JPS60209300A - 固体植物材料からメタンを製造する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固体植物材料からメタンを製造する方法に関す
る。

一般に非常に良く進行する溶解有機廃棄物の嫌気的清掃
とは異なり、今までのところ固体の植物性廃棄物質を生
物ガスに変換する有効な方式はない。もし固体が存在す
ると、一般に発酵器はどちらかといえば能率的に働かな
い。−例をあげると、厩肥発酵器においては、ＣＯＣ基
準（化学的酸素消費量）による分解は、厩肥の１０から
２０日の滞留時間と１〜５に９ＣＯＣ／７７！！、日の
負荷でおよそ６０％である。従って、メタン生産は約２
．、、ｓ７．、ｓ、日である。このことは与えられた廃
棄物流の変換に比較的大きい発酵器（低荷重と長い滞留
時間）を必要とすることを意味する。

反祁動物（牛、羊など）のルーメンの中で固体植物材料
（草）は非常に能率的にメタン揮発性脂肪酸とに変換さ
れる。この過程には、微生物の独特の系が含まれている
（ルーメン繊毛虫および細菌）。ルーメンの中の草の滞
留時間はおよそ３０時間、負荷（変換）は約４０〜ＣＯ
Ｃ／ｍ３．日である。

従って、分解は約７０％である。同様な系が草食獣の盲
腸にも見出されている。

有機材料の嫌気的分解は四期で起こる。

光合成の間に形成された重合体が単量体、例えばグルコ
ースに変換され（１期）、そこから多数の発酵生成物が
生成される（■期）。これら発酵生成物は、アセテート
および（または）水素生成微生物により酢酸、水素およ
びＣ０２に変換され（１期）、かわってこれら物質はメ
タン生成菌に対し特別な栄養となる（■期）。光合成生
成物のうちの少なからぬ部分（見積り割合は５から１０
％）がこの仕方で変換され、このようにして生じたメタ
ンはメタン酸化細菌により、あるいは大気のオゾン層中
の反応によってＣＯ２に変換され、このようにして再び
光合成に利用されるようになる。

有機物の嫌気的分解過程はメタン形成細菌の関与なしに
も起こりうる。このようにして１期の微生物は酢酸およ
び（または）水素をつくり出す。

しかし、メタンバクテリアが存在しないしない場合には
、媒質は酸性となり、゛水素圧が上昇するであろう。水
素は嫌気性代謝の抑制生成物であり、水素形成に含まれ
る酵素、ヒドロゲナーゼ、はしばしば可逆的に働き、水
素が蓄積するとエネルギ−を供給する酸化が役立たなく
なる。

メタンバクテリアの存在において、全生態系の代謝は三
つの機構を経て起こる： １、　プロトン調節、この場合、酸性生成物（酢酸およ
び他の酸類）は不活性なメタンと弱酸性の００２に変換
される； ２、電子調節、これによりメタン７々クチ１」ア＆ま水
素の形成およびそれ以上の変換（Ｈ＋から）を行なおう
とし、その結果■期および■期の有機体＆まそれらの発
育に必要なエネルギーを獲得でき、また有機物は嫌気性
条件下で不活性物質に完全に変換される。

３、栄養調節、これは分解中間体のスルーフロー　（ｔ
、ｈｒｏｕｇｈｆｌｏｙ）に関・係するだけでなく、も
しあれば動物宿主を含めて他の有機体への生長因子（例
えば、Ｂ１２化合物）の供給にも関係する。

メタンバクテリアの存在は酸類および抑制水素の蓄積を
防止し、容易に分離される不活性生成物、即ちメタンの
形成を起こす。

現存の生態系は二つの群に分類できる、即ちａ、生物ガ
ス生産および嫌気的清掃のための設備を含めてあらゆる
淡水系、および す、塩−水および胃腸管系。

ａ群の生態系（以後はアセテート系と称する）において
は、メタンがアセテートから約７０％まで生ずるのに対
して、ｂ群の系（以後は水素系と称する）においては、
メタンが水素と００２から実質的に完全に形成される。

硫酸還元菌が重要な役割を演する塩−水系はここでは考
慮しないことにする。胃腸管系のうち、反祁動物のこぶ
胃はメタンの年間生産量１５０〜３００Ｘ１０９ｍ３を
もち最も顕著である。

アセテート系は系のスルーフローの比較的おそい速度「
パットサイクルＪｉａ間から数か月まで）により更に特
徴づけられるのに対し、水素系は比較的早い（［パット
サイクル１１日か数日）。多分これはメタン発酵が速度
制限段階であること、およびメタンバクテリアが酢酸（
自由エネルギー変化−３１ＫＪ１モルメタン）からより
も水素子００２（自由エネルギー変化−１３１ＫＪ１モ
ルメタン）からの方が相当に大きいエネルギーを引き出
しうるという事実による。

これらのデータから、自然界では、しばしばゆっくりと
進行する嫌気的アセテート系が有機物の分解に定着する
であろうが（安定状態に匹敵）、更にまた、地球上の年
間生産量に比較的大きい寄与（全体の２０％）をもつ無
数の水素系においては早い過程が定着するかもしれない
（準安定状態に匹敵しうる）と結論できる。それ故にも
し系の安定化のための条件がわかれば、水素系の使用は
大きい利点をもつ。

本発明者等はここで反祁動物のルーメン系の特徴の幾つ
かを、特に比較的高いスルー７ｔｌｌ−速度をもつ明ら
かにむしろ安定な水素系の存在を理解するために重要な
事実に対する見解と共に議論することにする。

反側動物のルーメンは常に多数の（細胞ｉｏｏ、ｏｏｏ
個／−）の繊毛虫（九つの属に属する約１１種）を含ん
でいる。ルーメンの内容物に対する繊毛虫の寄与は、先
ず第一にルーメンの中に存在する窒素のしばしば４０％
より多く（時には８０％のことさえある）が繊毛虫に含
まれるという事実から導くことができる。もしこの多数
の繊毛虫と微生物集団に対するこれらの多大の寄与の理
由にのみ基づくと、繊毛虫は有機物の変換に重要な役割
を演じることが期待できるかもしれない。

繊毛生糸は容易に確立され（雌牛から子牛によって容易
に’Ｊｌき継がれる）その一般的存在は生態学的安定性
を示し、この系および宿主に対し明らかにアセテート系
にまさる種々な利点をもつ。

繊毛虫の役割はこぶ胃の中での現象の幾つかの観察から
推論できる。界面で植物材料は繊維細胞を口腔内に取り
入れる繊毛虫により非常に迅速に占拠されることが観察
されている。植物材料の飲み込まれた小片の周りで殆ど
知られていない幾つかの過程が繊毛市内で起こる。多分
縁毛虫、または繊毛市内に住む（内部共生的に）細菌が
植物材料を消化する酵素をつくり出し、それによって１
期の最終生成物が形成される。これらの発酵生成物は繊
毛虫に存在する微小体により水素とＣ０２とに変換され
る。

水素の存在は分解過程全体をおそくする。しかし、繊毛
虫の外側で細胞表面に付着したメタンバクテリア（とり
わけ、メタノブレビバクター・ルミテンチウム）が水素
およびＣｏ２を不活性なメタンに変える。メタンバクテ
リアは幾つかの独特かつ高度に螢光性の補酵素’　Ｆ４
２０　（水素および電子移動に関与するデアずフラビン
）およびＣ１代ｉｆｌに含まれるメタノシリテン類を含
む。これら物質の存在が、混合集団（例えば、ルーメン
）中のメタンバクテリアの同定のためにドデーマ（Ｄｏ
ｄｄｅｍａ）と７オーデルス（Ｖｏｇｅｌｇ　）により
開発されたエビフルオレセンス技術の基礎を形づくる。

本発明者等は、屠殺直後の雌牛のこぶ胃中に、屡管形成
した羊のルーメン中に、およびルーメン繊毛虫の実験室
培養中に前述した共同体を観察することができ、繊毛虫
の単培養において、この共同体は繊毛虫−細胞当りに付
着いたメタンバクテリア約ｉ　ｏ、ｏ　ｏ　ｏ個の密度
を生じうる。

この付着（共生）は少なくとも２倍の効果をもつ： ａ、効果的な水素移動、このため繊毛虫は水素により最
小に抑制され（ルーメンの中の水素圧は１０−６気圧で
ある）そしてメタンバクテリアはその給源で食物を見付
ける； ｂ、複合体（固体植物材料−繊毛虫一付着したメタンバ
クテリア）を経て、メタンバクテリアはルーメン内の長
い滞留時間（メタンバクテリアの長い分裂時間と共に必
要）から恩恵を受け、そして繊毛虫はそれらにすぐ隣接
して存在する多数のメタンバクテリアから恩恵を受ける
。

系全体は、分解中に生じたＣＯ２と唾液からの重炭酸塩
により緩衝された約１日のスルーフロ一時間をもつ連続
的培養を形成し、反祁動物により一定温度に保たれる。

系に対する重い負荷にもかかわらず、これら微生物は仕
事の最も困難な部分、即ち、有機物質を受け入れられる
ようにし重合体を分解する仕事、を鎧時間内に行なうこ
とができる。全過程において、繊毛虫／メタンバクテリ
ア系は重要な役割を果している。反祁動物は間接的に恩
恵を受ける：生成したメタンを経由して、食物のカロリ
ー値の１０％が廃棄されるが、他の動物によって消化す
ることが困暁な食物の分解生成物を動物に絶えず供給す
る効果的な生態系の存在に利益がある。

本発明の一つの目的は、固体植物材料、特に固体の植物
廃棄物、例えば産業廃棄物（製紙工場、馬鈴薯−小麦製
粉所、製糖工場などから）、農業または家庭のごみ、あ
るいはまたエネルギー提供のために特別に栽培された高
等または下等植物（例えば、藻類）を能率よく分解して
メタン（生物ガス）をつくることができる方法を提供す
ることにある。

本発明方法は固体植物゛材料を、反応器中で、少なくと
も一つの繊毛虫種および少なくとも一つの種のメタンバ
クテリアからなる液体系と接触させ、そして反応器から
メタンおよびＣＯ２を含むガスを取り出すことにより特
徴づけられる。

特に適当な一興体例は、下記の繊毛虫種：１）ユージノ
ロジニウム　マッギイ （Ｋｕｄｌｐｌｏｄｉｎｉｕｍ　ｍａｇｇｉ　）２）ジ
プロジニウムデンタッム （Ｄｉｐｌｏｄｌｎｉｕｍ　ｄｅｎｔａｔｕｍ　）シン
、ジゾロジニウムデンチキュラッムエ７．アナカンタム ａｎａｃａｎｔｈｕｍ　） シン、Ｄ、デンチキュラッムエフ、モナヵンタム ３）エビジニウム　エ力つダッム （Ｅｐｉｄｌｎｉｕｍ　ｅｃａｕｄａｔｕｍ　）シン、
エビジニウムエ力つダッムエフ。

へマツム ４）エンドジニウム　シンプレタス （Ｆｉｎｔｏｄｌｎｉｕｍ　ｓｉｍｐｌｅｘ　）５）エ
ンドジニウム　四ンジヌデアッム（Ｋｎｔｏｄｌｎｉｕ
ｍ　１ｏｎ７＜ｉｎｕｄａａｔｕｍ　）６）エントシニ
ウム力つダツム （Ｅｎｔｏａｉｎｔｕｍ　ｃａｕｄａｔｕｍ　）７）ダ
シトリチャ　ルミナンチウム （Ｄａｓｙｔｒｉｃｈａ　ｒｕｍｉｎａｎｔｉｕｍ　）
８）イソトリチャゾロストーマ （ｌ５ｏｔｒｉｃｈａ　ｐｒｏｓｔｏｍａ　）の少なく
とも一つを用いることにより特徴づけられる。

少なくともメタン細菌メタノプレピパクタールミナンチ
ウムを用いるのが更に好ましい。

実際上高度に適した一つの特に好ましい具体例は、液体
系として反部動物のルーメンからあるいは草食獣の盲腸
からの流体（接種材料）を用いることを特徴としている
。

最適操作に対しては、ＰＨを５．５〜７の値に保つこと
、および温度を３５〜４５℃の値に、なるべくは約４０
℃に保つのがよい。

この系に対し適切に働かせるためには、なるべく液体を
反応器から連続的にまたは不連続的に取り出し、そして
カルボン酸類を含まない液体で、またはそのより低い割
合により取り替えるのがよい。

実際上このことは１日に少なくとも２反応器容の液体を
取り出しそして取り替えることを意味する。

最も好ましい具体例においては、系が二つの空間的に分
かれた相からなり、そして反応器から取り出された液体
を、別個の反応器で液体中に存在するカルボン酸が分解
されてメタンとＣＯ２を形成する処理に付し、メタンお
よびＣＯ２を前記第二の反応、器から取り出し、このよ
うに処理した液体を最初の反応器に再循環させるか、ま
たは放出することを特徴とする。

もう一つの特に適当な具体例においては、分解できない
、あるいは分解の非常に困難な成分に富む残存固体残留
物を、１〜６日間の固体物−質の滞留時間後に、最初の
反応器から取り出し、そして投棄するか、あるいは焼く
か、あるいは貴重な物質を回収するために、または肥料
として使用する。

米国特許第３．７１１．３９２号明細書から、生物分解
性廃棄物、例えばセルロース含有材料を、種種な微生物
の作用にさらすことが知れることが注目される。この方
法は、生物分解廃棄物をヒトまたは動物の食物として役
立ちつる種々な生成物に変換するために、公知の微生物
プロセスを使用することからなる。この変換について、
何ら量的データは与えられていない。前記明細書は、メ
タン水素、二酸化炭素およびエタノールからなるガス生
成物が形成されることを述べている。しかし、メタンは
望ましくない副産物として率直に特徴づけられ、それ故
にメタンの形成は少量の四塩化炭素の添加により防止す
るのがよい。更にまた、この従来法に使用するのに適し
た種々な種類の微生物が述べられている。これらは、と
もかくも、メタンバクテリアを包含しない。該明細書は
、原虫、例えばエントニニウムダシトリチャ（Ｅｎｔｏ
ｎｉｎｉｕｍＤａｓｙｔｒｌｃｈａ　）およびジノロジ
ニウムこぶ胃原虫を述べているが、もっばらそれらが病
原性細菌を無害にする′能力−と関連させて述べている
のである。

本発明方法は、繊毛虫とメタン細菌とが不可欠である生
物の組み合わせを用いた、植物材料の完全分解による生
物ガスの製造に向けられているのであり、食品の製造に
向けられているのではない。

繊毛虫は、全生物量の全窒素（実質的にこれに比例して
いる）の、例えば４０％から８０％といった大きい数で
存在し、植物原料を分解して水素を生じ、これをメタン
生産に使用する。本発明方法は、水素系を使用するのに
対し、前記米国特許明細書の方法は比較的おそいアセテ
ート系を使用している。メタンバクテリアとの組み合わ
せのために、植物原料からメタンと二酸化炭素への実質
的に完全な変換が実現される。液体スルー７ｐ−および
固体に基づく効率（固体荷重率および滞留時間）は、米
国特許第３，７１１．６９２号明細書に記載の方法の場
合より相当に高いと同時に予備発酵は不必要である。更
にまた、本発明の特に適当な具体例の一つにおいては、
副産物もまた別個の反応器でメタンに変換され、それで
、このように処理された流体は最初の反応器に再循環す
るのに適するようになる。拳法は電気透析を含まない。

米国特許第４．３　ｉ　８，９９３号明細書は有機廃棄
物を、予備加水分解および中和後、先ず酸性他相で分解
し、その後引続き、別個のメタン相で生物ガスに変換す
るという生物分解性材料から生物ガスを製造する方法を
発表している。繊毛虫は使用されない。他方、本発明方
法においては、加水分解、酸性化および水素とメタンの
生成は、少なくとも繊毛虫とメタンバクテリアとを含む
第一の反応器で同時に起こる。次に、必要に応じ、公知
のメタン相を含む第二の反応器で残存酸類を分解して更
に追加量のメタンガスをつくるのである。従って、本発
明に係るこの方法は、甫記米国特許明細書に記載の予備
加水分解および中和を含まない。

有機物からのエネルギー回収が主要目的である他の方式
にまさったメタン生成の幾つかの一般的利点は次の通り
である。

メタン発酵は、容易に分離されるガスを生じ、この方法
は、例えばエネルギー目的のアルコール生産の場合のよ
うに、エネルギーに富む生成物の獲得に大きい量のエネ
ルギーを必要としない。有機物の燃焼および熱分解とい
った方法の欠点は、その含水量が有効性を減少させるこ
とである。メタン発酵は比較的少ないスラッジ産出を伴
なうが、生じたスラッジはよく腐敗していて、しばしば
肥料として土地に直接使用できる。その上、この方式は
重仕事量を許し、このためプラントの投資コストを軽減
できる。

用いたメタン発酵のこれらの、および他の利点は繊毛虫
およびメタンバクテリアの本発明系にも当てはまる。こ
の系は更に典型的に植物性の溶けていない材料について
良好なメタン発酵を与え、比較的重い負荷で比較的短い
スルーフロ一時間を可能にする。

これら利点は繊毛虫におけるすばらしい空間的構成に帰
することができ、植物材料の消化にそしてその先の分解
に含まれる系は細胞内にそして細胞上に集中し、繊毛虫
は食物を追い食物を補充しようとする。水素系はメタン
生成のためにそれ自身定着できるので、メタンバクテリ
アは分布スべきエネルギーの大きい分は前を獲得し、こ
れが生長を促進している（しばしば系全体の制限段階）
。

従って、本発明は植物材料から重要なエネルギー源とし
て使用できるメタンへ変換するための応用系を提供する
。生じたメタンは気体状態にありそして容易に分離でき
、日光から光合成の間に植物材料中に貯えられたエネル
ギーの実質的にすべてを含んでいる。植物材料（植物、
ｌｌｌ胞）の消化は、これまでは、植物材料からメタン
への変換を取り入れることが困難であった障壁であり、
植物材料を化学的前処理に付することによってのみ達成
できた。

植物材料は植物または微生物原料を使用し、不溶性廃棄
物を産出する産業（例えば、製紙工場、食品および製薬
分野の種々な工業）および動物飼育に植物材料（草、麦
わら、千草など）を使用する（農業）施設から来る。繊
毛出糸はこれら基質に対し特異的適合を要求するであろ
うが、これらすべての使用において、植物材料からメタ
ンへの変換（この場合、エネルギーの実質的な部分が節
約される）は、堆肥にする（実質的なエネルギー損失を
伴う）、燃焼、または地表水への放出（これにより環境
を汚染する）よりはるかに好ましいであろう。

従って、第一の場合に関係ある材料は植物のくず、特に
高含量の細ｍ壁重合体を着する破片であり、これらは本
発明に係る系が非常によく分解できるものである。−例
は、リグノセルロースを高含量で含む製紙工場がらのパ
ルプである。例えば、牛または家禽飼養場がら出る農業
上の植物くずも適当な基質である。同じことが（道端の
）草、家庭のごみ、そして一般に光合成の生成物の使用
者から来るあらゆる廃棄物に当てはまる。

その上、繊毛出糸は、とりわけエネルギー供給のために
栽培された高等または下等植物（「エネルギー農業］ま
たは「大洋−農業」を経由）のメタンへの変換に、これ
により太陽エネルギー（＋炭酸塩および水）をメタン（
および酸素）に変換するために使用できる。

もし出発原料が、非分解性部分（これは固体残渣として
残る）を含むならば、この残渣を更に利用することがで
きる。例えば、植物材料の非分解性部分はリグニンに富
むかもしれず、このものは他の目的に興味をもたれる原
料である（フェニル基からつくり上げられた生成物のた
めの原料；その高い燃焼熱からみて興味ある燃料）。

メタンバクテリアを含む生物集団からビタミンＢ１□の
回収も可能性のうちにある。

ここで、二つの空間的に分かれた相からなる特に適当な
具体例のもつと詳細な記述を次に述べる。

二つの別個の相を用いることにより、異なる微生物集団
に対し最適条件をつくり出すことが可能である。

第１図は２相系を図式的に示したものである。

最初の相において、固体植物材料はこぶ胃の微生物（−
毛虫、細菌、鞭毛虫）により揮発性脂肪酸（アセテート
、プロピオネートおよびブチレート）、メタンおよびＣ
Ｏ２に変換される。この最初の相は反応器１で起こる。

二番目の相においては、生じた揮発性脂肪酸を含む最初
の相からの液体を、脂肪酸が少なくとも部分的に分解さ
れ、更にある量のメタンおよびＣ０２を生成するような
処理に付する。この二番目の相は反応器２で起こる。

反応器１は液体と固体成分とからなる反応物３を含み、
これをかきまぜ機４を用いてかきまぜる。

消化すべき固体植物材料は導管５から供給される。

分解の間に生成したがス（メタンと００２）は導管６を
通して反応器１から取り出される。液体／固体分離器７
、例えば沖過器を用いて液体を反応器１から取り出す。

この液体は？ンプ９によりライン８を通って反応器２に
行く。反応器２中で反応物１０を処理すると更にメタン
Ｃ０２を生じ、これらはガス収集器１１および導管１２
により反応器２から取り出される。処理された液体は導
管１３を通って反応器１に再循環される。

ａ、第一の相 第−の相においては、好ましくは連続過程で固体植物材
料を、なるべくはルーメンの微産物を用いて揮発性脂肪
酸（アセテート、プロピオネートおよびブチレート）、
メタンおよびＣＯ２に変換する。

この相に対する使用に関して、きわめて特徴的かつ独特
であるのは、捕物材料の分解を行なう微生物の種におけ
る組成である。微生物接種として、なるべくはルーメン
流体を使用するのがよい。この系の典型は、とりわけ多
数の（５０〜１５ｏ×１０３／−＝／　）のルーメン繊
毛虫の存在であり、このものは天然に他の場所に生ずる
ことが未だ記述されたことのない単細胞動物である。種
類の構成は利用できる栄養によって変化し、とりわけ下
記の繊毛虫類を含みうる： 上玉 へマツム ４）エンドジニウム　シンゾレタス 繊毛虫に加えて、鞭毛虫およびおよそ２００種類の異な
る細菌種が第一の相に見出されるはずである。これら微
生物は共にきわめて効果的に植物材料を変換する。ルー
メン微生物の使用のため、最適反応器温度は約４０’Ｏ
である。

分解生成物として、揮発性脂肪酸、水素および二酸化炭
素を生ずる。水素と二酸化炭素は、第一の州内に最も豊
富にいるメタンバクテリア、メタノブレビバクター　ル
ミナンチウムにより、あるいは他のメタン発生細菌によ
りメタンに変換できる。上記細菌は流体中に自由に生活
する有機体として見出されるが、更に樹々な繊毛虫類、
とりわけ、−見ヨＹ　７　ｅ　４およびり、デンタッム
との高度の共同が特徴的である。第一の相は揮発性脂肪
酸をメタンに変換できるメタンバクテリアを殆ど含亥な
い。これら脂肪酸は第二の相でメタンに変換される。第
一の相の生物ガス生産は約１〜２　ｌｌ／１１反応器内
容物／日であり、メタン約５０％とＣ０２ｒ勺５０％と
から構成される。

第一の相の二査目の特徴は、液体部分と固体部分との間
で行なう分離である。この分離が必要なのは反応器内の
これら部分に異なる滞留時間をもたらすためであり、そ
してこれは以下の理由のためである： １、脂肪酸産生のためにＰＨが低下する。、Ｈがあまり
に低くなると（ｐＨ＜５．５）、分解が止るので生じた
脂肪酸を絶えず取り除かねばならない。ＰＨをその最小
値より上に保つためには、１日当り数（約２）発酵器容
量の液体取り替えが必要である。

２、固体植物材料が、取り出される脂肪酸と共に運ばれ
てはならない、これが分解過程から取り除かれるからで
ある。

３、繊毛虫も一細に運ばれてはならない。それは、さも
ないと、繊毛虫が第一の相から急速に消失し分解過程に
悪影響を及ぼすからである。この液体取り替えの間のバ
クテリアの除去は、これら生物の迅速な増殖により自動
的に補償される。

実験室規模において、液体流と固体流との間の分離は、
濾過により、例えば孔径０．０３１１＋＋１を有する濾
過器を用いて行なわれる。大規模の場合は、他の分離方
式がより適当である。この目的に対しては、浮揚および
（または）沈降層の形成の結果として液体部分と固体部
分との間でしばしば自然に起こる分離を用いることがで
きる。

用いた植物材料が、このような分離が実現しないような
性質のものであるときは、遠心技術を用いるのが望まし
いかもしれない。

固体部分の滞留時間は、全体的分解されやすさに依存す
るが、１日から数日程度である。完全に分解される材料
の場合に−は残渣が生成せず、滞留時間は事実上分解時
間と等しい。材料が非分解性の部分も含む場合には、蓄
積を防ぐためこれを規則的間隔で発酵器から取り除かね
ばならない。

要約すると、第一の相は次の点により特徴づけられる。

１、微生物の構成。

ルーメン微生物およびとりわけ繊毛虫類がここでは植物
破片の分解に初めて使用される。

２、固体流と液体流との間の分離。液体流は固体流より
も相当に多い。

３、最適ＰＨは５．５〜７である。

４、最適温度は４０℃である。

５、Ｈ２とＣｏ２および（多分ホルメート）はメタン生
産に対する実質的に唯一の基質である。

ｂ、第二の相 前述したように、第一の相で生じた脂肪酸は、第二の相
でメタンとＣｏ２に変換するのがよい。これを行なうの
に種々な理由がある。

１、脂肪酸の取り出し後、流体を第一の相に再び通過さ
せることができ、従って閉鎖系を形成させる（第１図参
照）。先ず、これは緩衝能が回収されるのでコスト節約
の効果がある。しかし、その上全体的分解の効率に有利
な効果を有するのは、この方法において、バクテリアが
第一の相から除去されずに連続して第一の相に再循環さ
れるからである。

２、総メタン生産が２〜６のファクターだけ増す。

３、ＣＯＣ基準で清掃が高い。

第二の相に対し、現存の系を使用できる。流動化法方式
および上昇流嫌気的スラッジプランケラ）（ＵＡ８Ｂ）
方式がきわめて適当である。最初の系の原理はへイジネ
ン（Ｈｅ１ｊｎｅｎ　）、　Ｈ２Ｏ１（５。

２６６−２９９（１９８３）およびプロシーデングズ・
オプ・ず・ヨーロピアン・シンポジウム・オブ・アンエ
ーロ１ツク・ウェイスト・ウォーター・　トリートメン
ト、ＴＮＯコーボレート　コミュニケーション　デパー
トメント、ずヘイグ（Ｐｒｏｃｅｅｄｌｎｇｓ　ｏｆ　
ｔｈｅ　Ｅｕｒｏｐｅａｎ　ｓｙｍｐ０８ｉｕｍ　ｏｆ
Ａｎａｅｒｏｂｉｃ　Ｗａｓｔｅ　Ｗａｔｅｒ　Ｔｒｅ
ａｔｍｅｎｔ、　ＴＮＯＣ’ｏｒｐｏｒａｔｅ　Ｃｏｍ
ｍｕｎｌｃａｔｉｏｎ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ、　Ｔｈ
ｅＨａｇｕｅ）、　２５９−２７４　（１９８３）によ
り書記述されており、ＵＡＳＢ方式はレッチンガ（Ｌｅ
ｔｔｉｎｇａ　）等、アンエーロビック　ダイジェスタ
”ｚ　ン（Ａｎａｅｒｏｂｉｃ　Ｄ１４ｅｓｔ１ｏｎ　
）　（ディー、ニー。

スタッフオード、ビー、ジエイ、ホイートリーおよびデ
ィー、イー、フユーズ（Ｄ、Ａ、８ｔａｆｆｏｒｄ　。

Ｂ、Ｊ、Ｗｈｅａｔｌｙ　ａｎｄ　Ｄ、　Ｅ、　Ｈｕｇ
ｂｅｓ　）　、　ｆｍ）　、　Ｕｎｉｖ＋Ｃｏ１１’、
、カーディフ、ウェールズ、１６７−１８６゜（１９８
０）により開発され、詳細に記述された。

本発明方法の一つの重要な利点は、固体の滞留時間が比
較的短かく、４８時間程度であるのに対し、２０〜４０
１１９　ＣＯＣ／ｍ３．日という極端に高い負荷が可能
なこ七である。これは１０〜′５０日の滞留時間を必要
としファクター１０〜２０だけ低いＣＯＣ基準での負荷
を可能にする現存のバイオリアクターと比べて非常に有
利、である。

現存の二相系において、第一の相は加水分解および酸形
成機能だけを有し、一方最終的メタン形成は第二の相で
起こる。本発明繊毛生糸の第一の相においては、加水分
解と酸形成に加えて、はっきりしたメタン形成がある。

もう一つの顕著な特色は、あらゆる現存のメタン発酵方
式におけるように、この系の第一の相でメタン形成のた
めの前駆物質として使用されるのは酢酸ではなくてＨ２
ＯとＣＯ３であることである。

この相でメタン形成の原因となるのはとりわけルーメン
細菌メタノブレビバクター　ルミナンチウムである。今
夜するアセテートは第二の相だけにいる種々な他のメタ
ンバクテリアにより変換される。

メタン形成に関して第一の相と第二の相との本発明によ
る結合は独特である（水素系とアセテート系との結合）
。

現存の固体発酵系と比較してみると、ここに提出した方
式は滞留時間、負荷およびメタン収量に関して何倍も能
率的なことがわかる。短い滞留時間と組み合わさった高
い負荷に立脚すると、比較的小さいプラントを使用でき
る一方、高いメタン収量の結果として短い給料支払い期
間を実現できる。

本発明を下記の例により説明する。これらの例は、それ
ぞれ固体基質として草および紙パルプを使用して実験室
規模（’１．５７１で行なわれた実験に関する。記載の
実験は繊毛生糸だけの第一の相に関する。

例１ 基質：草８０％と穀類（からすむぎ、とりもろし、大豆
粉、小麦粉）の比で混合した乾燥草−穀類混合物。粒径
６鰭。細胞壁組成を第２図に示す。

用いた記号は次の意味をもつ： ＮＤＦ　＝全細胞壁フラクション （セルロース、ヘミセルロースオヨヒ リグニン　） ＡＤＦ−セルロースおよびリグニン ＨＣ−ヘミセルロース Ｃ＝セルロース Ｌ　−リグニン Ａｓ−無機不溶部分。

開始条件 下記実験はすべて同じ開始条件を用いて行なった。

微生物接種材として、０７５１の新しく採取したルーメ
ン液体（ルーメンフイステルをもつ羊から）を培養容器
に入れ、その後、その体積を緩衝液（炭酸塩／リン酸塩
、ｐＨ７，９）で１．５１とした。

短時間後にポンプを働かせた。このポンプは緩衝液を絶
えず供給し、そして濾液を取り出すもので、濾液からｏ
、ｏｓｍｍの濾過器を通って培養容器を出る。基質を１
日に２回供給し、均一な培養の取り出しはオーバーフロ
ーレベルから不連続的に行なった（３０秒に対し各３０
分）。

培養容器を熱水ジャケットにより４０’Ｏの温度に保っ
た。

系を１から２週間安定化した後（基質に対する微生物の
適合）、分解および他のパラメーター（ｐＨ１生物がス
産生、揮発性脂肪酸、繊毛生機）を測定した。

繊毛生糸の応用性に関する一つの重要な点は、微生物接
種材／反応器容稍の比が必ずしも１である必要はないと
いうことである。もしこの比が１：１００であれば、１
０日といった短期間後に、種々な微生物の平常濃度が培
養容器内に存在することが見出される。開始中の−っの
条件は、この場合に培養を酸素が″）辿断すべきである
ということである。

実験： Ｄ値（バットサイクル７日）で表わした培養容器の緩衝
液流は流体の滞留時間を決定するが、一方固体の滞留時
間は均一培養の放出から計算できる〔滞留時間（時間で
表わす）−パット容積／オーバーフロ一体積／時〕。

培養容器内に存在する繊毛虫の保持は、それらの寸法（
６０〜１５０μｍ）に立脚して、固体流に結びつけられ
、一方細菌は液体相および固体相両方と共に容器から出
る。

最初の実験は、培養体積１ノにつき草°（乾燥重量）２
０から２５９／日という負荷率および固体滞留時間２日
の場合に、良好な変換が達成されることを示した。

公知の分析法を用いて、補的細胞壁の種々なフラクショ
ンが分解される度合を測定した。第６図に示した上記実
験の結果は、加えたセルロースおよびヘミセルロースの
およそ８０％が分解されることを示した。第６図と関連
した一１生物ガス産生、繊毛虫濃度、および揮発性脂肪
酷の産生に関するデータは次の通りであった： 負荷率　２４９／１．日 ｐＨ６，５〜７．０ ＣＨ，産生量　１．２５１３／ｌ　０日ＣＨ４／　ＣＯ
２比　約１ 繊毛虫数　６０．１０３／ｌａ／ 揮発性脂肪酸産生Ｎ　６〜７り／１８日培養容器内に存
在する脂肪酸は、主としてアセテート、プルピオン酸お
よび酪酸であり、６：１：１（重量）の比で生じた。

同じＤ値と滞留時間で負荷率を草３５　ｇ／１３．日に
増加させたときも、依然としてセルロースおよびヘミセ
ルロースの約７５％が分解された。負荷率に関しては、
り乾燥重量の代りに、一層通用するＣＯＣ単位で読むこ
とができ、例えば１りの草は１りＣＯＣに相当する。

異なるＤ値で行なった実験は、緩衝液流の太きさと分解
との間に一つの関係があることを示した。

これら二つの間の関係は第４図に示しである。第４図は
、Ｄ値を１．２から２．２に増すと、種々な細胞壁構成
成分の分解が、はとんど２倍高くなることが判かること
を示している。

第５図に示したように、培養容器中の繊毛食散とＤ値と
の間に、実質的に匹敵しうる関係が見出される筈である
。

これら実験はすべて、同じ負荷率（３５９／１．日）お
よび固体滞留時間（６０時間）を用いて行なった。更に
、Ｄ値（２，０）および負荷率を一定レベルに保って、
異なる固体滞留時間を用いて実験を行なった。これら実
験の結果は、固体滞留時間の増加が分解パーセントの増
加につながることを示した。固体の取り出しを全く止め
ると、９０％またはそれ以上といった高い分解百分率で
さえ測定された。上記データに立脚して、固体材料の長
い滞留時間と組み合わせた高いＤ値は最良の結果に通じ
るであろう。これと関連して、固体の取り出しを完全に
止めることは不可能であり、さもないと非分解性あるい
は分解性に乏しい成分（リグニン、無機物質）が反応器
中に蓄積するであろうということに注目すべきである。

工業規模での反応器設定は、新しい材料と消費された材
料との間の分離を反応器で行なうことができるように、
取出される固形物の部分が分解性に乏しい成分に比較的
富むように設計するのがよい。

例２ 基質：製紙工場からの紙パルプ。

この廃棄物は無機物質（カオリンおよび白亜）約４０％
を含み、残りの６０％は主トしてセルロースである（第
６図参照）。

乾燥重量１ｇは０．７ｇＣ０Ｃに相当する。

開始条件：例１参照。

培養開始後最初の何日かの間に、草の供給物から紙パル
プへの緩徐な移行があり徐々な適合が可能になる。

どんな条件下で良好な分解と組み合わさった高い繊毛虫
濃度を実現できるかを草を用いた実験が示した後に、本
発明者等は基質に紙パルプを用いるように変えた。

この廃物は実質的にもっばら炭素源からなるので、外か
らの窒素および痕跡元素（微生物の発育に必須）を添加
する必要がある。ここに記載した実験において、これら
成分を緩衝液に加えるが、同時に本発明者等は少量の草
も追加した。実用的規模で、肥料または他の成分を窒素
源として使用することが考えられる。

紙パルプを用いた実験は、固体材料の非常に短い滞留時
間（６５時間）ときわめて高い負荷率（約６５９　ＣＯ
Ｃｌ２．日まで）においてさえも、非常に良好な分解効
率に達しうる（第７図）ことを示した。第７図に関連し
たデータは次の通りである：負荷率：パルゾ６４９／１
．日＝　４７９　ＣＯＣｌ２．日華１９．５　ｇ／１．
日＝　１９．５９　ｃｏｃ／４日６６．５りｃｏｃ／７
３０日 Ｄ　２．０バット容積／日 、８　６．４〜６．７ ＣＨ，産生量　１．５１／１０日より大ＣＭ、／ＣＯａ
比　約１ 繊毛生機　（１００〜１５０　）、　１０３／−／揮発
性脂肪酸産生量７．５ｇ／／、日より大また更に他の酸
および中性生成物を生じたこのような実験におけるセル
ロースおよびヘミセルロースに対する分解百分率は、そ
れぞれ７０％と８０％であった。

しかし固体滞留時間を延長すると、草の培養における先
の実験とは異なり、分解効率が著るしく減少することが
判った。これは多分培養容器中の無機フラクションの蓄
積の結果である。

滞留時間が長引くと、無機物質が培養１１当り１７５り
といった多くまで早く蓄積することが測定で示された。

基質として濾紙を用いる比較実験も行なった。濾紙は草
と似てほとんど無機物を含まない。この基質を用いて固
体滞留時間を延長すると、これもより良い分解をもたら
した。、固体の取り出しを全く止めたとき、濾紙（主と
してセルロース）の９０％より多くが分解された。

これらの結果から、紙パルプは、無機物質を選択的に取
り除くように注意を払う限り、非常に能率よく変換でき
、従って長い滞留時間でより高い分解百分率を実現でき
ると結論することができる。

濾紙または紙パルプを培養に加えると、繊毛虫類集団に
相当な移動がある。約７日後、優勢となった。これは草
を供給した培養とは著しく異なり、その場合にはエンド
ジニウムおよびエビジニウム種が優勢であった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の実施に用いる二相系を示しく１・
・・反応器、２・・・反応器、３．１０・・・反応物）
、第２図は基質細胞壁の組成を示し、第６図は細胞壁成
分の分解度合を示し、第４図は種々な希釈における緩衝
液流と分解の関係を示し、第５図は繊毛生機と希釈の関
係を示すグラフであり、第６図は基質紙パルプの組成を
示し、第７図は紙パルプの分解度合を示す。 代理人　浅　村　皓 覚らあ ＮＤＦ　＾ＯＦ　ＩＫ　ｌ：　Ｌ 手続補正書（自発） 昭和６０年　４月、ｒｓ 特許庁長官殿 １、事件の表示 昭和　６０年特許願第　４６３１９号 ２、発明の名称 固体植物材料からメタンを製造する方法３、補正をする
者 事件との関係　特許出願人 住　所 氏　名 （名　称）　スティックティング　ボーア　デ４、　代
理人　チク“３″　ウ１テア′ヤゝ′昭和　年　月　日 明細書の浄書（内容に変更なし）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　固体植物材料からのメタンの製造法において、
   固体植物材料を、反応器内で、少なくとも一つの繊毛型
   の種および少なくとも一つのメタンバクテリア棟を含む
   液体系と接触させ、そして反応器からメタ′ンおよびＣ
   Ｏ２含有ガスを取り出すことを特徴とする。上記方法。 （２）下記の繊毛虫種： １）ユージゾロジニウムマンギイ （Ｂｕｄｉｐｌｏｄｉｎｉｕｍ　ｍａｇｇｉｉ　）２）
   ジゾロジニウムデンタッム （Ｄｉｐｌｏｄｉｎｉｕｍ　ｄｅｎｔａｔｕｍ　）シン
   、ジゾロジニウムデンチキュラッムエフ。 アナカンタム（８ｙｎ、Ｄｉｐｌｏｄｉｎｌｕｍｄｅｎ
   ｔｉｃｕｌａｔｕｍ　ｆ、ｈｎａｃａｎｔｈｕｍ　）シ
   ン、Ｄ、デンチキュラツムエ７．モナカンタム３）エビ
   ジニウムエ力つダッム シン、エビジニウムエ力つダッムエフ、ハマｈａｍａｔ
   ｕｍ　） ４）エントジニウムシンプレタス （ｌｌｌｎｔｏｄｉｎｉｕｍ　ａｉｍｐｌｅｘ　）５）
   エントジニウムロンジヌデアッム ６）　エントジニウムヵウタゝツム （Ｅｎｔｏｄｉｎｉｕｍ　ｃａｕｄａｔｕｍ　）７）ダ
   シトリチャルミナンチウム ８）イソトリチャプロストーマ の少なくとも一つを用いることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の方法。 （３）少なくともメタンバクテリア権 メタノプレビパクタールミナンチウム を用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項または
   第２項に記載の方法。 （４）　液体系として反郭動物のルーメンまたは草食獣
   の盲腸からの流体（接種材）を用いることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項から第６項までのいずれか１項に
   記載の方法。 （ｓ）　ｐＨを５．５〜７の値に保つことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１項に
   記載の方法。 （６）温度を３５〜４５℃の値に保つことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項から第５項までのいずれか１項に
   記載の方法。 （γ）温度を約４０°Ｃに保つことを特徴とする特許請
   求の範囲第６項記載の方法。 （８）反応器から液体を連続的にまたは不連続的に取り
   出し、それをカルボン酸を含まない液体あるいはそのよ
   り低い割合で取り替えることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項から第７項までのいずれか１項に記載の方法。 （９）１日当り少なくとも２反応器容量の流体を取り出
   しそして取り替えることを特徴とする特許請求の範囲第
   ８項記載の方法。 （１０）反応器から取り出した流体を、別の反応器で、
   流体中に存在するカルボン酸を分解してメタンと００２
   を生成させる処理に付し、これを前記第二の反応器から
   取り出し、このように処理した流体を前記最初の反応器
   に再循環させるか、または取り除くことを特徴とする特
   許請求の範囲第８項または第９項記載の方法。 ０１）残存する非分解性または分解性に乏しい成分に富
   む固体残留物を１〜３日間の固体滞留時間後最初の反応
   器から取り出し、そして投棄するが、焼くか、または貴
   重な物質を採取するため、あるいは施肥に利用するかの
   いずれかを行なうことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項がら第１０項までのいずれか１項に記載の方法。