JPWO2003052112A1 - 水素生成細菌を利用した水素ガス生成方法 - Google Patents

Abstract

有機性廃棄物や排水中には、水素生成細菌とメタン生成細菌の両方が生息しており、これら細菌を含む有機性廃棄物や排水を基質として培養した場合、水素生成細菌により生成した水素はメタン生成細菌により消費される。本発明は、有機性廃棄物に含まれる胞子形成能のある水素生成細菌の活性を保ちながら水素資化性メタン生成細菌を低下させることを目的とした生物相の制御を熱処理によって達成する。即ち、本発明は、処理温度を６８〜９５℃とし、更に処理時間とｐＨとを調製することにより、有効に水素生成細菌を利用して水素ガスを生成させる方法を提供する。

Description

技術分野
本発明は、有機性廃棄物を特定条件で熱処理することにより水素生成細菌を効率的に利用して水素ガスを生成させる方法に関する。
従来技術
有機性廃棄物や排水中には多種にわたる雑菌が含まれている。このような有機性廃棄物や排水を処理するプロセスに混入している雑菌には、有益な微生物と悪影響をもたらす微生物の両方が含まれている。このため、従来は有機性廃棄物や排水を１３０〜１８０℃で高温処理して含まれる難分解性物質を可溶化していたが（「李玉友、野池達也（１９８９）、余剰活性汚泥の嫌気性消化に及ぼす前熱処理及び滞留時間の影響、水質汚濁研究、１２（２）、１１２−１２１」）、このように高温で処理するため有益な微生物が滅菌されたり、エネルギー消費が大きいといった欠点を有していた。
一方、このような雑菌に含まれる嫌気性細菌にはＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ属細菌の一部等の水素生成能を有する種類があり、単独で培養した場合、水素を活発に生成する。しかし、嫌気性の自然界には同時に水素資化性メタン生成細菌が存在するため、この細菌を含む下水汚泥や生ゴミといった有機性廃棄物を基質として培養した場合、生成した水素は消費されてメタンへと速やかに転換されるため、水素ガスの見かけ上の収率が低下する。従って、嫌気性非光合成細菌を利用した水素生産においては、水素資化性メタン生成細菌等の水素消費活性を低下させる対策が不可欠である。そのためクロロホルム等の阻害剤を添加して水素資化性メタン生成細菌を不活性化することにより水素生成能を高める方法が報告されているが、一般に長時間の運転によって阻害効果は低下することが知られており、また水素生成後の廃棄物に有害な阻害剤が残存することになり、効果的な方法は見出されていない。
発明が解決しようとする課題
有機性廃棄物や排水中に含まれる水素資化性メタン生成細菌等の悪影響をもたらす微生物を排除するために、ラボスケールでは１２１℃、２０分の加圧滅菌をするのが通常だが、この手法は実処理には有効ではない。本発明は、条件を管理された加熱処理することにより、有機性廃棄物や排水中に含まれている水素資化性メタン生成細菌等の水素消費活性のみを低下させ、嫌気性非光合成水素生成細菌を効果的に利用するための手段を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
通常微生物には温度特異性があり、約６０〜９０℃では大部分の微生物が不活性化する。しかし、胞子を形成している微生物は熱耐性が高いので、胞子形成能を備えた微生物を特異的に選択したい場合には特に有効であると考えられる。
本発明者らは、水素を生成する細菌である嫌気性非光合成細菌の一部が、このような胞子形成能を備えた微生物であって熱耐性が高いことに着目し、水素生成細菌のみを特異的に選択する条件を見出すことに成功した。
本発明は、有機性廃棄物に含まれる胞子形成能のある水素生成細菌の活性を保ちながら水素資化性メタン生成細菌を低下させることを目的とした生物相の制御を熱処理によって達成するものである。
このように、水素生成細菌だけを生かすことによって、エネルギー源であり化学プラントの原料でもある有用な水素ガスを有機性廃棄物を原料として生産することができるようになる。
本発明は、処理温度を６８〜９５℃とし、更に処理時間とｐＨとを調製することにより、有効に水素生成細菌を利用する方法を提供するものである。
処理温度については高いほど水素資化性メタン生成細菌を死滅させることができるため好ましいが、同時に水素生成細菌も死滅する程度が増すため、処理温度の範囲は６８〜９５℃が適当である。更に、ｐＨについては低いほど水素資化性メタン生成細菌を死滅させることができるため好ましいが、同時に水素生成細菌も死滅する程度が増すため、ｐＨの下限は３．７程度である。又処理時間については後述するが、処理時間が延びるほどエネルギー消費が増し好ましくないため、この観点より自ずから上限が設定される。
即ち、本発明は、有機性廃棄物や排水を、嫌気性条件下で、ｐＨと処理温度を表１のＡ〜Ｆのいずれかの条件で処理することにより水素生成細菌を利用して水素ガスを生成させる方法であって、該表１のＡ〜Ｃにおける処理時間を少なくとも１０分、Ｄ〜Ｆにおける処理時間を少なくとも６０分とする水素ガスを生成させる方法である。

この表１におけるＡ〜Ｃにおける処理時間は、それぞれ、好ましくは少なくとも３０分、より好ましくは６０分である。またＤ〜Ｆにおける処理時間は、それぞれ、好ましくは少なくとも９０分、より好ましくは少なくとも１２０分である。
このような処理温度、処理時間及びｐＨを組み合わせた嫌気性条件で有機性廃棄物や排水を処理することにより、水素資化性メタン生成細菌を不活性化させ、かつ水素生成細菌を活性化させることが可能になり、水素ガスを最大限に生成することが可能になる。
発明の実施の形態
本発明の方法の対象となる有機性廃棄物や排水としては、食品工場、微生物工場、石油工場、化学工場、薬品工場などの各種工場からの廃棄物や排水、農業廃棄物、糞尿、下水汚泥、溝汚泥など、有機物を含んだ全廃棄物や排水、更に湖沼底泥等が挙げられ、特に食品工場若しくは微生物工場からの廃棄物や排水、又は農業廃棄物、糞尿、下水汚泥、湖沼底沼若しくは溝汚泥が適する。水素生成細菌とメタン生成細菌は自然環境中に生息している細菌であり、これら有機性廃棄物にも生息しているものと考えられる。
本発明で活性のある水素生成細菌としてはＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ属細菌が好ましい。
Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ属細菌は、例えば、下表２に記載のものが挙げられる（ＩｎｑｒａｍＭ：ｉｎ ｔｈｅ Ｂａｃｔｅｒｉａｌ Ｓｐｏｒｅ（Ｇ．Ｗ．Ｇｏｕｌｄ Ａ．Ｈｕｒｓｔ ｅｄ．），ｐ５７７，Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，Ｌｏｎｄｏｎ）。表中、Ｄ値とは、その温度で耐えられる時間を表す。Ｄ値が８０℃以上でも大部分のＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ属細菌の胞子が耐えられることが分かる。

Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ属細菌には、水素生成能のない種も含まれており、更にＣｌ．ｂｏｔｕｌｉｎｕｍ、Ｃｌ．ｈｉｓｔｏｌｙｔｉｃｕｍ、Ｃｌ．ｐｅｒｆｒｉｎｇｅｎｓ等の病原性を有するため適当でない種もある。従って、本発明に用いることが適当なＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ属細菌は、Ｃｌ．ｔｈｅｒｍｏｓａｃｃｈａｒｏｌｙｔｉｃｕｍ、Ｃｌ．ｂｕｔｙｒｉｃｕｍ、Ｃｌ．ｐａｓｔｅｕｒｉａｎｕｍ等である。
Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ属細菌等の胞子形成細菌、高温細菌、中温細菌の一部以外の細菌は、約６０〜９０℃で失活するものと考えられる。
以下、実施例により本発明を例証するが、これらは本発明を制限することを意図したものではない。
実施例
熱処理用サンプルとして、下水汚泥の嫌気性消化槽より採取された嫌気性消化汚泥を約３ヶ月間室温で保存した汚泥を用いた。
この熱処理用サンプル２０ｍＬをバイアルビンに入れ、初期ｐＨを４．０から１０．０に調整した後、ウォーターバスを用いて６０、７０、８０及び９０℃でそれぞれ１０又は６０分間熱処理した。ここでｐＨは、１ＮのＨＣｌ溶液又は１ＮのＮａＯＨ溶液を熱処理用サンプル２０ｍＬの入ったバイアルビンに適量加えることで調製した。また１ＮのＨＣｌ溶液又は１ＮのＮａＯＨ溶液の量については、事前に、同一のサンプルの入ったバイアルビンにｐＨセンサーを装備して、これに１ＮのＨＣｌ溶液又は１ＮのＮａＯＨ溶液を加えて所望のｐＨを与える量とした。また熱処理時間は熱処理用サンプルが設定温度に到達してからの経過時間とした。
熱処理後は氷水中で急冷することにより、余熱による影響を抑えた。熱処理後のサンプルのｐＨを７．０に調整し、グルコースを炭素源とした滅菌済培地を６０ｍＬ加えた。この培地として表３に示すものを用い、この培地はオートクレーブ滅菌（１２１℃、２０分間）して用いた。その後、３５℃で４週間振とう培養した。

表３中のミネラル溶液^１）及びビタミン溶液^２）としてはそれぞれ表４及び表５ものもを用いた。

培地の作成、試料の希釈及び接種などあらゆる操作は嫌気的条件において行った。嫌気的操作には、Ｈｕｎｇａｔｅのガス噴射法を用い、噴射ガスには３３０℃還元銅カラムで脱酸素したＮ_２８０％＋ＣＯ_２２０％混合ガスを用いた。希釈水の組成は表６に示す。

また各細菌群の計数に用いた培地を表７に示す。

希釈水及び培地はオートクレーブを用いて、１２０℃で２０分間高圧蒸気滅菌した。ただし水素資化性メタン生成細菌の場合は、滅菌後気相部を０．２２μｍのメンブレンフィルターを通したＨ_２８０％＋ＣＯ_２２０％ガスで置換し１．５気圧に加圧した。
培養した全期間にわたってほぼ一定の時間間隔で、その期間にバイアルビンの気相部から発生したバイオガスの組成分析（水素及びメタンの割合）及びガス発生量を測定した。各期間のデータから各期間で発生した水素及びメタンのモル数を算出し、これを全実験期間（４週間）にわたって加算することで得られる総水素（メタン）ガス発生モル数と、バイアルビンに実験開始時に加えたグルコースのモル数との比を、水素収率（メタン収率）とした。
また細菌数の測定にはＭＰＮ法を用いた。即ち、試料１０ｍＬを希釈水９０ｍＬの入ったバイアルビンの中に接種し（この溶液は１０倍の試料になる）、同様な操作を繰り返すことによって１０^ｎ倍の試料を作成する。次に、各倍率で希釈された試料から細菌計数用培地の入っている試験管に滅菌済みディスポーザブルシリンジを用いて１ｍＬずつ分注する。ここで各希釈倍率の試料は試験管３本づつ接種する。接種した試験管は３６±１℃でメタン生成細菌の場合は４週間、水素生成細菌の場合は３日間培養する。培養後、試験管の気相部のガス組成を測定し、メタン又は水素の存在する試験管を陽性、存在しない試験管を陰性とした。ガス組成はガスクロマトグラフィを用いて測定した。得られた各希釈倍率の試料の陽性試験管数と下水試験方法のＭＰＮコード表（３−３−３法）を用いて水素生成細菌数及びメタン生成細菌数を求めた。
表８に、未処理汚泥及びｐＨを変化させて熱処理したサンプルの培養２８日後における水素及びメタン収率を示す。

ｐＨ５．５の場合、水素収率は７０及び８０℃で高い値を示したが９０℃では低下した。また、７０℃以上の熱処理でメタンはまったく生成されなかった。ｐＨ７．４の場合、水素収率は熱処理温度が７０及び８０℃のときに高い値となり、９０℃で６０分間熱処理した場合を除きメタン生成が観察された。ｐＨ８．５の場合、水素収率は８０℃で最大となった。メタン生成は全ての熱処理温度で観察された。
表９に、ｐＨ５．５、７．４及び８．５において６０、７０、８０及び９０℃で６０分間熱処理したサンプルの水素生成細菌、水素資化性メタン生成細菌の細菌数を示す。熱処理前のサンプルについても示した（表中「初期」と表す）。

ｐＨ５．５の場合、熱処理温度が８０℃以下では水素生成細菌数はほぼ一定であったが、９０℃では１００分の１に減少した。ｐＨ７．４の場合、６０及び７０℃では水素生成細菌数に大きな違いは見られなかったが、８０℃では約２０分の１、９０℃では６００分の１程度まで低下した。ｐＨ８．５の場合、熱処理温度が６０、７０、８０、９０℃と上昇するにつれ、水素生成細菌数は段階的に減少した。また、熱処理温度が７０℃になるとｐＨが低くなるにつれて水素資化性メタン生成細菌数の減少率が大きくなった。いずれのｐＨにおいても熱処理温度が８０℃以上では水素資化性メタン生成細菌は死滅あるいは著しく減少した。水素資化性メタン生成細菌は酸性よりもアルカリ性で耐熱性があるという結果は表１で示した熱処理時のｐＨが低いときメタン収率が低下することは一致した。
以上から、本発明に従って処理温度、処理時間及びｐＨを組み合わせた嫌気性条件で熱処理を行うことにより微生物相を水素生成に適したものに制御できることが示された。

Claims (5)

1. 有機性廃棄物や排水を、嫌気性条件下で、ｐＨと処理温度を表１のＡ〜Ｆのいずれかの条件で処理することにより水素生成細菌を利用して水素ガスを生成させる方法であって、該表１のＡ〜Ｃにおける処理時間を少なくとも１０分、Ｄ〜Ｆにおける処理時間を少なくとも６０分とする水素ガスを生成させる方法。
   

   
2. 前記表１中、Ａ〜Ｃの少なくとも一つにおける処理時間を少なくとも３０分、Ｄ〜Ｆの少なくとも一つにおける処理時間を少なくとも９０分とする請求項１に記載の方法。
3. 前記表１中、Ａ〜Ｃの少なくとも一つにおける処理時間を少なくとも６０分、Ｄ〜Ｆの少なくとも一つにおける処理時間を少なくとも１２０分とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記水素生成細菌がＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ属細菌である求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記有機性廃棄物や排水が、食品工場若しくは微生物工場からの廃棄物や排水、又は農業廃棄物、糞尿、下水汚泥、湖沼底沼若しくは溝汚泥である請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。