WO2023136104A1 - メタン生成システム及びメタン生成方法 - Google Patents

メタン生成システム及びメタン生成方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2023136104A1
WO2023136104A1 PCT/JP2022/047701 JP2022047701W WO2023136104A1 WO 2023136104 A1 WO2023136104 A1 WO 2023136104A1 JP 2022047701 W JP2022047701 W JP 2022047701W WO 2023136104 A1 WO2023136104 A1 WO 2023136104A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
liquid
liquid component
component
solid
section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2022/047701
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
浩介 石井
雅治 山下
三香子 北野
智美 矢島
慎一 坂井
昭彦 小杉
綾香 鵜家
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IHI Corp
Japan International Research Center for Agricultural Sciences JIRCAS
Original Assignee
IHI Corp
Japan International Research Center for Agricultural Sciences JIRCAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IHI Corp, Japan International Research Center for Agricultural Sciences JIRCAS filed Critical IHI Corp
Priority to AU2022433034A priority Critical patent/AU2022433034B2/en
Priority to JP2023539092A priority patent/JP7432910B2/ja
Priority to CN202280077588.3A priority patent/CN118284702A/zh
Publication of WO2023136104A1 publication Critical patent/WO2023136104A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09B—DISPOSAL OF SOLID WASTE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B09B3/00—Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless
    • B09B3/30—Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless involving mechanical treatment
    • B09B3/35—Shredding, crushing or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09B—DISPOSAL OF SOLID WASTE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B09B3/00—Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless
    • B09B3/60—Biochemical treatment, e.g. by using enzymes
    • B09B3/65—Anaerobic treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P5/00—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons
    • C12P5/02—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons acyclic
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the present disclosure relates to a methane production system and a methane production method.
  • bioalcohol as a biofuel by fermenting monosaccharides obtained by hydrolyzing cellulose and hemicellulose in biomass with microorganisms.
  • Patent Document 1 discloses a method for producing sugar, which includes a step of wet pulverizing herbaceous biomass, a step of contacting the pulverized biomass with a basic compound, and a step of enzymatically saccharifying the alkali-treated biomass. . Moreover, Patent Document 1 discloses that alcohol can be produced by fermenting sugar.
  • biomass is saccharified with enzymes.
  • common enzymes are expensive.
  • saccharification treatment using saccharifying bacteria instead of enzymes.
  • microorganisms such as yeast and to use simple sugars as substrates for alcoholic fermentation. Therefore, when saccharifying bacteria are used, monosaccharides produced from biomass are decomposed by the saccharifying bacteria, which may reduce the amount of substrate for alcoholic fermentation. Therefore, when a saccharifying solution is produced using saccharifying bacteria, the amount of alcohol recovered from biomass and used as biofuel may decrease.
  • methane is used not only as a biofuel but also as a raw material for various chemical syntheses.
  • an object of the present disclosure is to provide a methane production system and a methane production method capable of efficiently producing methane from lignocellulose biomass using microorganisms.
  • the methane production system includes an alkali treatment unit that contacts lignocellulose biomass and an alkali solution to generate an alkali treatment solution containing a first solid component and a first liquid component, and A saccharification unit that decomposes at least one of lignocellulose biomass-derived cellulose and hemicellulose contained in the saccharification unit to generate a saccharification solution containing a second liquid component; An acid generator that generates an organic acid from the mixed liquid containing the organic acid, and a methane generator that generates methane from the organic acid using methanogenic bacteria.
  • the biogas produced by saccharification bacteria may be supplied to the methane production unit.
  • the methanation system comprises a first solid-liquid separation section for separating the alkaline treated liquid into a first solid component and a first liquid component, the first solid component being supplied to the saccharification section and the first liquid component being supplied to the acid generation section. may be supplied to
  • the first solid-liquid separation section includes a first screen and a first ejection section for ejecting the alkali-treated liquid to the first screen. may be separated as a first solid component.
  • the methanation system may include a grinding section for grinding the lignocellulose biomass, and the alkali treatment section may bring the lignocellulose biomass ground in the grinding section into contact with the alkaline liquid to generate the alkaline treated liquid. .
  • the methane production system includes a second solid-liquid separation section that separates the saccharification liquid into a second solid component and a second liquid component, the second solid component being supplied to at least one of the grinding section and the saccharification section, A second liquid component may be supplied to the acid generator.
  • the second solid-liquid separation section includes a second screen and a second ejection section for ejecting the saccharified liquid onto the second screen.
  • the remaining solid component may be separated as a second solid component.
  • the acid generator mixes the first liquid component and the second liquid component to generate a mixed liquid, and saccharifies at least one selected from the group consisting of cellulose, hemicellulose, and oligosaccharide contained in the first liquid component.
  • a mixing part that is decomposed by the saccharifying bacteria flowing from the mixing part, and a containing part that contains the acid-producing bacteria and generates an organic acid from the mixed liquid supplied from the mixing part.
  • the acid-producing section is disposed between a first flow path through which the first liquid component passes, a second flow path through which the second liquid component passes, and between the first flow path and the second flow path.
  • a container for generating an organic acid from a mixed liquid produced by mixing the first liquid component supplied from the first channel and the second liquid component supplied from the second channel may contain
  • the biogas produced by acid-producing bacteria may be supplied to the methanogenic part.
  • the lignocellulose biomass may contain food waste.
  • the methane production method includes the steps of contacting lignocellulose biomass with an alkaline solution to produce an alkaline-treated solution containing a first solid component and a first liquid component, and a step of decomposing at least one of cellulose and hemicellulose derived from lignocellulose biomass to produce a saccharified solution containing a second liquid component; and a mixed solution containing the first liquid component and the second liquid component by acidogenic bacteria. and producing methane from the organic acid with a methanogen.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a methane production system according to one embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a first solid-liquid separation section or a second solid-liquid separation section according to one embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an acid generator according to one embodiment.
  • the methane production system 1 includes a grinding section 10, an alkali treatment section 20, a first solid-liquid separation section 30, a saccharification section 40, and a second solid-liquid separation section. 50 , an acid generator 60 , a methane generator 70 and an aerobic processor 80 .
  • solid lines indicate liquid channels through which liquid components flow
  • dashed lines indicate solid channels through which solid components flow
  • dashed lines indicate gas channels through which gas components flow.
  • the grinding section 10 grinds the lignocellulose biomass.
  • the vascular bundles and soft tissue of the lignocellulose biomass can be destroyed.
  • the processing efficiency of the lignocellulose biomass can be improved in the steps subsequent to the grinding unit 10 .
  • the shape of the lignocellulose biomass before being treated in the grinding unit 10 may be, for example, powdery, particulate, fibrous, chip-like, plate-like or flake-like.
  • Lignocellulose biomass is biomass containing lignocellulose.
  • Lignocellulose contains at least one selected from the group consisting of cellulose, hemicellulose and lignin.
  • the lignocellulose biomass may contain at least one selected from the group consisting of plant biomass, its processed products and waste.
  • Vegetation biomass may include at least one of herbaceous biomass and woody biomass.
  • Herbaceous biomass may contain at least one selected from the group consisting of oil palm, rice, wheat, banana, sugar cane, corn, cassava, sago palm, nipa palm, yam, sorghum and potato.
  • the woody biomass may contain at least one selected from the group consisting of cedar, cypress, pine, eucalyptus and beech.
  • the lignocellulose biomass may contain food waste. Some food waste is incinerated or landfilled, but by using it as biomass, it is possible to reduce garbage and effectively use resources.
  • Food waste may include industrial waste, municipal waste, and mixtures thereof.
  • Municipal waste may include commercial municipal waste, domestic municipal waste, and mixtures thereof.
  • Industrial waste refers to non-edible items that are secondarily obtained during the process of manufacturing, processing or cooking food. Examples of industrial waste include food waste from food processing plants.
  • Business-related general waste means food waste generated by businesses that is discarded after the food has been used for human consumption or before it has been used for human consumption. Examples of general commercial waste include food waste from restaurants. Household general waste means food waste generated from households that is discarded after the food has been used for food or without being used for food.
  • Household general waste includes food waste such as food waste from households.
  • the food waste may contain at least one selected from the group consisting of beer lees, tea lees, coffee husks, soybean lees, rice bran, squeezed fruit lees, and squeezed vegetable lees. .
  • the grinding section 10 may include a wet grinder or a dry grinder.
  • a wet grinder When the grinding unit 10 is a wet grinder, lignocellulose biomass can be efficiently pulverized. Especially when the lignocellulosic biomass contains food waste, the food waste can be efficiently reduced further.
  • the grinding section 10 may contain a whetstone.
  • the material of the grindstone may be a non-porous grindstone.
  • the grinding unit 10 may include a stone mill grinder. Stone grinders can finely grind lignocellulosic biomass. In addition, a stone grinder can be operated with low power compared to equipment such as a ball mill.
  • the grinding section 10 may be a wet stone mill grinder.
  • the grindstone may include an upper grinder and a lower grinder. The upper grinder and the lower grinder are arranged to face each other across a clearance, and one of the upper grinder and the lower grinder may be rotatably provided.
  • the upper grinder and the lower grinder may have an annular shape with an opening in the center.
  • the lignocellulose biomass When the lignocellulose biomass is supplied from the opening in the center of the ring, the lignocellulose biomass is ground within the clearance by the rotation of at least one of the upper grinder and the lower grinder, and is ground from the outer peripheral edge side of the ring as ground material. may be discharged.
  • the set value for the clearance of the wet millstone grinder may be -200 ⁇ m to +100 ⁇ m.
  • the particle size can be reduced while suppressing a decrease in the processing speed of lignocellulose biomass.
  • the rotation speed of the wet stone mill may be 1500 rpm to 2500 rpm. Even when the rotation speed is within such a range, the particle size can be reduced while suppressing a decrease in the processing speed of lignocellulose biomass.
  • the average particle size of the lignocellulose biomass after grinding may be 12 ⁇ m or less, or may be 11 ⁇ m or less.
  • the average particle size of the lignocellulosic biomass after milling may be 1 ⁇ m or more.
  • the average particle size is a number-based median size measured by a laser diffraction scattering method.
  • the alkali treatment unit 20 brings the lignocellulose biomass into contact with an alkali solution to generate an alkali treatment solution.
  • the alkali treatment section 20 brings the lignocellulose biomass ground in the grinding section 10 into contact with the alkaline liquid to generate the alkaline processing liquid.
  • the contact between the lignocellulose biomass and the alkaline solution causes the proteins and lipids of the lignocellulose biomass to dissolve in the alkaline solution. Therefore, the cellulose and hemicellulose in the lignocellulose biomass are exposed, and the enzymes produced by the saccharifying bacteria in the saccharifying section 40 can easily access the cellulose and hemicellulose.
  • the decomposition efficiency of cellulose and hemicellulose can be improved.
  • food waste often contains large amounts of proteins and lipids, and access to cellulose and hemicellulose by enzymes is highly likely to be inhibited. Therefore, alkali treatment is considered to be highly effective.
  • the sterilization effect of the alkali solution can suppress the decay of the lignocellulose biomass.
  • contamination of the saccharification section 40 with germs can be suppressed.
  • food waste often contains a large amount of proteins and lipids, so that the bactericidal effect of the alkaline solution has a high degree of contribution.
  • the alkaline liquid is at least selected from the group consisting of alkali metal hydroxides, alkali metal carbonates, alkali metal hydrogen carbonates, alkaline earth metal hydroxides, alkaline earth metal carbonates and ammonia.
  • One may be a dissolved aqueous solution.
  • the alkali metal may be sodium or potassium.
  • the alkaline earth metal may be calcium or magnesium.
  • the alkaline solution is preferably an aqueous sodium hydroxide solution.
  • the content of sodium hydroxide in the alkaline solution may be 0.045 g to 0.20 g per 1 g of dry solid content of lignocellulosic biomass.
  • Alkali may be added so that the dry solids content of the lignocellulosic biomass is between 1% and 5% by weight.
  • the alkali treatment which is the contact between the lignocellulose biomass and the alkaline liquid, may be carried out by immersing the lignocellulose biomass in the alkaline liquid or pouring the alkaline liquid over the lignocellulose biomass.
  • the temperature of the alkali treatment may be 60°C to 80°C. When the alkali treatment temperature is within such a temperature range, protein and lipid dissolution and sterilization can be performed simultaneously.
  • the alkali treatment time may be 12 hours or more and 20 hours or less. By setting the alkali treatment time to 12 hours or longer, the undissolved protein and lipid can be reduced. Also, by setting the alkali treatment time to 20 hours or less, the treatment cost for the protein and lipid dissolution rate can be reduced.
  • the reaction temperature of the alkali treatment is 60° C. or more, and the alkali treatment time is continuously 12 hours or more.
  • the alkaline treatment liquid contains a first solid component and a first liquid component.
  • the lignocellulose biomass is brought into contact with the alkaline liquid, so that the proteins and lipids in the lignocellulose biomass are dissolved in the alkaline liquid. Therefore, the first solid component contains at least one of cellulose and hemicellulose. Also, the first liquid component contains at least one of protein and lipid. Furthermore, the first liquid component contains at least one of monosaccharides and oligosaccharides.
  • the alkali-treated liquid generated in the alkali treatment section 20 is supplied to the first solid-liquid separation section 30 .
  • the first solid-liquid separation section 30 separates the alkali-treated liquid into a first solid component and a first liquid component.
  • the separation method by the first solid-liquid separation unit 30 is not particularly limited, and the first solid component and the first liquid component may be separated by a centrifugal separation method, a sedimentation method, or the like.
  • a centrifugal separation method a large amount of power is required to drive the apparatus, and there is a possibility that the driving cost will be high.
  • the precipitation method using a sedimentation tank when the particle size of the solid component is small or when the ionization repulsion between the particles of the solid component is large, the solid component is difficult to precipitate, and solid-liquid separation cannot be performed efficiently.
  • the first solid-liquid separator 30 may use a screen to separate the first solid component and the first liquid component.
  • the first solid-liquid separation section 30 may include a first screen 31 and a first ejection section 32 for ejecting the alkaline treatment liquid onto the first screen 31, as shown in FIG.
  • the first solid-liquid separation section 30 may separate the liquid component that has passed through the first screen 31 as the first liquid component and the solid component remaining on the first screen 31 as the first solid component.
  • the alkaline treatment liquid is ejected onto the first screen 31 to separate solid and liquid, so compared to the centrifugal separation method and the sedimentation method, the driving cost is reduced and the treatment efficiency is increased. be able to.
  • the first ejection part 32 may be arranged at the first end, which is one end of the first screen 31 . Also, the first jetting section 32 may be provided so as to jet the alkaline treatment liquid substantially parallel to the plane of the first screen 31 at the first end.
  • the first screen 31 may be flat, but curved in an arc. With such a configuration, when the first ejection section 32 ejects the alkaline treatment liquid toward the first screen 31, the solid component remains on the first screen 31 as indicated by the dashed line and flows down, while the liquid component is indicated by the solid line. It passes through the first screen 31 as shown. Therefore, the first solid component and the first liquid component can be separated more efficiently.
  • the first screen 31 may include a plurality of wires, and the wires extending linearly in one direction may be arranged in arcs perpendicular to the one direction, and may be arranged with a plurality of holes or slits interposed therebetween. .
  • the wire may be a metal wedge wire having a wedge-shaped cross section when viewed in the extending direction.
  • the hole diameter or slit width of the first screen 31 may be 5 ⁇ m to 100 ⁇ m. When the pore diameter or slit width is 5 ⁇ m or more, clogging is less likely to occur, and the processing speed of solid-liquid separation is high.
  • the pore diameter or slit width may be 20 ⁇ m or more. Moreover, when the pore diameter or slit width is 100 ⁇ m or less, most of the cellulose and hemicellulose can be supplied to the saccharification section 40, so that the lignocellulose biomass can be effectively used.
  • the pore diameter or slit width may be 75 ⁇ m or less.
  • the slit width means the width of the portion where the distance between adjacent wires is the smallest. Also, the pore diameter means the diameter at which the size of the line segment passing through the center is the smallest.
  • the first ejection part 32 may include a nozzle, and the alkaline treatment liquid may be ejected from the nozzle toward the first screen 31 at high pressure.
  • the ejection pressure of the alkaline treatment liquid from the first ejection part 32 may be 0.2 MPa or more and 0.3 MPa or less.
  • the methane production system 1 may have a single first solid-liquid separation section 30 or may have a plurality of first solid-liquid separation sections 30 .
  • the hole diameter or slit width of the first screen 31 on the first stage among the plurality of first solid-liquid separation units 30 may be larger than the hole diameter or slit width of the first screen 31 on the second stage. .
  • the separation efficiency of the alkaline treatment liquid can be improved.
  • the hole diameter or slit width of the first screen 31 on the first stage may be 75 ⁇ m
  • the hole diameter or slit width of the first screen 31 on the second stage may be 40 ⁇ m.
  • the first liquid component separated by the first solid-liquid separation section 30 is supplied to the acid generation section 60 .
  • the first liquid component contains simple sugars, proteins and lipids. These can be used as substrates when acid-producing bacteria produce organic acids.
  • the first solid component separated by the first solid-liquid separation section 30 is supplied to the saccharification section 40 .
  • the first solid component contains at least one of cellulose and hemicellulose. Therefore, when the first solid component is supplied to the saccharification section 40, at least one of cellulose and hemicellulose can be decomposed in the saccharification section 40 to produce a saccharified liquid.
  • the first solid component also contains lignin.
  • Water may be added to the first solid component separated by the first solid-liquid separation unit 30 to generate a diluted liquid.
  • An acid such as hydrochloric acid is added to the diluent to neutralize it to a pH suitable for processing in the saccharifying section 40 .
  • the dry solids content of the first solid component in the diluent may be 1 wt % or more and 4 wt % or less.
  • the dry solids content may be 1.5% or more by weight. Also, the dry solids content may be 2.5% by weight or less.
  • the saccharifying unit 40 decomposes at least one of lignocellulose biomass-derived cellulose and hemicellulose contained in the first solid component by saccharifying bacteria to produce a saccharified liquid.
  • Saccharifying bacteria secrete enzymes that degrade at least one of cellulose and hemicellulose. Therefore, by performing saccharification treatment using saccharifying bacteria, it is possible to produce a saccharified solution without saccharifying using an expensive commercially available enzyme.
  • At least one of cellulose and hemicellulose is degraded by the secreted enzyme to produce a saccharified solution containing at least one of monosaccharides and oligosaccharides in which 2 to 10 monosaccharides are bound.
  • Monosaccharides may include at least one of pentose and hexose.
  • the saccharifying bacteria may be a single strain, or may be a bacterial group containing multiple strains. Strains include strains belonging to the genus Paenibacillus. Such strains are particularly suitable for saccharification of food waste.
  • the culture temperature for this strain is preferably medium temperature or higher, more preferably 40° C. or higher and 50° C. or lower.
  • the culture period in the saccharification section 40 may be two days or longer.
  • the saccharifying bacteria may contain anaerobic cellulose-degrading bacteria in addition to strains belonging to the genus Paenibacillus. It is preferable that the anaerobic cellulolytic bacteria can be cultured at the same culture temperature as the strain.
  • Examples of such anaerobic cellulose-degrading bacteria include Ruminiclostridium josui, Ruminiclostridium cellulolyticum, Ruminiclostridium herbifermentans, Ruminiclostridium papyrosolvens, Acetivibrio clariflavus etc.
  • Saccharifying bacteria can grow using sugars that decompose cellulose and hemicellulose. If the saccharified liquid containing the saccharifying bacteria is not drawn out at a speed higher than the growth rate of the saccharifying bacteria, the cell concentration in the saccharifying section 40 can be maintained without adding new saccharifying bacteria. Therefore, saccharification treatment can be continuously performed at a lower cost than when using a commercially available enzyme. In addition, commercially available enzymes may be degraded by proteolytic enzymes produced by bacteria. On the other hand, when saccharification treatment is performed using saccharifying bacteria, the saccharifying bacteria can suppress the increase of various bacteria.
  • saccharifying bacteria may decompose monosaccharides and generate organic acids.
  • alcohol fermentation it is necessary to use a monosaccharide as a substrate, but the methane production system 1 according to this embodiment produces methane.
  • Organic acids can be substrates for methane fermentation. Therefore, even if monosaccharides are decomposed by saccharifying bacteria to produce organic acids, methane can be produced.
  • the saccharified liquid produced by the saccharifying bacteria contains a second solid component and a second liquid component.
  • the second solid component contains cellulose, hemicellulose, protein and lipid left undissolved in the saccharification solution.
  • the second liquid component contains at least one of monosaccharide and oligosaccharide.
  • the saccharified liquid produced in the saccharification section 40 is supplied to the second solid-liquid separation section 50 .
  • the second solid-liquid separation section 50 separates the saccharified liquid into a second solid component and a second liquid component.
  • the configuration of the second solid-liquid separation section 50 may be the same as that of the first solid-liquid separation section 30 . That is, the second solid-liquid separation section 50 may separate the second solid component and the second liquid component by a centrifugal separation method, a sedimentation method, or a separation method using a screen.
  • the second solid-liquid separation section 50 may include a second screen 51 and a second ejection section 52 for ejecting the saccharified liquid to the second screen 51, as shown in FIG.
  • the second solid-liquid separation section 50 may separate the liquid component that has passed through the second screen 51 as the second liquid component and the solid component remaining on the second screen 51 as the second solid component.
  • the saccharified liquid is ejected onto the second screen 51 for solid-liquid separation, so compared to the centrifugal separation method and the sedimentation method, the driving cost can be reduced and the sedimentation efficiency can be increased. can be done.
  • the second solid-liquid separation section 50 can employ the same one as the first solid-liquid separation section 30 . Therefore, the second screen 51 and the second ejection part 52 can employ the same ones as the first screen 31 and the first ejection part 32, respectively.
  • the second liquid component may contain a solid component with a small particle size.
  • the saccharification bacteria grown in the saccharification section 40 may be separated into the second liquid component as suspended solids.
  • the saccharifying bacteria dissolve and are decomposed by acidogenic bacteria or methanogenic bacteria.
  • proteins and lipids that remain as suspended substances without being dissolved in the alkaline solution are also degraded by acid-producing bacteria. Therefore, the movement of the second liquid component containing suspended solids to the acid generator 60 leads to an increase in methanation efficiency.
  • the residue of completely solubilized cellulose contains a large amount of lignin, so it may be used as a raw material for bioplastics.
  • the second solid component may be supplied to at least one of the grinding section 10 and the saccharification section 40.
  • the cellulose and hemicellulose that have not been completely decomposed in the saccharification unit 40 are ground again, and the crystallinity is lowered, so further saccharification in the saccharification unit 40 can be expected.
  • the second solid component may be reused by converting it into animal feed or the like, may be incinerated to recover thermal energy, or may be disposed of by landfilling or the like. Since the second solid component contains a large amount of lignin, it may be used as a raw material for bioplastics. Meanwhile, the second liquid component is supplied to the acid generator 60 .
  • the acid-producing section 60 produces an organic acid from a liquid mixture containing the first liquid component and the second liquid component contained in the saccharified liquid by acid-producing bacteria.
  • the first liquid component contains oligosaccharides, proteins, and lipids dissolved in the alkaline liquid in the alkaline processing section 20 .
  • the first liquid component may contain suspended matter that remains as small fine particles without being dissolved in the alkaline liquid.
  • the second liquid component may contain oligosaccharides without decomposing cellulose and hemicellulose into monosaccharides. Oligosaccharides, proteins, and lipids contained in the first liquid component and the second liquid component may not be sufficiently decomposed by methanogens alone.
  • acid-producing bacteria can use oligosaccharides, proteins and lipids to produce organic acids through anaerobic fermentation.
  • an organic acid that serves as a substrate for methane fermentation in the acid generation unit 60 By generating an organic acid that serves as a substrate for methane fermentation in the acid generation unit 60, the amount of methane generated in the methane generation unit 70 can be increased.
  • proteins and lipids are less likely to be oxidized to carbon dioxide by acid-producing bacteria, and are less likely to be excessively decomposed. Therefore, the target organic acid can be supplied to the methane generation unit 70, and the amount of methane generated in the methane generation unit 70 can be improved.
  • the acid generator 60 may include a first flow path 61, a second flow path 62, a mixing section 63, and a storage section 64.
  • the first channel 61 is connected to the alkali treatment section 20 via the first solid-liquid separation section 30 .
  • the first liquid component passes through the first channel 61 .
  • the second channel 62 is connected to the saccharification section 40 via the second solid-liquid separation section 50 .
  • the second liquid component passes through second flow path 62 .
  • the mixing section 63 mixes the first liquid component supplied from the first channel 61 and the second liquid component supplied from the second channel 62 to generate a mixed liquid.
  • the alkali-treated liquid passing through the first flow path 61 has a high pH because it has been treated with the alkali liquid.
  • the saccharified liquid passing through the second flow path 62 has a low pH due to the acidic substances produced by the saccharifying bacteria. Therefore, by mixing the first liquid component and the second liquid component in the mixing section 63, the pH can be adjusted without adding an excessive amount of the pH adjuster. This makes it possible to reduce the amount of alkali neutralization treatment, thereby reducing the environmental load.
  • the mixing section 63 has a stirring section, and the first liquid component and the second liquid component may be stirred by the stirring section.
  • the mixed solution is not particularly limited as long as it has a pH suitable for acid-producing bacteria, and may be neutral or pH 6-8.
  • a pH adjuster is not necessary when the mixture becomes neutral simply by mixing the first liquid component and the second liquid component.
  • the pH adjuster may be hydrochloric acid or acidic industrial wastewater.
  • the retention time of the liquid mixture in the mixing section 63 may be 1 day or more and 5 days or less.
  • the liquid mixture generated in the mixing section 63 is supplied to the storage section 64 .
  • the storage unit 64 stores acid-producing bacteria.
  • the acid-producing bacteria may contain multiple bacterial groups.
  • the temperature inside the housing portion 64 may be any temperature suitable for acid-producing bacteria, and may be, for example, 30° C. or higher and 40° C. or lower.
  • the culture period is not particularly limited, but may be 1 day or more and 3 days or less.
  • the storage unit 64 has a stirring unit, and the mixed liquid supplied from the mixing unit 63 may be stirred by the stirring unit.
  • the acid generation section 60 may include a mixing section 63 and a storage section 64 .
  • the mixing unit 63 mixes the first liquid component and the second liquid component to generate a mixed liquid, and saccharifies at least one selected from the group consisting of cellulose, hemicellulose, and oligosaccharide contained in the first liquid component. It may be decomposed by saccharifying bacteria flowing from the unit 40 .
  • the storage unit 64 stores acid-producing bacteria and generates an organic acid from the mixed liquid supplied from the mixing unit 63 .
  • the first liquid component may contain oligosaccharides that have not been decomposed into monosaccharides.
  • the first liquid component may also contain a portion of cellulose and hemicellulose dissolved in the alkaline liquid.
  • the second liquid component may contain saccharifying bacteria. Saccharifying bacteria can degrade not only cellulose and hemicellulose, but also oligosaccharides. Therefore, by mixing the first liquid component and the second liquid component in the mixing unit 63, the saccharifying bacteria contained in the second liquid component decompose the cellulose, hemicellulose, and oligosaccharides contained in the first liquid component. be able to. Degraded low molecular weight substances can be used as substrates or nutrients for acidogenic or methanogenic bacteria. Therefore, the temperature of the mixing section 63 is preferably a temperature suitable for saccharifying bacteria, and may be, for example, 40° C. or higher and 50° C. or lower.
  • the acid generator 60 may also include a first channel 61 through which the first liquid component passes and a second channel 62 through which the second liquid component passes.
  • the acid generator 60 is disposed between the first flow path 61 and the second flow path 62, contains acid-producing bacteria, and contains the first liquid component supplied from the first flow path 61 and the second flow path.
  • a container 64 may be included that generates an organic acid from a mixed liquid produced by mixing with the second liquid component supplied from 62 .
  • the storage portion 64 By arranging the storage portion 64 between the first flow path 61 and the second flow path 62, the first liquid component flowing through the first flow path 61 and the second liquid component flowing through the second flow path 62 are separated. , heat-exchanges with the liquid mixture in the storage section 64 . Therefore, the liquid mixture in the storage section 64 can be heated by the first liquid component flowing in the first flow path 61 and the second liquid component flowing in the second flow path 62 . For example, when the temperature of the first liquid component is 70.degree. C. and the temperature of the second liquid component is 45.degree.
  • the accommodating portion 64 By arranging the accommodating portion 64 between the first channel 61 and the second channel 62, the temperature for culturing the acid-producing bacteria is optimized, so that the energy required for heating can be reduced.
  • a part of the first channel 61 and the second channel 62 may be formed by the outer wall of the acid generator 60 .
  • the temperature of at least one of the first liquid component passing through the first channel 61 and the second liquid component passing through the second channel 62 may be higher than the optimum temperature of the acid-producing bacteria. Therefore, by forming a part of the first channel 61 and the second channel 62 with the outer wall of the acid generator 60, the first liquid component flowing in the first channel 61 and the second liquid component flowing in the second channel 62 are formed.
  • the second liquid component can be heat exchanged with the air outside the acid generator 60 . Thereby, the first liquid component flowing in the first channel 61 and the second liquid component flowing in the second channel 62 can be efficiently cooled.
  • the methane production unit 70 produces methane from organic acids using methanogens.
  • the methane obtained in the methane production unit 70 can be used as an energy source for power plants, boilers, and the like.
  • methane production system 1 since methane is produced in the methane production section 70, there is no need to concentrate fermented alcohol in a distillation column like bioalcohol. Therefore, lignocellulose biomass can be effectively utilized with less energy.
  • the methane generation unit 70 discharges biogas containing methane.
  • the produced methane can be recovered and used as a biofuel derived from lignocellulosic biomass. Methane can also be used as a raw material for various chemical syntheses.
  • the liquid component is also discharged from the methane generation unit 70 . Since acid-producing bacteria are contained in the liquid component discharged from the methanator 70 , at least part of the liquid discharged from the methanator 70 may be transferred to the storage section 64 of the acid generator 60 . By inoculating the acid-producing bacteria in the housing portion 64, the production of organic acid can be promoted.
  • the methanogens may include thermophilic methanogens that are active at high temperatures such as 50°C to 60°C, and include mesophilic methanogens that are active at intermediate temperatures such as 35°C to 38°C. You can stay. When using thermophilic methanogens, the methane fermentation time can be shortened. When low-temperature methane bacteria are used, the temperature required for heating the fermenter can be reduced.
  • the biogas produced by the saccharification bacteria may be supplied to the methane production unit 70 .
  • the first solid component supplied to the saccharification unit 40 contains proteins and lipids that remain undissolved in the alkaline solution.
  • proteins and lipids are decomposed under anaerobic conditions to generate biogas containing at least one of organic acid and hydrogen. Volatilization of organic acids causes odor. Therefore, by supplying the biogas generated in the saccharification section 40 to the methane generation section 70, the organic acid is not directly released into the atmosphere, so that the odor can be suppressed.
  • Methanogens can also produce methane from organic acids, hydrogen and carbon dioxide. Therefore, by supplying the biogas produced in the saccharification unit 40 to the methane production unit 70, the recovery rate of methane can be improved.
  • the biogas generated by acid-producing bacteria may be supplied to the methane-producing unit 70 .
  • the biogas may be supplied to the methane production section 70 through the gas flow path, and the liquid containing the organic acid produced in the acid production section 60 may be supplied to the methane production section 70 through the liquid flow path.
  • the mixture in the acid generator 60 contains proteins and lipids. Acidogenic bacteria also degrade proteins and lipids to produce biogas containing organic acids, hydrogen and carbon dioxide. Therefore, by supplying the biogas generated in the acid generator 60 to the methane generator 70, the organic acid is not directly released into the atmosphere, so that odor can be suppressed. Methanogens can also produce methane from organic acids, hydrogen and carbon dioxide. Therefore, by supplying the biogas generated in the acid generator 60 to the methane generator 70, the recovery rate of methane can be improved.
  • the biogas supplied from at least one of the saccharification section 40 and the acid generation section 60 may be introduced from the lower portion of the methane generation section 70 by aeration.
  • the biogas dissolves in the liquid mixture.
  • the organic acid, hydrogen and carbon dioxide dissolved in the mixture are consumed by methanogens to produce methane.
  • the organic acids, hydrogen and carbon dioxide in the mixed liquid are consumed by methanogens and the concentration becomes low, so even if the biogas continues to be aerated through the mixed liquid, the biogas can continue to dissolve in the mixed liquid. .
  • Methane fermentation using hydrogen is performed by a reaction such as 4H 2 +CO 2 ⁇ CH 4 +2H 2 O, for example. Therefore, the alkali concentration of the alkali solution may be lowered in the alkali treatment section 20 to suppress the dissolution of proteins and lipids. As a result, the amount of protein and lipid decomposed in the saccharification unit 40 increases, and the amount of hydrogen produced in the saccharification unit 40 and supplied to the methane production unit 70 can be increased. Also, carbon dioxide may be supplied to the methane generation unit 70 . Thereby, the conversion efficiency of methane generated from hydrogen can be improved. The carbon dioxide supplied to the methane production unit 70 may be, for example, fossil fuel-derived carbon dioxide. Thereby, the amount of carbon dioxide released into the atmosphere can be reduced.
  • Carbon dioxide is generated in methane fermentation using organic acids. Therefore, at least part of the gas containing carbon dioxide emitted from the methane production unit 70 may be supplied to the methane production unit 70 . Thereby, carbon dioxide and hydrogen can be reacted to produce methane. Therefore, it is possible to reduce the amount of carbon dioxide discharged into the atmosphere from the methane production unit 70 and increase the amount of methane production.
  • the aerobic treatment unit 80 uses aerobic microorganisms and can treat liquid components discharged from the methanation unit 70 by a known activated sludge treatment method. As a result, organic matter remaining in the liquid component can be decomposed into carbon dioxide, water, and the like, and can be discharged into rivers, the sea, and the like. The aerobic treatment unit 80 may not be provided when the liquid component discharged from the methane generation unit 70 is discharged into sewage.
  • the grinding unit 10, the alkali treatment unit 20, the first solid-liquid separation unit 30, the saccharification unit 40, the second solid-liquid separation unit 50, the acid generation unit 60, and the methane generation unit 70 supply and discharge raw materials, respectively. may be repeated as one unit, or may be a continuous method in which the steps are continuously performed at the same time.
  • the methane production system 1 includes the alkali treatment section 20, the saccharification section 40, the acid production section 60, and the methane production section 70.
  • the alkali treatment unit 20 brings the lignocellulose biomass into contact with an alkali solution to produce an alkali treatment solution containing a first solid component and a first liquid component.
  • the saccharifying unit 40 decomposes at least one of lignocellulose biomass-derived cellulose and hemicellulose contained in the first solid component by saccharifying bacteria to produce a saccharified liquid containing the second liquid component.
  • the acid generator 60 generates an organic acid from a mixture containing the first liquid component and the second liquid component by acid-producing bacteria.
  • the methane production unit 70 produces methane from organic acids using methanogens.
  • the methane production method includes a step of bringing lignocellulose biomass and an alkaline solution into contact with each other to produce an alkaline treatment solution containing a first solid component and a first liquid component.
  • the method includes the step of decomposing at least one of lignocellulosic biomass-derived cellulose and hemicellulose contained in the first solid component with saccharifying bacteria to produce a saccharified solution containing the second liquid component.
  • the method includes generating an organic acid from a mixture containing a first liquid component and a second liquid component by an acid-producing bacterium.
  • the method includes producing methane from organic acids by methanogens.
  • the alkali treatment unit 20 monosaccharides, proteins and lipids in the lignocellulose biomass are dissolved in the alkali solution. Therefore, the enzymes produced by the saccharifying bacteria can easily access cellulose and hemicellulose, and the decomposition efficiency of cellulose and hemicellulose is improved.
  • the monosaccharides, proteins and lipids contained in the first liquid component and the second liquid component can serve as substrates for acid-producing bacteria.
  • acidogenic bacteria and methanogenic bacteria can also use low-molecular-weight substances, which are monosaccharides decomposed by saccharifying bacteria, as substrates. Therefore, lignocellulose biomass can be effectively used to produce methane. Therefore, according to the methane production system 1 and the methane production method according to the present embodiment, methane can be efficiently produced from lignocellulose biomass using microorganisms.
  • This disclosure addresses the United Nations-led Sustainable Development Goals (SDGs) Goal 7 “Ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern energy for all” and Goal 12 “Sustainable Securing possible forms of production and consumption” can contribute.
  • SDGs Sustainable Development Goals

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

メタン生成システム（１）は、リグノセルロースバイオマスとアルカリ液とを接触させて第１固体成分と第１液体成分とを含むアルカリ処理液を生成するアルカリ処理部（２０）と、糖化菌によってアルカリ処理液に含まれるリグノセルロースバイオマス由来のセルロース及びヘミセルロースの少なくともいずれか一方を分解して第２液体成分を含む糖化液を生成する糖化部（４０）と、酸生成菌によって第１液体成分と第２液体成分とを含む混合液から有機酸を生成する酸生成部（６０）と、メタン生成菌によって有機酸からメタンを生成するメタン生成部（７０）と、を備える。

Description

メタン生成システム及びメタン生成方法
　本開示は、メタン生成システム及びメタン生成方法に関する。
　近年、大気中の二酸化炭素濃度の上昇を抑制するため、天然ガスのような化石資源に代え、バイオマスのような再生可能エネルギーの利用が促進されている。また、バイオマス中のセルロース及びヘミセルロースを加水分解して得られた単糖を微生物により発酵させることでバイオ燃料としてバイオアルコールを生成する方法が知られている。
　特許文献１には、草本バイオマスを湿式粉砕する工程と、粉砕処理バイオマスを塩基性化合物と接触させる工程と、アルカリ処理バイオマスを酵素により糖化処理する工程とを有する糖の製造方法が開示されている。また、特許文献１には、糖を発酵させることによりアルコールを製造できることが開示されている。
特開第２０１５－７０８２２号公報
　従来の方法では、バイオマスを酵素により糖化処理している。しかしながら、一般的な酵素は高価である。一方、酵素に代え、糖化菌を用いて糖化処理を実施することも考えられる。しかしながら、アルコールを生成する場合には、酵母などの微生物を用い、単糖をアルコール発酵の基質として用いる必要がある。そのため、糖化菌を用いる場合、バイオマスから生成された単糖が糖化菌によって分解されてしまい、アルコール発酵の基質の量が少なくなってしまうおそれがある。そのため、糖化菌を用いて糖化液を生成した場合には、バイオマスから回収されるバイオ燃料としてのアルコールの生成量が少なくなるおそれがある。一方、メタンは、バイオ燃料の他、種々の化学合成の原料としても用いられている。
　そこで、本開示は、微生物を利用してリグノセルロースバイオマスから効率的にメタンを生成することが可能なメタン生成システム及びメタン生成方法を提供することを目的とする。
　本開示に係るメタン生成システムは、リグノセルロースバイオマスとアルカリ液とを接触させて第１固体成分と第１液体成分とを含むアルカリ処理液を生成するアルカリ処理部と、糖化菌によって第１固体成分に含まれるリグノセルロースバイオマス由来のセルロース及びヘミセルロースの少なくともいずれか一方を分解して第２液体成分を含む糖化液を生成する糖化部と、酸生成菌によって第１液体成分と第２液体成分とを含む混合液から有機酸を生成する酸生成部と、メタン生成菌によって有機酸からメタンを生成するメタン生成部と、を備える。
　メタン生成部には糖化菌によって生成されたバイオガスが供給されてもよい。
　メタン生成システムは、アルカリ処理液を第１固体成分と第１液体成分とに分離する第１固液分離部を備え、第１固体成分は糖化部に供給され、第１液体成分は酸生成部に供給されてもよい。
　第１固液分離部は、第１スクリーンと、アルカリ処理液を第１スクリーンに噴出する第１噴出部とを含み、第１スクリーンを透過した液体成分を第１液体成分とし、第１スクリーン上に残った固体成分を第１固体成分として分離してもよい。
　メタン生成システムは、リグノセルロースバイオマスを摩砕する摩砕部を備え、アルカリ処理部は摩砕部で摩砕されたリグノセルロースバイオマスとアルカリ液とを接触させてアルカリ処理液を生成してもよい。
　メタン生成システムは、糖化液を第２固体成分と第２液体成分とに分離する第２固液分離部を備え、第２固体成分は摩砕部及び糖化部の少なくともいずれか一方に供給され、第２液体成分は酸生成部に供給されてもよい。
　第２固液分離部は、第２スクリーンと、糖化液を第２スクリーンに噴出する第２噴出部とを含み、第２スクリーンを透過した液体成分を第２液体成分とし、第２スクリーン上に残った固体成分を第２固体成分として分離してもよい。
　酸生成部は、第１液体成分と第２液体成分とを混合して混合液を生成し、第１液体成分に含まれるセルロース、ヘミセルロース及びオリゴ糖からなる群より選択される少なくとも１つを糖化部から流れてきた糖化菌によって分解する混合部と、酸生成菌を収容し、混合部から供給された混合液から有機酸を生成する収容部と、を含んでいてもよい。
　酸生成部は、第１液体成分が通過する第１流路と、第２液体成分が通過する第２流路と、第１流路と第２流路との間に配置され、酸生成菌を収容し、第１流路から供給された第１液体成分と、第２流路から供給された第２液体成分とが混合して生成された混合液から有機酸を生成する収容部と、を含んでいてもよい。
　メタン生成部には酸生成菌によって生成されたバイオガスが供給されてもよい。
　リグノセルロースバイオマスは食品廃棄物を含んでいてもよい。
　本開示に係るメタン生成方法は、リグノセルロースバイオマスとアルカリ液とを接触させて第１固体成分と第１液体成分とを含むアルカリ処理液を生成する工程と、糖化菌によって第１固体成分に含まれるリグノセルロースバイオマス由来のセルロース及びヘミセルロースの少なくともいずれか一方を分解して第２液体成分を含む糖化液を生成する工程と、酸生成菌によって第１液体成分と第２液体成分とを含む混合液から有機酸を生成する工程と、メタン生成菌によって有機酸からメタンを生成する工程と、を含む。
　本開示によれば、微生物を利用してリグノセルロースバイオマスから効率的にメタンを生成することが可能なメタン生成システム及びメタン生成方法を提供することができる。
図１は、一実施形態に係るメタン生成システムを示す概略図である。 図２は、一実施形態に係る第１固液分離部又は第２固液分離部を示す概略図である。 図３は、一実施形態に係る酸生成部を示す概略図である。
　以下、いくつかの例示的な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
　図１に示すように、本実施形態に係るメタン生成システム１は、摩砕部１０と、アルカリ処理部２０と、第１固液分離部３０と、糖化部４０と、第２固液分離部５０と、酸生成部６０と、メタン生成部７０と、好気処理部８０とを備えている。なお、図１で示す実線は液体成分が流れる液体流路を示し、一点鎖線は固体成分が流れる固体流路を示し、破線は気体成分が流れるガス流路を示している。
　摩砕部１０はリグノセルロースバイオマスを摩砕する。摩砕部１０でリグノセルロースバイオマスを摩砕することにより、リグノセルロースバイオマスの維管束及び柔組織を破壊することができる。これにより、摩砕部１０より後の工程において、リグノセルロースバイオマスの処理効率を向上させることができる。摩砕部１０で処理する前のリグノセルロースバイオマスの形状は、例えば、粉末状、粒子状、繊維状、チップ状、板状又はフレーク状であってもよい。
　リグノセルロースバイオマスは、リグノセルロースを含むバイオマスである。リグノセルロースは、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンからなる群より選択される少なくとも一種を含んでいる。リグノセルロースバイオマスは、草木バイオマス、その加工物及び廃棄物からなる群より選択される少なくとも一種を含んでいてもよい。草木バイオマスは、草本バイオマス及び木本バイオマスの少なくともいずれか一方を含んでいてもよい。草本バイオマスは、オイルパーム、イネ、ムギ、バナナ、サトウキビ、トウモロコシ、キャッサバ、サゴ椰子、ニッパ椰子、ヤムイモ、ソルガム及び馬鈴薯からなる群より選択される少なくとも一種を含んでいてもよい。木本バイオマスは、スギ、ヒノキ、マツ、ユーカリ及びブナからなる群より選択される少なくとも一種を含んでいてもよい。
　リグノセルロースバイオマスは食品廃棄物を含んでいてもよい。食品廃棄物の一部は、焼却及び埋め立てにより処理されているが、バイオマスとして利用することでゴミを減らし、資源を有効利用することができる。食品廃棄物は、産業廃棄物、一般廃棄物、及びこれらの混合物を含んでいてもよい。一般廃棄物は、事業系一般廃棄物、家庭系一般廃棄物、及びこれらの混合物を含んでいてもよい。産業廃棄物は、食品の製造、加工又は調理の過程において副次的に得られた物品のうち食用に供することができないものを意味する。産業廃棄物の例としては、食品加工工場から出る食品廃棄物が挙げられる。事業系一般廃棄物は、事業から出る食品廃棄物のうち、食品が食用に供された後に、又は食用に供されずに廃棄されたものを意味する。事業系一般廃棄物の例としては、レストランから出る食品廃棄物などが挙げられる。家庭系一般廃棄物は、家庭から出る食品廃棄物のうち、食品が食用に供された後に、又は食用に供されずに廃棄されたものを意味する。家庭系一般廃棄物は、家庭から出る生ごみなどの食品廃棄物が挙げられる。食品廃棄物は、具体的には、ビール麦粕、茶滓、コーヒー殻、大豆粕、糠、果物の絞り滓、及び野菜の絞り滓からなる群より選択される少なくとも一種を含んでいてもよい。
　摩砕部１０は湿式摩砕機を含んでいてもよく、乾式摩砕機を含んでいてもよい。摩砕部１０が湿式摩砕機である場合、リグノセルロースバイオマスを効率よく微細化することができる。特に、リグノセルロースバイオマスが食品廃棄物を含む場合、食品廃棄物を効率よくさらに小さくすることができる。
　摩砕部１０は砥石を含んでいてもよい。砥石の材質は無気孔砥石であってもよい。摩砕部１０は、石臼式摩砕機を含んでいてもよい。石臼式摩砕機は、リグノセルロースバイオマスを微細に摩砕することができる。また、石臼式摩砕機は、例えばボールミルのような機器と比較し、低い動力で機動させることができる。摩砕部１０は、湿式石臼式摩砕機であってもよい。砥石は、上部グラインダと、下部グラインダとを含んでいてもよい。上部グラインダと下部グラインダとはクリアランスを挟んで対向して配置されており、上部グラインダ及び下部グラインダのいずれか一方は回転可能に設けられていてもよい。上部グラインダ及び下部グラインダは中央部に開口部を有した円環形状をしていてもよい。リグノセルロースバイオマスが円環中央の開口部から供給されると、リグノセルロースバイオマスは上部グラインダ及び下部グラインダの少なくともいずれか一方の回転によってクリアランス内で摩砕されながら、円環の外周縁側から摩砕物として排出されてもよい。
　湿式石臼式摩砕機のクリアランスの設定値は－２００μｍ～＋１００μｍであってもよい。クリアランスの設定値がこのような範囲であると、リグノセルロースバイオマスの処理速度の低下を抑制しつつ粒子径を小さくすることができる。また、湿式石臼式摩砕機の回転速度は１５００ｒｐｍ～２５００ｒｐｍであってもよい。回転速度がこのような範囲である場合も、リグノセルロースバイオマスの処理速度の低下を抑制しつつ粒子径を小さくすることができる。摩砕後のリグノセルロースバイオマスの平均粒子径は１２μｍ以下であってもよく、１１μｍ以下であってもよい。摩砕後のリグノセルロースバイオマスの平均粒子径は１μｍ以上であってもよい。なお、平均粒子径はレーザー回折散乱法で測定した個数基準のメジアン径である。
　アルカリ処理部２０はリグノセルロースバイオマスとアルカリ液とを接触させてアルカリ処理液を生成する。本実施形態においては、アルカリ処理部２０は摩砕部１０で摩砕されたリグノセルロースバイオマスとアルカリ液とを接触させてアルカリ処理液を生成している。リグノセルロースバイオマスとアルカリ液とが接触することにより、リグノセルロースバイオマスのタンパク質及び脂質がアルカリ液に溶解する。そのため、リグノセルロースバイオマス中のセルロース及びヘミセルロースが露出し、糖化部４０において糖化菌によって生成された酵素がセルロース及びヘミセルロースへアクセスしやすくなる。その結果、セルロース及びヘミセルロースの分解効率を向上させることができる。特に、食品廃棄物は、タンパク質及び脂質を多く含んでいる場合が多く、酵素によるセルロース及びヘミセルロースへのアクセスが阻害されているおそれが高いため、アルカリ処理による効果が大きいと考えられる。
　また、アルカリ処理を糖化処理の前に実施することにより、アルカリ液の殺菌効果により、リグノセルロースバイオマスが腐敗するのを抑制することができる。これにより、糖化部４０が雑菌により汚染されるのを抑制することができる。特に、食品廃棄物は、タンパク質及び脂質を多く含んでいる場合が多いため、アルカリ液による殺菌効果の寄与度が高くなる。アルカリ液での殺菌により、リグノセルロースバイオマスの性状を保ち、安定した糖化処理を実施することができる。
　アルカリ液は、アルカリ金属の水酸化物、アルカリ金属の炭酸塩、アルカリ金属の炭酸水素塩、アルカリ土類金属の水酸化物、アルカリ土類金属の炭酸塩及びアンモニアからなる群より選択される少なくとも１つが溶解した水溶液であってもよい。アルカリ金属はナトリウム又はカリウムであってもよい。アルカリ土類金属はカルシウム又はマグネシウムであってもよい。これらの中でも、アルカリ液は水酸化ナトリウム水溶液であることが好ましい。アルカリ液中の水酸化ナトリウムの含有量は、リグノセルロースバイオマスの乾燥固形分１ｇに対して０．０４５ｇ～０．２０ｇであってもよい。リグノセルロースバイオマスの乾燥固形分が１重量％～５重量％となるようにアルカリ液を添加してもよい。
　リグノセルロースバイオマスとアルカリ液との接触であるアルカリ処理は、リグノセルロースバイオマスをアルカリ液に浸漬させてもよく、リグノセルロースバイオマスにアルカリ液を掛け流してもよい。アルカリ処理の温度は６０℃～８０℃であってもよい。アルカリ処理温度がこのような温度範囲である場合、タンパク質及び脂質の溶解並びに殺菌を同時に行うことができる。アルカリ処理の時間は１２時間以上２０時間以下であってもよい。アルカリ処理時間を１２時間以上とすることで、タンパク質及び脂質の溶け残りを低減することができる。また、アルカリ処理時間を２０時間以下とすることにより、タンパク質及び脂質の溶解速度に対する処理コストを低減することができる。なお、アルカリ処理の反応温度は６０℃以上であり、かつ、アルカリ処理時間は連続して１２時間以上であることが好ましい。このような条件でアルカリ処理を実施することにより、アルカリ液に対して耐性を持つ芽胞形成菌の殺菌を促進することができる。
　アルカリ処理液は第１固体成分と第１液体成分とを含んでいる。アルカリ処理部２０では、リグノセルロースバイオマスとアルカリ液との接触により、アルカリ液にリグノセルロースバイオマス中のタンパク質及び脂質が溶解する。そのため、第１固体成分は、セルロース及びヘミセルロースの少なくともいずれか一方を含んでいる。また、第１液体成分は、タンパク質及び脂質の少なくともいずれか一方を含んでいる。さらに、第１液体成分は、単糖及びオリゴ糖の少なくともいずれか一方を含んでいる。アルカリ処理部２０で生成されたアルカリ処理液は第１固液分離部３０へ供給される。
　第１固液分離部３０はアルカリ処理液を第１固体成分と第１液体成分とに分離する。第１固液分離部３０による分離方法は特に限定されず、遠心分離法又は沈殿法などによって第１固体成分と第１液体成分とを分離してもよい。ただし、遠心分離法では、装置を駆動するために必要な動力が大きく、駆動コストが高くなるおそれがある。また、沈殿槽を用いた沈殿法では、固体成分の粒子径が小さい場合又は固体成分の粒子間の電離反発が大きい場合に固体成分が沈殿しにくく、効率的に固液分離することができない場合がある。また、第１液体成分が糖分を多く含んでいる場合、第１液体成分の粘度が高くなり、第１固体成分が沈殿しにくくなる場合もある。したがって、第１固液分離部３０はスクリーンを用いて第１固体成分と第１液体成分とを分離してもよい。
　第１固液分離部３０は、図２に示すように、第１スクリーン３１と、アルカリ処理液を第１スクリーン３１に噴出する第１噴出部３２とを含んでいてもよい。第１固液分離部３０は、第１スクリーン３１を透過した液体成分を第１液体成分とし、第１スクリーン３１上に残った固体成分を第１固体成分として分離してもよい。第１スクリーン３１を用いた分離法では、第１スクリーン３１にアルカリ処理液を噴出して固液分離するため、遠心分離法及び沈殿法と比較し、駆動コストを低減し、処理効率を高くすることができる。
　第１噴出部３２は第１スクリーン３１の一端である第１端に配置されていてもよい。また、第１噴出部３２はアルカリ処理液を第１端における第１スクリーン３１の平面と略平行に噴出するように設けられていてもよい。
　第１スクリーン３１は、平板状でもよいが、弧状に湾曲している。このような構成により、第１噴出部３２がアルカリ処理液を第１スクリーン３１に向けて噴出すると、固体成分が一点鎖線で示すように第１スクリーン３１上に残って流れ落ち、液体成分が実線で示すように第１スクリーン３１を透過する。そのため、第１固体成分と第１液体成分とをより効率的に分離することができる。第１スクリーン３１は複数のワイヤーを含んでいてもよく、一方向に直線状に延びるワイヤーが一方向とは垂直方向に弧状に並び、それぞれ複数の孔又はスリットを挟んで配置されていてもよい。ワイヤーは、延在方向から見た断面が楔型をした金属製のウェッジワイヤーであってもよい。
　第１スクリーン３１の孔径又はスリット幅は５μｍ～１００μｍであってもよい。孔径又はスリット幅が５μｍ以上である場合、目詰まりが生じにくく、固液分離の処理速度が高い。孔径又はスリット幅は２０μｍ以上であってもよい。また、孔径又はスリット幅が１００μｍ以下である場合、セルロース及びヘミセルロースの多くを糖化部４０へ供給することができるため、リグノセルロースバイオマスを有効利用することができる。孔径又はスリット幅は７５μｍ以下であってもよい。なお、スリット幅は、隣接するワイヤーの間隔が最も小さい部分の幅を意味する。また、孔径は、中心を通る線分の大きさが最も小さくなる直径を意味する。
　第１噴出部３２はノズルを含んでいてもよく、アルカリ処理液をノズルから第１スクリーン３１に向かって高圧で噴出してもよい。第１噴出部３２によるアルカリ処理液の吐出圧力は０．２ＭＰａ以上０．３ＭＰａ以下であってもよい。
　メタン生成システム１は、単一の第１固液分離部３０を備えていてもよく、複数の第１固液分離部３０を備えていてもよい。この場合、複数の第１固液分離部３０のうち、１段目の第１スクリーン３１の孔径又はスリット幅を、２段目の第１スクリーン３１の孔径又はスリット幅よりも大きくしてもよい。これにより、アルカリ処理液の分離効率を向上させることができる。例えば、１段目の第１スクリーン３１の孔径又はスリット幅を７５μｍとし、２段目の第１スクリーン３１の孔径又はスリット幅を４０μｍとしてもよい。
　第１固液分離部３０で分離された第１液体成分は酸生成部６０に供給される。第１液体成分は、単糖、タンパク質及び脂質を含んでいる。これらは、酸生成菌が有機酸を生成する際の基質とすることができる。一方、第１固液分離部３０で分離された第１固体成分は糖化部４０に供給される。第１固体成分は、セルロース及びヘミセルロースの少なくともいずれか一方を含んでいる。そのため、第１固体成分が糖化部４０に供給されることにより、糖化部４０でセルロース及びヘミセルロースの少なくともいずれか一方が分解されて糖化液を生成することができる。また、第１固体成分はリグニンも含んでいる。
　第１固液分離部３０で分離された第１固体成分には水が加えられて希釈液が生成されてもよい。希釈液には、塩酸などの酸が加えられ、糖化部４０での処理に適したｐＨに中和される。希釈液における第１固体成分の乾燥固形分含有量は１重量％以上４重量％以下であってもよい。乾燥固形分含有量は１．５重量％以上であってもよい。また、乾燥固形分含有量は２．５重量％以下であってもよい。
　糖化部４０は糖化菌によって第１固体成分に含まれるリグノセルロースバイオマス由来のセルロース及びヘミセルロースの少なくともいずれか一方を分解して糖化液を生成する。糖化菌は、セルロース及びヘミセルロースの少なくともいずれか一方を分解する酵素を分泌する。そのため、糖化菌を用いて糖化処理を実施することにより、高価な市販の酵素を用いて糖化しなくて糖化液を生成することができる。セルロース及びヘミセルロースの少なくともいずれか一方は、分泌された酵素により分解され、単糖及び２～１０の単糖が結合したオリゴ糖の少なくともいずれか一方を含む糖化液が生成される。単糖は五炭糖及び六炭糖の少なくともいずれか一方を含んでいてもよい。
　糖化菌は、菌株単独であってもよく、複数種の菌株を含む菌群であってもよい。菌株としては、Ｐａｅｎｉｂａｃｉｌｌｕｓ属の菌株が挙げられる。このような菌株は、食品廃棄物の糖化に特に適している。この菌株の培養温度は、中温以上であることが好ましく、４０℃以上５０℃以下であることがより好ましい。糖化部４０内での培養期間は２日以上であってもよい。糖化菌は、Ｐａｅｎｉｂａｃｉｌｌｕｓ属の菌株に加え、嫌気性セルロース分解菌を含んでいてもよい。嫌気性セルロース分解菌は、当該菌株と同様の培養温度で培養できることが好ましい。このような嫌気性セルロース分解菌としては、Ｒｕｍｉｎｉｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ　ｊｏｓｕｉ、Ｒｕｍｉｎｉｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ　ｃｅｌｌｕｌｏｌｙｔｉｃｕｍ、Ｒｕｍｉｎｉｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ　ｈｅｒｂｉｆｅｒｍｅｎｔａｎｓ、Ｒｕｍｉｎｉｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ　ｐａｐｙｒｏｓｏｌｖｅｎｓ、Ａｃｅｔｉｖｉｂｒｉｏ　ｃｌａｒｉｆｌａｖｕｓ等が挙げられる。
　糖化菌はセルロース及びヘミセルロースを分解した糖を用いて増殖することができる。糖化菌の増殖速度以上で糖化菌を含む糖化液を引き抜かれなければ、糖化菌を新たに追加投入しなくても、糖化部４０内の菌体濃度を維持することができる。したがって、市販の酵素を用いた場合と比較し、低いコストで継続的に糖化処理することができる。また、市販の酵素は雑菌が生成するタンパク質分解酵素によって分解されるおそれがある。一方、糖化菌を用いて糖化処理する場合には、糖化菌が雑菌の増加を抑制することができる。そのため、市販の酵素を用いる場合と比較し、糖化菌を用いて糖化する場合には、雑菌の混入を低減するための設備費用を低減することができる。特に、糖化菌の培養温度を中温以上とする場合には、自然界に多く存在する雑菌の増殖を抑えることができるため、コンタミネーションのリスクをさらに下げることができる。
　また、糖化菌は、単糖を分解し、有機酸を生成する場合がある。アルコール発酵の場合には、単糖を基質とする必要があるが、本実施形態に係るメタン生成システム１では、メタンを生成する。有機酸はメタン発酵の基質とすることができる。そのため、糖化菌によって単糖が分解されて有機酸が生成されても、メタンを生成することができる。
　糖化菌によって生成された糖化液は、第２固体成分と第２液体成分とを含んでいる。第２固体成分は、糖化液に溶け残ったセルロース、ヘミセルロース、タンパク質及び脂質を含んでいる。第２液体成分は、単糖及びオリゴ糖の少なくともいずれか一方を含んでいる。糖化部４０で生成された糖化液は、第２固液分離部５０へ供給される。
　第２固液分離部５０は糖化液を第２固体成分と第２液体成分とに分離する。第２固液分離部５０の構成は第１固液分離部３０と同様の構成であってもよい。すなわち、第２固液分離部５０は、遠心分離法、沈殿法、スクリーンを用いた分離法によって第２固体成分と第２液体成分とを分離してもよい。
　また、第２固液分離部５０は、図２に示すように、第２スクリーン５１と、糖化液を第２スクリーン５１に噴出する第２噴出部５２とを含んでいてもよい。第２固液分離部５０は、第２スクリーン５１を透過した液体成分を第２液体成分とし、第２スクリーン５１上に残った固体成分を第２固体成分として分離してもよい。第２スクリーン５１を用いた分離法では、第２スクリーン５１に糖化液を噴出して固液分離するため、遠心分離法及び沈殿法と比較し、駆動コストを低減し、沈殿効率を高くすることができる。第２固液分離部５０は第１固液分離部３０と同様のものを採用することができる。したがって、第２スクリーン５１及び第２噴出部５２は第１スクリーン３１及び第１噴出部３２とそれぞれ同様のものを採用することができる。
　なお、第２液体成分には、小さい粒子径を有する固体成分が含まれていてもよい。特に、糖化部４０で増殖した糖化菌が数μｍであると、懸濁物質として第２液体成分に分離される場合がある。しかしながら、温度の低下などにより培養環境が変化すると糖化菌は溶解し、酸生成菌又はメタン生成菌により分解される。また、アルカリ液に溶けずに懸濁物質として残ったタンパク質及び脂質も酸生成菌により分解される。そのため、懸濁物質を含む第２液体成分が酸生成部６０に移動することにより、メタン化効率を上げることにつながる。なお、セルロースが完全に可溶化した残渣は、リグニンを多く含むため、バイオプラスチックの原料として使える可能性もある。
　第２固体成分は摩砕部１０及び糖化部４０の少なくともいずれか一方に供給されてもよい。第２固体成分が摩砕部１０に戻されることにより、糖化部４０で分解しきれていないセルロース及びヘミセルロースが再度摩砕され、結晶度が低下するため、糖化部４０でさらなる糖化が期待できる。また、第２固体成分が糖化部４０へ返送されることにより、糖化菌の量を多く維持できるため、糖化効率がさらに向上する場合がある。第２固体成分は飼料化などにより再利用してもよく、焼却して熱エネルギーを回収してもよく、埋め立てなどにより処分してもよい。第２固体成分は、リグニンを多く含むため、バイオプラスチックの原料として利用してもよい。一方、第２液体成分は酸生成部６０に供給される。
　酸生成部６０は、酸生成菌によって第１液体成分と糖化液に含まれる第２液体成分とを含む混合液から有機酸を生成する。第１液体成分には、アルカリ処理部２０においてアルカリ液に溶解したオリゴ糖、タンパク質及び脂質が含まれている。また、第１液体成分には、アルカリ液に溶解されずに小さい微粒子として残った懸濁物質が含まれている場合がある。また、第２液体成分には、セルロース及びヘミセルロースが単糖にまで分解されず、オリゴ糖のまま含まれている場合がある。第１液体成分及び第２液体成分に含まれるオリゴ糖、タンパク質及び脂質は、メタン生成菌だけでは十分に分解することができないおそれがある。
　一方、酸生成菌は嫌気発酵により、オリゴ糖、タンパク質及び脂質を利用して有機酸を生成することができる。酸生成部６０でメタン発酵の基質となる有機酸を生成することにより、メタン生成部７０においてメタンの生成量を向上させることができる。また、タンパク質及び脂質は、酸生成菌によって二酸化炭素にまで酸化されにくく、タンパク質及び脂質が過剰に分解されにくい。そのため、目的とする有機酸をメタン生成部７０に供給することができ、メタン生成部７０においてメタンの生成量を向上させることができる。
　図３に示すように、酸生成部６０は、第１流路６１と、第２流路６２と、混合部６３と、収容部６４とを含んでいてもよい。第１流路６１は第１固液分離部３０を介してアルカリ処理部２０と接続されている。第１液体成分は第１流路６１内を通過する。第２流路６２は第２固液分離部５０を介して糖化部４０と接続されている。第２液体成分は第２流路６２内を通過する。
　混合部６３は、第１流路６１から供給された第１液体成分と、第２流路６２から供給された第２液体成分とを混合して混合液を生成する。第１流路６１内を通過するアルカリ処理液はアルカリ液で処理されているためｐＨが大きい。一方、第２流路６２内を通過する糖化液は糖化菌が生成する酸性物質によってｐＨが小さくなっている。そのため、第１液体成分と第２液体成分とを混合部６３で混合することによってｐＨ調整剤を過剰に添加しなくてもｐＨを調整することができる。これにより、アルカリの中和処理を軽減することができ、環境負荷を低減することができる。混合部６３は撹拌部を有しており、第１液体成分と第２液体成分とを撹拌部によって撹拌してもよい。混合液は酸生成菌に適したｐＨであれば特に限定されないが、中性であってもよく、ｐＨ６～ｐＨ８であってもよい。第１液体成分と第２液体成分とを混合するだけで混合液が中性になる場合にはｐＨ調整剤は必要ない。ｐＨ調整剤は、塩酸又は酸性の工場廃水であってもよい。混合部６３における混合液の滞留時間は１日以上５日以下であってもよい。混合部６３で生成された混合液は収容部６４へ供給される。
　収容部６４は酸生成菌を収容している。酸生成菌は、複数の菌群を含んでいてもよい。収容部６４内の温度は酸生成菌に適した温度であればよく、例えば３０℃以上４０℃以下であってもよい。培養期間は特に限定されないが１日以上３日以下であってもよい。収容部６４は撹拌部を有しており、混合部６３から供給された混合液を撹拌部によって撹拌してもよい。
　酸生成部６０は、混合部６３と、収容部６４とを含んでいてもよい。混合部６３は、第１液体成分と第２液体成分とを混合して混合液を生成し、第１液体成分に含まれるセルロース、ヘミセルロース及びオリゴ糖からなる群より選択される少なくとも１つを糖化部４０から流れてきた糖化菌によって分解してもよい。収容部６４は、酸生成菌を収容し、混合部６３から供給された混合液から有機酸を生成する。
　第１液体成分には、単糖まで分解されていないオリゴ糖が含まれている場合がある。また、第１液体成分には、アルカリ液で溶解した一部のセルロース及びヘミセルロースも含まれている場合がある。一方、第２液体成分には、糖化菌が含まれている場合がある。糖化菌はセルロース及びヘミセルロースだけでなく、オリゴ糖も分解することができる。そのため、混合部６３で第１液体成分と第２液体成分が混合されることにより、第２液体成分に含まれている糖化菌が第１液体成分に含まれるセルロース、ヘミセルロース及びオリゴ糖を分解することができる。分解された低分子物質は、酸生成菌又はメタン生成菌の基質又は栄養分として用いることができる。そのため、混合部６３の温度は糖化菌に適した温度であることが好ましく、例えば４０℃以上５０℃以下であってもよい。
　また、酸生成部６０は、第１液体成分が通過する第１流路６１と、第２液体成分が通過する第２流路６２とを含んでいてもよい。酸生成部６０は、第１流路６１と第２流路６２との間に配置され、酸生成菌を収容し、第１流路６１から供給された第１液体成分と、第２流路６２から供給された第２液体成分とが混合して生成された混合液から有機酸を生成する収容部６４を含んでいてもよい。
　収容部６４を第１流路６１と第２流路６２との間に配置することにより、第１流路６１を流れる第１液体成分と、第２流路６２を流れる第２液体成分とが、収容部６４内の混合液と熱交換される。そのため、第１流路６１内を流れる第１液体成分と、第２流路６２内の温度を流れる第２液体成分とによって、収容部６４内の混合液を加温することができる。例えば、第１液体成分の温度が７０℃であり、第２液体成分の温度が４５℃である場合に、収容部６４の温度を３５℃程度に維持することができる。収容部６４を第１流路６１と第２流路６２との間に配置することにより、酸生成菌の培養温度が最適化されるため、加熱に必要なエネルギーを低減することができる。
　第１流路６１及び第２流路６２の一部は酸生成部６０の外壁によって形成されていてもよい。第１流路６１を通過する第１液体成分及び第２流路６２を通過する第２液体成分の少なくともいずれか一方の温度は、酸生成菌の最適温度よりも高い場合がある。そのため、第１流路６１及び第２流路６２の一部を酸生成部６０の外壁によって形成することにより、第１流路６１内を流れる第１液体成分及び第２流路６２内を流れる第２液体成分を、酸生成部６０の外側の空気と熱交換することができる。これにより、第１流路６１内を流れる第１液体成分と、第２流路６２内を流れる第２液体成分を効率よく冷却することができる。
　メタン生成部７０はメタン生成菌によって有機酸からメタンを生成する。メタン生成部７０で得られたメタンは、発電所及びボイラーなどのエネルギー源として使用することができる。また、本実施形態に係るメタン生成システム１では、メタン生成部７０でメタンを生成するため、バイオアルコールのように発酵したアルコールを蒸留塔で濃縮する必要がない。そのため、少ないエネルギーでリグノセルロースバイオマスを有効利用することができる。
　メタン生成部７０はメタンを含むバイオガスを排出する。生成されたメタンは回収され、リグノセルロースバイオマス由来のバイオ燃料として利用することができる。また、メタンは、種々の化学合成の原料としても用いることができる。一方、メタン生成部７０からは液体成分も排出される。メタン生成部７０から排出される液体成分には酸生成菌が含まれるため、メタン生成部７０から排出される液体の少なくとも一部を、酸生成部６０の収容部６４に移送してもよい。酸生成菌を収容部６４に植種することにより、有機酸の生成を促進することができる。
　メタン生成菌は、５０℃～６０℃のような高温度で活性を示す高温メタン生成菌を含んでいてもよく、３５℃～３８℃のような中温度で活性を示す中温メタン生成菌を含んでいてもよい。高温メタン生成菌を用いた場合には、メタン発酵の時間を短くすることができる。低温メタン菌を用いた場合には、発酵槽の加温に要する温度を低減することができる。
　メタン生成部７０には糖化菌によって生成されたバイオガスが供給されてもよい。糖化部４０に供給される第１固体成分は、アルカリ液に溶解されずに残ったタンパク質及び脂質を含んでいる。また、糖化部４０では糖化菌を用いているため、嫌気条件下においてタンパク質及び脂質が分解され、有機酸及び水素の少なくともいずれか一方を含むバイオガスが生成される。有機酸は揮発すると臭気の原因となる。そのため、糖化部４０で生成されたバイオガスをメタン生成部７０に供給することにより、有機酸が直接大気に放出されないため、臭気を抑えることができる。また、メタン生成菌は有機酸、水素及び二酸化炭素からメタンを生成することができる。そのため、糖化部４０で生成されたバイオガスをメタン生成部７０に供給することにより、メタンの回収率を向上させることができる。
　メタン生成部７０には酸生成菌によって生成されたバイオガスが供給されてもよい。当該バイオガスはガス流路によってメタン生成部７０へ供給され、酸生成部６０で生成された有機酸を含む液体は液体流路によってメタン生成部７０へ供給されてもよい。酸生成部６０内の混合液は、タンパク質及び脂質を含んでいる。また、酸生成菌はタンパク質及び脂質を分解し、有機酸、水素及び二酸化炭素を含むバイオガスを生成する。そのため、酸生成部６０で生成されたバイオガスをメタン生成部７０に供給することにより、有機酸が直接大気に放出されないため、臭気を抑えることができる。また、メタン生成菌は有機酸、水素及び二酸化炭素からメタンを生成することができる。そのため、酸生成部６０で生成されたバイオガスをメタン生成部７０に供給することにより、メタンの回収率を向上させることができる。
　糖化部４０及び酸生成部６０の少なくともいずれか一方から供給されたバイオガスは、メタン生成部７０の下部から曝気により投入されてもよい。バイオガスをメタン生成部７０内の混合液に通気させると、バイオガスは混合液内に溶解する。混合液に溶解した有機酸、水素及び二酸化炭素はメタン生成菌により消費されてメタンが生成される。混合液中の有機酸、水素及び二酸化炭素は、メタン生成菌により消費されて濃度が低くなるため、バイオガスを混合液に通気し続けても、バイオガスは混合液に溶解し続けることができる。
　水素を用いたメタン発酵は例えば４Ｈ２＋ＣＯ２→ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏのような反応で行われる。そのため、アルカリ処理部２０においてアルカリ液のアルカリ濃度を低くし、タンパク質及び脂質の溶解を抑えてもよい。これにより、糖化部４０でタンパク質及び脂質の分解量が増え、糖化部４０で生成され、メタン生成部７０に供給される水素量を増加させることができる。また、メタン生成部７０には二酸化炭素が供給されてもよい。これにより、水素から生成されるメタン変換効率を向上させることができる。メタン生成部７０に供給される二酸化炭素は、例えば化石燃料由来の二酸化炭素であってもよい。これにより、大気中への二酸化炭素放出量を低減することができる。
　有機酸を用いたメタン発酵では二酸化炭素が発生する。そのため、メタン生成部７０から出た二酸化炭素を含むガスの少なくとも一部をメタン生成部７０に供給してもよい。これにより、二酸化炭素と水素とを反応させてメタンを生成することができる。したがって、メタン生成部７０から大気中へ排出される二酸化炭素量を低減するとともに、メタン生成量を増やすことができる。
　好気処理部８０は、好気性微生物を用い、メタン生成部７０から排出される液体成分を公知の活性汚泥処理方法によって処理することができる。これにより、液体成分に残存する有機物を二酸化炭素及び水などに分解することができ、河川及び海などに放流することも可能になる。メタン生成部７０から排出される液体成分を下水に放流する場合には好気処理部８０は設けなくてもよい。
　なお、摩砕部１０、アルカリ処理部２０、第１固液分離部３０、糖化部４０、第２固液分離部５０、酸生成部６０及びメタン生成部７０は、それぞれ、原料の供給及び排出を、一単位として繰り返す回分式であってもよく、連続的に同時に行う連続式であってもよい。
　以上の通り、本実施形態に係るメタン生成システム１は、アルカリ処理部２０と、糖化部４０と、酸生成部６０と、メタン生成部７０とを備えている。アルカリ処理部２０はリグノセルロースバイオマスとアルカリ液とを接触させて第１固体成分と第１液体成分とを含むアルカリ処理液を生成する。糖化部４０は糖化菌によって第１固体成分に含まれるリグノセルロースバイオマス由来のセルロース及びヘミセルロースの少なくともいずれか一方を分解して第２液体成分を含む糖化液を生成する。酸生成部６０は、酸生成菌によって第１液体成分と第２液体成分とを含む混合液から有機酸を生成する。メタン生成部７０はメタン生成菌によって有機酸からメタンを生成する。
　また、本実施形態に係るメタン生成方法は、リグノセルロースバイオマスとアルカリ液とを接触させて第１固体成分と第１液体成分とを含むアルカリ処理液を生成する工程を含んでいる。上記方法は、糖化菌によって第１固体成分に含まれるリグノセルロースバイオマス由来のセルロース及びヘミセルロースの少なくともいずれか一方を分解して第２液体成分を含む糖化液を生成する工程を含んでいる。上記方法は、酸生成菌によって第１液体成分と第２液体成分とを含む混合液から有機酸を生成する工程を含んでいる。上記方法は、メタン生成菌によって有機酸からメタンを生成する工程を含んでいる。
　アルカリ処理部２０ではリグノセルロースバイオマス中の単糖、タンパク質及び脂質がアルカリ液に溶解する。そのため、糖化菌により生成された酵素がセルロース及びヘミセルロースにアクセスしやすくなり、セルロース及びヘミセルロースの分解効率が向上する。
　第１液体成分及び第２液体成分に含まれる単糖、タンパク質及び脂質は酸生成菌の基質とすることができる。また、酸生成菌及びメタン生成菌は糖化菌によって単糖が分解された低分子物質も基質とすることができる。そのため、リグノセルロースバイオマスを有効に利用してメタンを生成することができる。したがって、本実施形態に係るメタン生成システム１及びメタン生成方法によれば、微生物を利用してリグノセルロースバイオマスから効率的にメタンを生成することができる。
　特願２０２２－００４２９７号（出願日：２０２２年１月１４日）の全内容は、ここに援用される。
　いくつかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正または変形をすることが可能である。上記実施形態のすべての構成要素、及び請求の範囲に記載されたすべての特徴は、それらが互いに矛盾しない限り、個々に抜き出して組み合わせてもよい。
　本開示は、例えば、国際連合が主導する持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７『すべての人々の、安価かつ信頼できる持続可能な近代的エネルギーへのアクセスを確保する』及び目標１２『持続可能な生産消費形態を確保する』に貢献することができる。
　１　　　メタン生成システム
　１０　　摩砕部
　２０　　アルカリ処理部
　３０　　第１固液分離部
　３１　　第１スクリーン
　３２　　第１噴出部
　４０　　糖化部
　５０　　第２固液分離部
　５１　　第２スクリーン
　５２　　第２噴出部
　６０　　酸生成部
　６１　　第１流路
　６２　　第２流路
　６３　　混合部
　６４　　収容部
　７０　　メタン生成部

Claims (12)

  1. 　リグノセルロースバイオマスとアルカリ液とを接触させて第１固体成分と第１液体成分とを含むアルカリ処理液を生成するアルカリ処理部と、
    　糖化菌によって前記第１固体成分に含まれる前記リグノセルロースバイオマス由来のセルロース及びヘミセルロースの少なくともいずれか一方を分解して第２液体成分を含む糖化液を生成する糖化部と、
    　酸生成菌によって前記第１液体成分と前記第２液体成分とを含む混合液から有機酸を生成する酸生成部と、
    　メタン生成菌によって前記有機酸からメタンを生成するメタン生成部と、
    　を備える、メタン生成システム。
  2. 　前記メタン生成部には前記糖化菌によって生成されたバイオガスが供給される、請求項１に記載のメタン生成システム。
  3. 　前記アルカリ処理液を第１固体成分と前記第１液体成分とに分離する第１固液分離部を備え、
    　前記第１固体成分は前記糖化部に供給され、
    　前記第１液体成分は前記酸生成部に供給される、
    　請求項１又は２に記載のメタン生成システム。
  4. 　前記第１固液分離部は、第１スクリーンと、前記アルカリ処理液を前記第１スクリーンに噴出する第１噴出部とを含み、前記第１スクリーンを透過した液体成分を前記第１液体成分とし、前記第１スクリーン上に残った固体成分を前記第１固体成分として分離する、請求項３に記載のメタン生成システム。
  5. 　前記リグノセルロースバイオマスを摩砕する摩砕部を備え、
    　前記アルカリ処理部は前記摩砕部で摩砕されたリグノセルロースバイオマスと前記アルカリ液とを接触させて前記アルカリ処理液を生成する、請求項１～４のいずれか一項に記載のメタン生成システム。
  6. 　前記糖化液を第２固体成分と前記第２液体成分とに分離する第２固液分離部を備え、
    　前記第２固体成分は前記摩砕部及び前記糖化部の少なくともいずれか一方に供給され、
    　前記第２液体成分は前記酸生成部に供給される、請求項５に記載のメタン生成システム。
  7. 　前記第２固液分離部は、第２スクリーンと、前記糖化液を前記第２スクリーンに噴出する第２噴出部とを含み、前記第２スクリーンを透過した液体成分を前記第２液体成分とし、前記第２スクリーン上に残った固体成分を前記第２固体成分として分離する、請求項６に記載のメタン生成システム。
  8. 　前記酸生成部は、
    　前記第１液体成分と前記第２液体成分とを混合して前記混合液を生成し、前記第１液体成分に含まれるセルロース、ヘミセルロース及びオリゴ糖からなる群より選択される少なくとも１つを前記糖化部から流れてきた糖化菌によって分解する混合部と、
    　前記酸生成菌を収容し、前記混合部から供給された前記混合液から前記有機酸を生成する収容部と、
    　を含む、請求項１～７のいずれか一項に記載のメタン生成システム。
  9. 　前記酸生成部は、
    　前記第１液体成分が通過する第１流路と、
    　前記第２液体成分が通過する第２流路と、
    　前記第１流路と前記第２流路との間に配置され、前記酸生成菌を収容し、前記第１流路から供給された前記第１液体成分と、前記第２流路から供給された前記第２液体成分とが混合して生成された前記混合液から前記有機酸を生成する収容部と、
    　を含む、請求項１～８のいずれか一項に記載のメタン生成システム。
  10. 　前記メタン生成部には前記酸生成菌によって生成されたバイオガスが供給される、請求項１～９のいずれか一項に記載のメタン生成システム。
  11. 　前記リグノセルロースバイオマスは食品廃棄物を含む、請求項１～１０のいずれか一項に記載のメタン生成システム。
  12. 　リグノセルロースバイオマスとアルカリ液とを接触させて第１固体成分と第１液体成分とを含むアルカリ処理液を生成する工程と、
    　糖化菌によって前記第１固体成分に含まれる前記リグノセルロースバイオマス由来のセルロース及びヘミセルロースの少なくともいずれか一方を分解して第２液体成分を含む糖化液を生成する工程と、
    　酸生成菌によって前記第１液体成分と前記第２液体成分とを含む混合液から有機酸を生成する工程と、
    　メタン生成菌によって前記有機酸からメタンを生成する工程と、
    　を含む、メタン生成方法。
PCT/JP2022/047701 2022-01-14 2022-12-23 メタン生成システム及びメタン生成方法 Ceased WO2023136104A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU2022433034A AU2022433034B2 (en) 2022-01-14 2022-12-23 Methane generation system and methane generation method
JP2023539092A JP7432910B2 (ja) 2022-01-14 2022-12-23 メタン生成システム及びメタン生成方法
CN202280077588.3A CN118284702A (zh) 2022-01-14 2022-12-23 甲烷生成系统及甲烷生成方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022004297 2022-01-14
JP2022-004297 2022-01-14

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023136104A1 true WO2023136104A1 (ja) 2023-07-20

Family

ID=87278959

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2022/047701 Ceased WO2023136104A1 (ja) 2022-01-14 2022-12-23 メタン生成システム及びメタン生成方法

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JP7432910B2 (ja)
CN (1) CN118284702A (ja)
AU (1) AU2022433034B2 (ja)
WO (1) WO2023136104A1 (ja)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017002594A1 (ja) * 2015-07-02 2017-01-05 株式会社Ｊ－オイルミルズ 菜種皮及びその用途
JP2021180617A (ja) * 2020-05-18 2021-11-25 株式会社クレハ環境 セルロース含有廃棄物の可溶化処理物の製造方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3711813A1 (de) * 1987-04-08 1988-11-03 Recycling Energie Abfall Verfahren und vorrichtung zur aufbereitung und anaerober vergaerung biogen-organischer abfaelle
IN201621025611A (ja) * 2016-07-27 2018-02-02

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017002594A1 (ja) * 2015-07-02 2017-01-05 株式会社Ｊ－オイルミルズ 菜種皮及びその用途
JP2021180617A (ja) * 2020-05-18 2021-11-25 株式会社クレハ環境 セルロース含有廃棄物の可溶化処理物の製造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ICHIKI, SHUICHI: "This and that about cows that are hard to ask now - About Rumen -", YUKI TANE NEWS, no. 387, 1 January 2019 (2019-01-01), pages 6 - 7, XP009547919 *

Also Published As

Publication number Publication date
AU2022433034B2 (en) 2025-11-27
JPWO2023136104A1 (ja) 2023-07-20
CN118284702A (zh) 2024-07-02
AU2022433034A1 (en) 2024-06-13
JP7432910B2 (ja) 2024-02-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chozhavendhan et al. A review on feedstock, pretreatment methods, influencing factors, production and purification processes of bio-hydrogen production
Sahil et al. Biomass pretreatment, bioprocessing and reactor design for biohydrogen production: a review
CA2896150C (en) Method and plant for producing biogas from lignocellulose-containing biomass
JP5711192B2 (ja) 有機性廃棄物の嫌気性処理方法及び装置
CN101815788A (zh) 用于从预处理过的木质纤维素原料产生醇和葡萄糖的基于纤维素酶的方法
Prasertsan et al. Direct hydrolysis of palm oil mill effluent by xylanase enzyme to enhance biogas production using two-steps thermophilic fermentation under non-sterile condition
Kim et al. Fermentative biohydrogen production from solid wastes
JP2011041493A (ja) 木質系バイオマスからのエタノール製造方法
CN101544990A (zh) 一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料及副产纤维素酶的方法
JP5700619B2 (ja) アルコールの製造方法
Sathyan et al. Recent advancements in anaerobic digestion: A Novel approche for waste to energy
JP4170016B2 (ja) セルロースからの乳酸製造装置および乳酸製造方法
JP2013039085A (ja) エタノールの製造方法
JP2008259517A (ja) セルロースからの乳酸製造装置および乳酸製造方法
JP7432910B2 (ja) メタン生成システム及びメタン生成方法
CN120485293A (zh) 基于废糖蜜与城市污泥协同发酵生产短链脂肪酸的方法及系统
Ghosh et al. Technological advancement for biohydrogen production from agricultural waste
JP3745978B2 (ja) 食品系及び木質系廃棄物の混合再資源化方法及び装置
Gahlot et al. Effect of digestate recirculation on anaerobic digestion performance
Sivakumar et al. Enhancement of methane potential in fractionated biogas stream through composite-hybrid biochemical pathway processes: a review
Denchev et al. Biohydrogen production from lignocellulosic waste with anaerobic bacteria
JP5910427B2 (ja) リグノセルロース含有バイオマスからのエタノール製造方法
JP2013183704A (ja) リグノセルロース系原料からのエタノール製造方法。
JPH0824919B2 (ja) 蒸留残液のメタン発酵法
JP4844951B2 (ja) 生ごみと紙ごみの処理方法およびその装置

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2023539092

Country of ref document: JP

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22920621

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202280077588.3

Country of ref document: CN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2022433034

Country of ref document: AU

Ref document number: AU2022433034

Country of ref document: AU

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2022433034

Country of ref document: AU

Date of ref document: 20221223

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2401004401

Country of ref document: TH

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 22920621

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1