration line prepared in advance, and the cross-sectional area is further calculated. In order to further prepare a step of calculating the density of methane-producing bacteria in the original digestive juice by dividing by, the methane-producing bacteria density-fluorescence calibration line is used to generate methane from the total amount of fluorescence per unit area. The bacterial density can be easily determined. This makes it possible to measure the number of methanogens during methane fermentation on-site in real time at a methane fermentation facility.
以上のように、本発明のメタン発酵システム及びメタン生成菌のモニタリング方法によれば、メタン発酵施設において、オンサイトでリアルタイムに、メタン発酵中のメタン生成菌数を測定することができる、といった優れた効果を奏し得る。 As described above, according to the methane fermentation system and the method for monitoring methanogens of the present invention, it is possible to measure the number of methanogens during methane fermentation on-site in real time at a methane fermentation facility. Can produce the effect.
以下、本発明の一実施形態に係るメタン発酵システムの概略について、添付図面を参照して説明する。 Hereinafter, the outline of the methane fermentation system according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
本実施形態に係るメタン発酵システムは、例えば、メタンガス等のバイオガスを発生させるためのメタン発酵装置を備えた、一般的なメタン発酵施設等に設置されるためのものである。 The methane fermentation system according to the present embodiment is to be installed in a general methane fermentation facility or the like equipped with a methane fermentation apparatus for generating biogas such as methane gas, for example.
図1に示すように、本実施形態に係るメタン発酵システム100は、メタン生成菌を用いてバイオマスを発酵し、メタンガスを生成するメタン発酵槽10と、メタン発酵槽10に接続され、メタン発酵槽10内の消化液の一部を引き抜いてから、さらにメタン発酵槽10に戻す循環導管11と、非接触で循環導管11を通るメタン生成菌の量を検出する検出部12と、を備える。
As shown in FIG. 1, the
本実施形態に係るメタン発酵槽10として、メタン発酵施設、有機性廃棄物等の処理施設等に設置される一般的なメタン発酵槽が、使用可能である。本実施形態において、メタン発酵槽10は、底面10aと、底面10aから立ち上がる側壁部10bと、を備える。
As the
なお、メタン発酵槽10には、有機性廃棄物等のバイオマス、発酵菌としてのメタン生成菌、消化液、栄養等が供給されている。バイオマスの種類、発酵菌、栄養及び消化液の種類等は、必要に応じて、適宜変更可能である。
The
メタン発酵に必要なメタン生成菌の個数として、例えば、メタン発酵槽10中に、1×108個程度存在していればよい。後述するメタン生成菌のモニタリング方法によるモニタリングの結果、毎日のメタン発酵槽10中へのメタン生成菌の投入量を調整するようにする。例えば、メタン発酵が40日間で行われる場合、メタン生成菌を、毎日1/40量ずつ投入すればよい。投入材料の量や配合は、栄養で調整することが可能である。
As the number of methanogens required for methane fermentation, for example, about 1 × 10 8 may be present in the
本実施形態において、循環導管11は、ガラス管、もしくは、側面の一部が、ガラス製であることが好ましい。なお、本実施形態において、循環導管11として、励起波長420nmの光と蛍光波長472nmの光とが透過可能な、石英ガラスが望ましいが、ガラスの材質は、特に限定されるものではない。また、循環導管11は、ガラスに限定されるものではなく、例えば、風化することなく、硬くて透明な材質であればよい。
In the present embodiment, it is preferable that the
本実施形態において、循環導管11は、メタン発酵槽10の側壁部10bの外側に接続されている。より具体的には、循環導管11は、メタン発酵槽10の側壁部10bの外側から水平方向に延びる第一の導管11aと、第一の導管11aに接続され、第一の導管11aから上方向に向けて(垂直方向に)延びる第二の導管11bと、第二の導管11bに接続され、第二の導管11bからメタン発酵槽10の側壁部に向けて延びる第三の導管11cと、を備える。
In the present embodiment, the
図2に示すように、本実施形態において、検出部12は、循環導管11に設けられ、循環導管11の内部の消化液を透視する透明窓部13と、該透明窓部13に光を照射する光源14と、透明窓部13から反射する光を検出(撮影)する撮影部15と、該撮影部15で撮影したデータを画像化する画像処理演算部16と、を備える。
As shown in FIG. 2, in the present embodiment, the
本実施形態において、透明窓部13は、略矩形状を呈し、第二の導管11bの外周面に形成されている。
In the present embodiment, the
光源14は、透明窓部13に対向する領域を通るメタン生成菌に、420nmの光を照射し、メタン生成菌に特有の蛍光物質F420を青白く光らせる。光源14としては、一般的に用いられるものが使用可能である。
The
撮影部15は、透明窓部13から反射する470nmの反射光の蛍光強度を検出(撮影)する。本実施形態において、撮影部15として、CCDカメラが使用されているが、これに限定されるものではなく、透明窓部13から反射する470nmの反射光の蛍光強度を検出(撮影)可能なものであればよい。
The photographing
撮影部15によって検出、撮影された蛍光強度のデータは、画像処理演算部16に送られる。画像処理演算部16は、撮影部15で撮影したデータを画像化し、撮影部15に接続された画像表示部としてのモニター(図示せず)によって表示するとともに、単位面積当たりの蛍光量の総量を算出する。
The fluorescence intensity data detected and photographed by the photographing
図1に示すように、本実施形態において、メタン発酵システム100は、循環導管11の途中に設けられた循環用ポンプ17を、さらに備える。
As shown in FIG. 1, in the present embodiment, the
循環用ポンプ17としては、特に限定されるものではなく、一般的な導管や配管等の循環用に用いられるものが使用可能である。本実施形態において、循環用ポンプ17は、第一の導管11aの途中に設けられている。
The
図3に示すように、本実施形態において、循環導管11は、透明窓部13に対向する領域に、消化液の液体分Lのみを導入するじゃま板18をさらに備える。
As shown in FIG. 3, in the present embodiment, the
じゃま板18は、その一部又は全体が、メッシュ状に形成され、消化液の固形分Sと液体分Lとを分離させて、透明窓部13に対向する領域に、液体分Lのみを導入するように構成されている。
A part or the whole of the
本実施形態において、じゃま板18は、透明窓部13と同様の材質で形成されている。本実施形態において、じゃま板18は、透明窓部13と同様の材質で形成されているが、これに限定されるものではない。なお、じゃま板18は、スリット形状を有してもよい。
In the present embodiment, the
図3に示すように、じゃま板18は、断面視において、略三角形状に形成されている。本実施形態において、じゃま板18は、断面視において、略三角形状に形成されているが、これに限定されるものではなく、任意の形状が可能である。
As shown in FIG. 3, the
以上のように、本実施形態に係るメタン発酵システム100によれば、検出部12において、メタン生成菌に直接接触することなく、非接触で循環導管11を通るメタン生成菌の量を検出することができる。
As described above, according to the
また、大がかりな設備等を別途必要とせず、前処理、及び前処理等で使用する試薬が不要である。これにより、メタン発酵槽10内において、消化液の性状の変化を伴う処理を行う必要がないため、メタン生成菌の量を検出するために使用された消化液を循環させることができる。その結果、メタン発酵施設において、オンサイトでリアルタイムに、メタン発酵中のメタン生成菌数を測定することができる。
In addition, large-scale equipment and the like are not required separately, and reagents used in pretreatment and pretreatment are not required. As a result, it is not necessary to perform a treatment involving a change in the properties of the digestive juice in the
また、メタン生成菌の量を検出するために使用された消化液を循環させるため、排出する必要がなく、消化液の一部を循環させてメタン発酵槽10に戻し、メタン発酵に再利用することができる。その結果、消化液が循環導管11内を絶えず流れているため、循環導管11内に、例えば、消化液中の固形分S等による汚れが付着することがない。
In addition, since the digestive juice used to detect the amount of methanogens is circulated, there is no need to discharge it, and a part of the digestive juice is circulated and returned to the
さらに、メタン生成菌の測定において、例えば、メタン発酵槽10中のメタン生成菌の生育状況を確認するための指標として、pH値の測定を行う場合がある。そのような場合、循環導管11を、pH値測定用の循環経路と併用することができる。
Further, in the measurement of methanogens, for example, the pH value may be measured as an index for confirming the growth state of the methanogens in the
また、検出部12において、光源14から循環導管11の透明窓部13に、420nmの光が照射され、透明窓部13から反射する472nmの光は、撮影部15によって検出(撮影)され、撮影部15で撮影したデータは、画像処理演算部16によって画像化される。
Further, in the
したがって、検出部12として、光源14、透明窓部13、撮影部15及び画像処理演算部16といった簡単な構成で、メタン生成菌に直接接触することなく、非接触で循環導管11を通るメタン生成菌の量を検出することができる。これにより、メタン発酵施設において、オンサイトでリアルタイムに、メタン発酵槽10中のメタン生成菌の菌数を測定することができる。
Therefore, the
また、循環用ポンプ17によって、メタン発酵槽10から循環導管11に、消化液をより効率的に送り出して、循環導管11内に消化液を常に流し続けることで、消化液を効率的に循環させることができる。
Further, the
また、じゃま板18によって、循環導管11を通って透明窓部13に対向する領域に、消化液の液体分Lのみを効率的に導入することができる。
Further, the
また、じゃま板18を備えることで、透明窓部13付近の消化液の流路(断面積)を狭くし、検出対称となる消化液(メタン生成菌)の量を低減させることができる。
Further, by providing the
本実施形態に係るメタン発酵システム100の構成についての説明は以上の通りであり、次に、本実施形態に係るメタン発酵システム100を用いて、メタン発酵装置(図示せず)における、メタン発酵槽10中のメタン生成菌をモニタリングする作業について説明する。
The configuration of the
本実施形態に係るメタン発酵槽10中のメタン生成菌のモニタリング方法は、メタン発酵槽10中の消化液を取り出して、メタン発酵槽10中に戻す循環路を形成する工程と、循環路の表面に、所定の波長範囲の励起光を照射する工程と、メタン生成菌に特有の補酵素F420の蛍光量を検出する工程と、単位面積当たりの蛍光量の総量を算出する工程と、を備える。
The method for monitoring methanogens in the
より具体的には、メタン発酵槽10中のメタン生成菌のモニタリング方法は、メタン発酵槽10中の消化液を取り出して、メタン発酵槽10中に戻す循環路としての循環導管11を形成する工程と、循環路(循環導管11)の表面に、光源14から420nmの励起波長の励起光を照射する工程と、撮影部15によりメタン生成菌に特有の補酵素F420の472nmの蛍光量を検出する工程と、画像処理演算部16により撮影部15で撮影したデータを画像化し、単位面積当たりの蛍光量の総量を算出する工程と、を備える。
More specifically, the method for monitoring methanogens in the
本実施形態において、メタン発酵槽10中のメタン生成菌のモニタリング方法は、予め作成したメタン生成菌密度‐蛍光量の検量線から、循環路(循環導管11)に流れてきた消化液中の表面メタン生成菌密度を算出し、さらに断面積で除して元の消化液中のメタン生成菌密度を算出する工程を、さらに備える。
In the present embodiment, the method for monitoring the methanogen in the
本実施形態に係るメタン生成菌のモニタリング方法を用いて、メタン発酵槽10中のメタン生成菌の菌数を測定する場合、まず、図1に示すように、メタン発酵槽10内の消化液の一部を、循環用ポンプ17によって、第一の導管11aに送り出し、第二の導管11b、第三の導管11cへと、消化液の一部を順に送り出すことで、循環路(循環導管11)を形成する。なお、図1において、循環路(循環導管11)内の消化液の流れを、矢印で示している。
When measuring the number of methanogens in the
なお、この時点で、すぐに次の工程に進むようにしてもよいが、例えば、所定の時間間隔をあけて、消化液中の固形分Sが、第二の導管11bの下側(底部)にある程度溜まるのを待ってから、次の工程に進むようにしてもよい。
At this point, the process may immediately proceed to the next step, but for example, the solid content S in the digestive juice is to some extent on the lower side (bottom) of the
メタン発酵槽10内の消化液の一部を、循環用ポンプ17によって、第一の導管11aに送り出した当初、消化液中の固形分Sの濃度は、約10%程度になっている。消化液の一部が、第二の導管11b、第三の導管11cへと、順に送り出されることで、循環路(循環導管11)を形成するようになると、消化液中の固形分Sの濃度は、約8%程度になっている。
Initially, a part of the digestive juice in the
そして、図2に示すように、光源14から透明窓部13に向けて、420nmの光を照射する。次に、透明窓部13から反射する470nmの反射光の蛍光強度から、メタン生成菌に特有の補酵素F420の蛍光量を、撮影部15によって、検出(撮影)する。
Then, as shown in FIG. 2, light of 420 nm is irradiated from the
そして、図1及び図2に示すように、撮影部15によって撮影されたデータを、画像処理演算部16に送る。次に、画像処理演算部16は、撮影部15で撮影したデータを画像化し、撮影部15に接続された画像表示部としてのモニター(図示せず)によって表示するとともに、予め作成したメタン生成菌密度‐蛍光量の検量線から、循環路(循環導管11)に流れてきた消化液中の表面メタン生成菌密度を算出し、さらに断面積で除して元の消化液中のメタン生成菌密度を算出することで、単位面積当たりの蛍光量の総量を算出する。
Then, as shown in FIGS. 1 and 2, the data photographed by the photographing
そして、算出されたメタン生成菌密度に基づいて、メタン発酵に必要なメタン生成菌の個数を、メタン発酵槽10中へ随時投入する。
Then, based on the calculated density of methanogens, the number of methanogens required for methane fermentation is charged into the
以上のように、本実施形態に係るメタン生成菌のモニタリング方法によれば、面全体の発光度合で菌の量(全体の光強度)を推定するため、メタン生成菌を1個ずつ分離する必要がなく、また、メタン生成菌に直接接触することなく、非接触で循環導管を通るメタン生成菌の量を検出することができる。 As described above, according to the method for monitoring methanogens according to the present embodiment, it is necessary to separate methanogens one by one in order to estimate the amount of methanogens (total light intensity) based on the degree of luminescence of the entire surface. It is possible to detect the amount of methanogens passing through the circulation conduit in a non-contact manner without direct contact with methanogens.
また、大がかりな設備等が不要であり、前処理及び前処理等で使用する試薬が不要である。これにより、メタン発酵槽10内において、消化液の性状の変化を伴う処理を行う必要がないため、メタン生成菌の量を検出するために使用された消化液を排出する必要がない。そのため、メタン生成菌の量を検出するために使用された消化液を循環させることができ、消化液の一部を循環させてメタン発酵槽に戻し、メタン発酵に再利用することができる。
In addition, large-scale equipment and the like are not required, and reagents used in pretreatment and pretreatment are not required. As a result, it is not necessary to perform a treatment involving a change in the properties of the digestive juice in the
その結果、消化液が循環導管11内を絶えず流れているため、循環導管11内に、例えば、消化液中の固形分S等による汚れが付着することがない。これにより、メタン発酵施設において、オンサイトでリアルタイムにメタン発酵中のメタン生成菌数を測定することができる。
As a result, since the digestive juice is constantly flowing in the
上述のように、メタン発酵に必要なメタン生成菌の個数として、例えば、メタン発酵槽10中に、1×108個程度存在していればよい。メタン生成菌のモニタリング方法によるモニタリングの結果、毎日のメタン発酵槽10中へのメタン生成菌の投入量を調整するようにする。例えば、メタン発酵が40日間で行われる場合、メタン生成菌を、毎日1/40量ずつ投入すればよい。投入材料の量や配合は、栄養で調整することが可能である。
As described above, the number of methanogens required for methane fermentation may be, for example, about 1 × 10 8 in the methane fermentation tank 10. As a result of monitoring by the monitoring method of methanogens, the amount of methanogens input into the
尚、本発明のメタン発酵システム及びメタン生成菌のモニタリング方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更し得ることは勿論のことである。 It should be noted that the methane fermentation system and the method for monitoring methanogens of the present invention are not limited to the above-mentioned embodiments, and of course, they can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention.
上記実施形態において、循環導管11は、メタン発酵槽10の側壁部の外側から水平方向に延びる第一の導管11aと、第一の導管11aに接続され、第一の導管11aから上方向に向けて(垂直方向に)延びる第二の導管11bと、第二の導管11bに接続され、第二の導管11bからメタン発酵槽10の側壁部に向けて延びる第三の導管11cと、を備えるが、これに限定されるものではない。例えば、循環導管11は、チューブや配管等で構成され、メタン発酵槽10中に直接差し込まれるような構成であってもよい。要は、循環導管11は、メタン発酵槽10中の消化液を取り出して、メタン発酵槽10中に戻す循環路を形成するような構成であればよい。
In the above embodiment, the
上記実施形態において、非接触で循環導管11を通るメタン生成菌の量を検出する検出部12として、循環導管11に設けられ、循環導管11の内部の消化液を透視する透明窓部13と、該透明窓部13に光を照射する光源14と、透明窓部13から反射する光を検出(撮影)する撮影部15と、該撮影部15で撮影したデータを画像化する画像処理演算部16と、を備えるが、これに限定されるものではない。要は、検出部12は、非接触で循環導管を通るメタン生成菌の量を検出できるような構成であればよい。
In the above embodiment, as a
本実施形態において、透明窓部13は、略矩形状を呈し、第二の導管11bの外周面に形成されているが、これに限定されるものではない。要は、透明窓部13は、循環導管11に設けられ、循環導管11の内部の消化液を透視することができるような構成であればよい。
In the present embodiment, the
上記実施形態において、循環用ポンプ17は、第一の導管11aの途中に設けられているが、これに限定されるものではない。要は、循環用ポンプ17は、循環導管11に設けられ、メタン発酵槽10から循環導管11に、消化液をより効率的に送り出して、循環導管11内に消化液を常に流し続けることで、消化液を効率的に循環させることができるような構成であればよい。
In the above embodiment, the
上記実施形態において、メタン発酵槽10中の消化液に、固形分Sが多く存在している場合、循環導管11内に、目の粗いフィルタを設けて、固形分Sと液体分Lとの流路を分け、液体分L中に拡散しているメタン生成菌のみを、測定対象とするようにしてもよい。
In the above embodiment, when a large amount of solid content S is present in the digestive juice in the
上記実施形態において、メタン生成菌のモニタリング方法は、循環導管11内の消化液を、所定時間に一度、逆循環させる工程を、さらに備えるようにしてもよい。そうすることで、循環導管11内に、例えば、バイオマスやメタン生成菌等の固形分Sが詰まったり、消化液等の液体分Lが、循環導管11の内壁に付着したりすることを防ぐことができる。
In the above embodiment, the method for monitoring methanogens may further include a step of reverse-circulating the digestive juice in the
また、検出部12に対向する領域にじゃま板18を設ける場合、じゃま板18のメッシュ形状に、バイオマスやメタン生成菌等の固形分Sが目詰まりする等の不具合を改善することができる。
Further, when the
上記実施形態において、検出部12に、フローサイトメータ等の測定器を組み合わせるようにしてもよい。
In the above embodiment, the
本発明のメタン発酵システム及びメタン生成菌のモニタリング方法は、メタンガス等のバイオガスを発生させるためのメタン発酵装置を備えた、一般的なメタン発酵施設等に有効に適用される。 The methane fermentation system and the method for monitoring methanogens of the present invention are effectively applied to a general methane fermentation facility or the like equipped with a methane fermentation apparatus for generating biogas such as methane gas.
10 メタン発酵槽、10a 底面、10b 側壁部、11 循環導管、11a 第一の導管、11b 第二の導管、11c 第三の導管、12 検出部、13 透明窓部、14 光源、15 撮影部、16 画像処理演算部、17 循環用ポンプ、18 じゃま板、100 メタン発酵システム、S 固形分、L 液体分。 10 Methanogen fermenter, 10a Bottom, 10b Side wall, 11 Circulation conduit, 11a First conduit, 11b Second conduit, 11c Third conduit, 12 Detection part, 13 Transparent window part, 14 Light source, 15 Imaging part, 16 image processing calculation unit, 17 circulation pump, 18 jam plate, 100 methane fermentation system, S solid content, L liquid content.
Claims (5)
前記メタン発酵槽に接続され、前記メタン発酵槽内の消化液の一部を引き抜いてから、さらに前記メタン発酵槽に戻す循環導管と、
前記循環導管の途中位置に設けられ、前記循環導管内を通過する消化液を透視する透明窓部と、
前記透明窓部に面する位置に設けられ、前記消化液を固形分と液体分とに分離して、前記透明窓部に面する領域に液体分を導入し、その他の領域に固形分を通過させるじゃま板と、
前記透明窓部に面する領域を通過する液体分に励起光を照射する光源と、
前記励起光によりメタン生成菌の補酵素F420から発せられる蛍光を、前記透明窓部を介して検出する撮影部と、
前記撮影部で撮影したデータを画像化する画像処理演算部とを備える、メタン発酵システム。 A methane fermenter that ferments biomass using methanogens to produce methane gas,
A circulation conduit that is connected to the methane fermentation tank, draws out a part of the digestive juice in the methane fermentation tank, and then returns it to the methane fermentation tank.
A transparent window provided in the middle of the circulation conduit to see through the digestive juice passing through the circulation conduit.
Provided at a position facing the transparent window portion, the digestive juice is separated into a solid content and a liquid component, the liquid component is introduced into the region facing the transparent window portion, and the solid content passes through the other regions. With a window board to let you
A light source that irradiates the liquid component passing through the region facing the transparent window portion with excitation light,
An imaging unit that detects the fluorescence emitted from the coenzyme F420 of the methanogen by the excitation light through the transparent window unit.
A methane fermentation system including an image processing calculation unit that images the data photographed by the photographing unit.
前記メタン発酵槽中の消化液を取り出して、前記メタン発酵槽中に戻す循環路を形成する工程と、
前記循環路内の途中位置には透明窓部が設けられており、前記透明窓部に面する領域に液体分を導入し、その他の領域に固形分を通過させるようにじゃま板を設けることで、消化液を固形分と液体分とに分離する工程と、
前記透明窓部において、前記分離した液体分に向けて所定の波長範囲の励起光を照射する工程と、
前記メタン生成菌に特有の補酵素F420の蛍光量を、前記透明窓部を介して撮影部によって検出する工程と、
前記撮影部によって撮影されたデータを画像化する画像処理演算部において、単位面積当たりの前記蛍光量の総量を算出する工程とを備える、メタン生成菌のモニタリング方法。 It is a method of monitoring methanogens in a methane fermenter.
A step of taking out the digestive juice in the methane fermentation tank and forming a circulation path to return it to the methane fermentation tank, and
A transparent window portion is provided at an intermediate position in the circulation path, and by introducing a liquid component into the region facing the transparent window portion and providing a baffle plate so as to allow solid content to pass through the other regions. , The process of separating the digestive juice into solid and liquid,
A step of irradiating the separated liquid component with excitation light in a predetermined wavelength range in the transparent window portion.
A step of detecting the amount of fluorescence of the coenzyme F420 peculiar to the methanogen by an imaging unit through the transparent window portion, and a step of detecting the fluorescence amount of the coenzyme F420.
A method for monitoring methanogens, which comprises a step of calculating the total amount of fluorescence per unit area in an image processing calculation unit that images data photographed by the imaging unit.
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