JP5657915B2 - Methane fermentation method - Google Patents
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Description
本発明は、高効率で糖液を発酵させるメタン発酵方法に関する。 The present invention relates to a methane fermentation method for fermenting a sugar solution with high efficiency.
石油資源の枯渇と地球温暖化防止問題に直面し、バイオマスを原料とした新エネルギーを創生する研究が活発に行われている。その中でも製造プロセスが短い、サトウキビやトウモロコシを原料としたバイオエタノールを製造するための研究が世界的な潮流となっているが、食糧危機の引き金になる可能性があるなど、混乱の原因となっている。そのため、森林資源を原料とした新エネルギーの開発が重要な課題となっている。 Faced with the depletion of petroleum resources and the problem of preventing global warming, research to create new energy using biomass as a raw material is being actively conducted. Among them, research on the production of bioethanol from sugarcane and corn as a raw material has become a global trend, but it may cause a food crisis and cause confusion. ing. Therefore, the development of new energy from forest resources has become an important issue.
ところで、木質原料からメタンガスなどのエネルギー源を取り出すため、アルカリや酸による加水分解により木質原料からセルロース由来のグルコースを抽出し、さらに嫌気性雰囲気でグルコースをメタン発酵することにより、メタンガスを回収する方法が知られている。このメタン発酵は、セルロース由来の成分から酪酸やカプロン酸などの有機酸を生成し、さらに、酢酸からメタンガスへ分解するという逐次的な反応で進行する。しかし、メタン発酵の際に有機酸の生成が顕著であると、メタンガスの生成まで反応が進行しにくく、これまでに開発されたメタン発酵技術では、効率的にメタンガスを回収するには不十分であった。 By the way, in order to extract an energy source such as methane gas from a wood raw material, a method of recovering methane gas by extracting cellulose-derived glucose from the wood raw material by hydrolysis with alkali or acid and further subjecting the glucose to methane fermentation in an anaerobic atmosphere. It has been known. This methane fermentation proceeds by a sequential reaction in which an organic acid such as butyric acid or caproic acid is produced from components derived from cellulose and further decomposed into acetic acid to methane gas. However, if the production of organic acid is significant during methane fermentation, the reaction will not proceed easily until the production of methane gas, and the methane fermentation technology developed so far is not sufficient to efficiently recover methane gas. there were.
このような中、資源を効率的に利用し、有機物をエネルギーとしてのメタンガスにまで転換することを目的として、セルロース系有機物を含む廃棄物などから嫌気性のセルロース分解細菌によるメタン発酵方法が開示されている(例えば、特許文献1)。 Under such circumstances, a methane fermentation method using anaerobic cellulolytic bacteria from wastes containing cellulosic organic materials has been disclosed for the purpose of efficiently using resources and converting organic matter to methane gas as energy. (For example, Patent Document 1).
しかし、特許文献1の方法では、セルロース分解菌増殖槽を設けなければならず、多大なエネルギーとコストをかけてメタン発酵させる必要があった。また、セルロース分解菌の増殖が促進される培養条件が必要となり、メタン発酵を効率的に行うには操作が煩雑であった。本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、少ないエネルギーとコストでメタン発酵を行うことが可能となり、且つ、高効率で糖液を発酵させるメタン発酵方法を提供することを目的とする。 However, in the method of Patent Document 1, it is necessary to provide a cellulose-degrading bacterium growth tank, and it is necessary to perform methane fermentation with great energy and cost. In addition, culture conditions that promote the growth of cellulose-degrading bacteria are required, and the operation is complicated for efficient methane fermentation. The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a methane fermentation method that enables methane fermentation with less energy and cost and that ferments a sugar solution with high efficiency. For the purpose.
そこで、本発明者らは、上記課題を解決すべく研究を重ねた結果、グルコースの単量体および/またはその多量体を含む糖液(セルロース廃液)からメタン発酵させる際に、該糖液中の炭素濃度を0.3mol/L以下に調整しメタン発酵させることで、上記課題を解決することを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、グルコースの単量体および/またはその多量体を含む糖液中の炭素濃度を0.3mol/L以下に調整し糖液をメタン発酵させるメタン発酵方法に関する。 Therefore, as a result of repeated studies to solve the above-described problems, the present inventors have conducted methane fermentation from a sugar solution (cellulose waste solution) containing glucose monomers and / or multimers thereof in the sugar solution. The present inventors have found that the above-mentioned problems can be solved by adjusting the carbon concentration to 0.3 mol / L or less and causing methane fermentation to complete the present invention. That is, the present invention relates to a methane fermentation method in which the sugar concentration is adjusted to 0.3 mol / L or less and the sugar solution is methane-fermented in the sugar solution containing glucose monomers and / or multimers thereof.
また本発明は、メタン発酵中の糖液のpHを6.4〜7.0に維持しながら糖液をメタン発酵させるメタン発酵方法に関する。 The present invention also relates to a methane fermentation method in which the sugar liquid is methane-fermented while maintaining the pH of the sugar liquid during methane fermentation at 6.4 to 7.0.
本発明では、糖液にアルカリ性化合物を添加して中和することで糖液のpHを維持することが好ましい。 In the present invention, it is preferable to maintain the pH of the sugar solution by neutralizing the sugar solution by adding an alkaline compound.
アルカリ性化合物は、アンモニア水、炭酸ナトリウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、酸化マグネシウム、炭酸水素ナトリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、及び水酸化カルシウムからなる群より選択されるいずれか1種であることが好ましい。 The alkaline compound may be any one selected from the group consisting of aqueous ammonia, sodium carbonate, calcium carbonate, magnesium carbonate, magnesium oxide, sodium bicarbonate, sodium hydroxide, potassium hydroxide, and calcium hydroxide. preferable.
本発明によれば、グルコースの単量体および/またはその多量体を含む糖液を嫌気性微生物によりメタン発酵させる際に、より少ないエネルギーとコストでメタン発酵を行うことが可能となり、且つ、高効率で糖液を発酵させることができる。 According to the present invention, when a sugar solution containing glucose monomers and / or multimers thereof is subjected to methane fermentation by an anaerobic microorganism, methane fermentation can be performed with less energy and cost, and high The sugar solution can be fermented with efficiency.
以下、本発明を詳細に説明する。本発明の実施の形態では、木質バイオマスに酸とフェノール誘導体を添加して、木質バイオマス中のセルロース、ヘミセルロースを加水分解させ、得られる糖液(グルコースの単量体および/またはその多量体を含む糖液)を嫌気的微生物によりメタン発酵させる場合について、説明する。ただし、本発明で用いられる糖液は、グルコース成分を有するものであれば、木質バイオマスからどのようなプロセスを経て抽出されたものであるかに関わらず、適用可能である。木質バイオマスに酸とフェノール誘導体を添加する方法としては、木質バイオマスにフェノール誘導体を添加して含浸させた後、酸を添加し、系の粘度が低下したら、後述する疎水性の溶剤を添加し、さらに撹拌を行う方法があげられる。このようにすることで、セルロース及びヘミセルロース由来の糖成分と硫酸からなる層と、リグノフェノール、フェノール誘導体及び疎水性の溶剤からなる層に分離することが可能となる。 Hereinafter, the present invention will be described in detail. In the embodiment of the present invention, an acid and a phenol derivative are added to woody biomass to hydrolyze cellulose and hemicellulose in the woody biomass, and the resulting sugar solution (containing glucose monomers and / or multimers thereof) The case where methane fermentation is carried out by anaerobic microorganisms will be described. However, the sugar solution used in the present invention is applicable as long as it has a glucose component, regardless of the process extracted from the woody biomass. As a method of adding an acid and a phenol derivative to woody biomass, after adding a phenol derivative to woody biomass and impregnating it, an acid is added, and when the viscosity of the system decreases, a hydrophobic solvent described later is added, Furthermore, the method of performing stirring is mention | raise | lifted. By doing in this way, it becomes possible to isolate | separate into the layer which consists of a sugar component derived from a cellulose and hemicellulose, and a sulfuric acid, and the layer which consists of lignophenol, a phenol derivative, and a hydrophobic solvent.
本発明において使用する木質バイオマスとは、生物由来の再生可能な有機物資源であり、セルロース、ヘミセルロース、及びリグニン等から構成されるものである。木質バイオマスは、主として木材からなるものを言い、例えば、木粉、木質チップなどをあげることができる。また、用いる木材としては、針葉樹、広葉樹など任意の種類のものを使用することが出来る。 The woody biomass used in the present invention is a biological organic resource that can be regenerated and is composed of cellulose, hemicellulose, lignin and the like. Woody biomass refers to what is mainly made of wood, and examples thereof include wood flour and wood chips. Moreover, as wood to be used, any kind of wood such as conifers and hardwoods can be used.
木質バイオマスに添加する酸としては、無機酸、有機酸のいずれも用いることが可能である。酸は、セルロース及びヘミセルロースを加水分解するための触媒としてだけでなく、木質バイオマスを構成するセルロース、ヘミセルロース及びリグニンの結合を解く役割も果たす。無機酸としては、硫酸、リン酸、塩酸などの何れかを使用することができる。酸の濃度は、60〜90%が望ましい。酸の濃度が60%より低いと、セルロースとリグニンの解緩反応が進行せず、酸の濃度が90%より高いとリグニンおよび添加剤であるp−クレゾールのベンゼン骨格がスルフォン化されやすくなり、不具合が生じる傾向にある。酸の中では、60%以上の硫酸が好ましい。同様に、硫酸の濃度が60%より低いと、セルロースとリグニンの解緩反応が進行せず、また、硫酸の濃度が90%より高いと、リグニンおよび添加剤であるp−クレゾールのベンゼン骨格のスルフォン化が進行する傾向にある。有機酸としては、p−トルエンスルホン酸、トリフルオロ酢酸、トリクロロ酢酸、ギ酸などを使用することができるが、酸を回収する方法において、イオン交換樹脂及びイオン交換膜を膨潤させることがあるので注意しなければならない。中でも、セルロース及びヘミセルロースを効率良く加水分解できる点で、濃度60質量%以上、より好ましくは70質量%以上の硫酸を用いることが好ましい。木質バイオマスに添加する酸の使用量としては、木質バイオマス100質量部に対して、好ましくは200〜3000質量部、より好ましくは1000〜2000質量部である。酸の使用量が少ないと、木質原料は膨潤するだけで液状にならず、撹拌が困難になり、新しいタイプの押出混練機が必要となる。また、酸の使用量が多すぎると、酸の回収系への負担が増え、経済性が損なわれる。 As the acid added to the woody biomass, either an inorganic acid or an organic acid can be used. The acid not only serves as a catalyst for hydrolyzing cellulose and hemicellulose, but also serves to break the bond between cellulose, hemicellulose and lignin that constitute the woody biomass. As the inorganic acid, any of sulfuric acid, phosphoric acid, hydrochloric acid and the like can be used. The acid concentration is preferably 60 to 90%. When the acid concentration is lower than 60%, the delamination reaction between cellulose and lignin does not proceed, and when the acid concentration is higher than 90%, the benzene skeleton of lignin and the additive p-cresol is easily sulfonated, There is a tendency for defects to occur. Of the acids, 60% or more sulfuric acid is preferred. Similarly, when the concentration of sulfuric acid is lower than 60%, the degrading reaction between cellulose and lignin does not proceed, and when the concentration of sulfuric acid is higher than 90%, the benzene skeleton of lignin and p-cresol, which is an additive, is reduced. Sulfonation tends to progress. As the organic acid, p-toluenesulfonic acid, trifluoroacetic acid, trichloroacetic acid, formic acid and the like can be used. However, the ion exchange resin and the ion exchange membrane may be swollen in the method for recovering the acid. Must. Among them, it is preferable to use sulfuric acid having a concentration of 60% by mass or more, more preferably 70% by mass or more from the viewpoint that cellulose and hemicellulose can be efficiently hydrolyzed. As usage-amount of the acid added to woody biomass, Preferably it is 200-3000 mass parts with respect to 100 mass parts of woody biomass, More preferably, it is 1000-2000 mass parts. When the amount of acid used is small, the woody material only swells and does not become liquid, making stirring difficult, and a new type of extrusion kneader is required. Moreover, when there is too much usage-amount of an acid, the burden to the recovery system of an acid will increase and economical efficiency will be impaired.
リグニンを構成するp−クマリルアルコール、シナピルアルコール、コニフェリルアルコール中のフェニルプロパン単位のα炭素は化学的に不安定であるが、フェノール誘導体を添加することで、成形体などの種々の用途に活用できるリグノフェノールを得ることが出来る。ここで、リグノフェノールとは、リグニン中のフェニルプロパン単位のα炭素にフェノール誘導体が結合したジフェニルプロパン単位を含む重合体をいう。 The α-carbon of the phenylpropane unit in p-coumalyl alcohol, cinapyl alcohol, and coniferyl alcohol constituting lignin is chemically unstable, but by adding a phenol derivative, various uses such as molded articles Lignophenol which can be utilized in the process can be obtained. Here, lignophenol refers to a polymer containing a diphenylpropane unit in which a phenol derivative is bonded to the α carbon of the phenylpropane unit in lignin.
フェノール誘導体としては、1価のフェノール誘導体、2価のフェノール誘導体、または3価のフェノール誘導体などが挙げられる。1価のフェノール誘導体としては、フェノール、ナフトール、アントロール、アントロキオールなどがあげられる。これらの1価のフェノール誘導体はさらに1以上の置換基を有していても良い。2価のフェノール誘導体としては、カテコール、レゾルシノール、ヒドロキノンなどがあげられる。これらの2価のフェノール誘導体はさらに1以上の置換基を有していても良い。3価のフェノール誘導体としては、ピロガロールなどがあげられる。ピロガロールはさらに1以上の置換基を有していても良い。これらの1価から3価のフェノール誘導体が有する置換基の種類は特に限定されず、任意の置換基を有していてもよい。電子吸引性の基(ハロゲン原子など)以外の基であり、例えば、低級アルキル基(メチル基、エチル基、プロピル基など)、低級アルコキシ基(メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基など)、アリール基(フェニル基など)、水酸基などが挙げられる。また、リグニンを構成するフェニルプロパン単位のα炭素との反応性の点から、フェノール誘導体上のフェノール性水酸基の2つあるオルト位のうちの少なくとも片方は無置換であることが好ましい。 Examples of the phenol derivative include a monovalent phenol derivative, a divalent phenol derivative, and a trivalent phenol derivative. Examples of monovalent phenol derivatives include phenol, naphthol, anthrol, anthrochiol and the like. These monovalent phenol derivatives may further have one or more substituents. Examples of the divalent phenol derivative include catechol, resorcinol, hydroquinone and the like. These divalent phenol derivatives may further have one or more substituents. Examples of the trivalent phenol derivative include pyrogallol. Pyrogallol may further have one or more substituents. The kind of the substituent which these monovalent to trivalent phenol derivatives have is not particularly limited, and may have an arbitrary substituent. Groups other than electron-withdrawing groups (such as halogen atoms), such as lower alkyl groups (such as methyl, ethyl, and propyl groups), lower alkoxy groups (such as methoxy, ethoxy, and propoxy groups), aryl groups (Phenyl group and the like), hydroxyl group and the like. Further, from the viewpoint of reactivity with the α-carbon of the phenylpropane unit constituting lignin, it is preferable that at least one of the two ortho positions of the phenolic hydroxyl group on the phenol derivative is unsubstituted.
フェノール誘導体の好ましい例としては、p−クレゾール、2,6−キシレノール、2,4−キシレノール、2−メトキシフェノール(Guaiacol)、2,6−ジメトキシフェノール、カテコール、レゾルシノール、ホモカテコール、ピロガロール及びフロログルシノールなどが挙げられ、中でもp−クレゾールが好ましい。フェノール誘導体の量としては、木質バイオマス100質量部に対して、好ましくは200〜3000質量部、より好ましくは500〜2000質量部である。フェノール誘導体の量は、リグニンのα−炭素をマスキングするのに必要な化学量論的な量以上を添加しなければならないこと、また相分離に必要な抽出剤としての量も加味して添加しなければならない。 Preferred examples of the phenol derivative include p-cresol, 2,6-xylenol, 2,4-xylenol, 2-methoxyphenol (guaiacol), 2,6-dimethoxyphenol, catechol, resorcinol, homocatechol, pyrogallol and phlorog. Examples include lucinol, and p-cresol is particularly preferable. As a quantity of a phenol derivative, Preferably it is 200-3000 mass parts with respect to 100 mass parts of woody biomass, More preferably, it is 500-2000 mass parts. The amount of phenol derivative should be added in consideration of the stoichiometric amount necessary for masking the α-carbon of lignin, and the amount as an extractant necessary for phase separation. There must be.
本発明では、木質バイオマスに酸とフェノール誘導体を添加することで、主に酸とセルロース及びヘミセルロース由来の糖液とから構成される水層と、リグノフェノールとフェノール誘導体とから構成される油層に分離させるが、より短時間で二層に分離させるために疎水性の溶剤をさらに添加することが好ましい。また、疎水性の溶剤を用いない場合、油層に微量の酸が混入し、また、水層にもフェノール誘導体が混入する場合があるが、疎水性の溶剤を添加することで、これを防止することが出来る。疎水性の溶剤として、n−ペンタン、n−ヘキサン、ヘプタン、オクタン、シクロヘキサン、デカリンおよびそれらの混合物などがあげられる。中でも、n−ヘキサンが好ましい。疎水性溶剤はp−クレゾールの溶解量以上を添加すると三層に分離してしまうため、p−クレゾールの溶解量に応じて適宜調整することが好ましい。n−ヘキサンを添加する場合は、p−クレゾール100質量部に対して30〜40質量部を添加することが好ましい。疎水性の溶剤を添加するタイミングとしては、リグニンとセルロースを解きほぐす解緩反応時に同時に添加することが望ましいが、解緩反応後にあらかじめ粗雑に二層分離させたあと、上層(軽層)と下層(重層)にそれぞれ疎水性の溶剤を添加し、上層からは硫酸水溶液を分離除去し、下層からは微量に溶解しているp−クレゾールを抽出除去することができる。 In the present invention, by adding an acid and a phenol derivative to woody biomass, it is separated into an aqueous layer composed mainly of acid, a sugar solution derived from cellulose and hemicellulose, and an oil layer composed of lignophenol and a phenol derivative. However, it is preferable to further add a hydrophobic solvent in order to separate the two layers in a shorter time. In addition, when a hydrophobic solvent is not used, a small amount of acid may be mixed in the oil layer, and a phenol derivative may also be mixed in the aqueous layer. This can be prevented by adding a hydrophobic solvent. I can do it. Examples of the hydrophobic solvent include n-pentane, n-hexane, heptane, octane, cyclohexane, decalin, and mixtures thereof. Of these, n-hexane is preferable. Since the hydrophobic solvent is separated into three layers when the dissolved amount of p-cresol or more is added, it is preferable to adjust appropriately according to the dissolved amount of p-cresol. When adding n-hexane, it is preferable to add 30-40 mass parts with respect to 100 mass parts of p-cresol. It is desirable to add the hydrophobic solvent at the same time when the lignin and cellulose are unraveled, but after separating the two layers roughly after the relaxation reaction, the upper layer (light layer) and the lower layer ( A hydrophobic solvent is added to each of the multiple layers), the aqueous sulfuric acid solution is separated and removed from the upper layer, and the p-cresol dissolved in a trace amount can be extracted and removed from the lower layer.
本発明では、木質バイオマスに酸とフェノール誘導体を添加した後に得られる、酸とセルロース及びヘミセルロース由来の糖成分とから構成される溶液から、酸を回収する。酸を回収する方法としては、一般的な方法を用いることができ、例えば、イオン交換クロマトグラフィー法、電気透析法などが挙げられる。回収された酸の濃度は、20質量%以上であることが好ましく、30質量%以上、さらには50質量%以上であることがさらに好ましい。 In this invention, an acid is collect | recovered from the solution comprised after adding an acid and a phenol derivative to woody biomass, and the acid and the sugar component derived from a cellulose and hemicellulose. As a method for recovering the acid, a general method can be used, and examples thereof include an ion exchange chromatography method and an electrodialysis method. The concentration of the recovered acid is preferably 20% by mass or more, more preferably 30% by mass or more, and further preferably 50% by mass or more.
酸を回収した後に得られる糖液中の酸の濃度は3質量%以下であることが好ましい。糖液中の酸の濃度が3質量%より高くなると、糖液中に残存する酸の量が多くなるため、糖液を発酵させる際に発酵を阻害する原因となる。 The concentration of the acid in the sugar liquid obtained after collecting the acid is preferably 3% by mass or less. When the concentration of the acid in the sugar solution is higher than 3% by mass, the amount of acid remaining in the sugar solution increases, which causes fermentation to be inhibited when the sugar solution is fermented.
本発明では、硫酸を回収した後の糖液を水で希釈することにより、糖液の炭素濃度を調整する。希釈した糖液の炭素濃度は、0.3mol/L以下であり、0.15〜0.3mol/Lであることが好ましい。炭素濃度が0.3mol/Lを超えると、有機酸の蓄積を引き起こし、メタン発酵が阻害される傾向にある。糖液の炭素濃度を0.3mol/L以下とするためには、糖液に水を添加することが好ましい。 In the present invention, the carbon concentration of the sugar solution is adjusted by diluting the sugar solution after collecting sulfuric acid with water. The carbon concentration of the diluted sugar solution is 0.3 mol / L or less, and preferably 0.15 to 0.3 mol / L. When the carbon concentration exceeds 0.3 mol / L, accumulation of organic acid is caused and methane fermentation tends to be inhibited. In order to set the carbon concentration of the sugar liquid to 0.3 mol / L or less, it is preferable to add water to the sugar liquid.
また本発明では、糖液にアルカリ性化合物を添加することで、糖液のpHを中性付近に維持する。発酵が進行すると、通常、酪酸、カプロン酸、酢酸、吉草酸、プロピオン酸、及び乳酸が発生し、系のpHが低くなりメタン発酵が抑制されるが、アルカリ性化合物を添加して、pHが所定の値の範囲内となるように調整することで、メタン発酵の抑制を防ぐことができる。糖液のpHは、メタン発酵前は通常6程度であり、6.4〜7.0の範囲に維持されることが好ましい。pHが6より低いと、糖液に蓄積される有機酸が十分に中和されず、メタン発酵が阻害されてしまう。 In the present invention, the pH of the sugar solution is maintained near neutrality by adding an alkaline compound to the sugar solution. As fermentation progresses, butyric acid, caproic acid, acetic acid, valeric acid, propionic acid, and lactic acid are usually generated, and the pH of the system is lowered and methane fermentation is suppressed. By adjusting so that it may be in the range of this value, suppression of methane fermentation can be prevented. The pH of the sugar solution is usually about 6 before methane fermentation, and is preferably maintained in the range of 6.4 to 7.0. When the pH is lower than 6, the organic acid accumulated in the sugar solution is not sufficiently neutralized, and methane fermentation is inhibited.
糖液に添加するアルカリ性化合物としては、糖液のpHを6.4〜7.0の範囲に維持できる、アルカリ性を示すものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、アンモニア水、炭酸ナトリウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、酸化マグネシウム、炭酸水素ナトリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、及び水酸化カルシウムなどが挙げられ、これらの中でも水酸化ナトリウムが、メタン発酵の効率の点から好ましい。これらのアルカリ性化合物は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。 The alkaline compound to be added to the sugar solution is not particularly limited as long as the pH of the sugar solution can be maintained in the range of 6.4 to 7.0 and exhibits alkalinity. Examples thereof include sodium, calcium carbonate, magnesium carbonate, magnesium oxide, sodium hydrogen carbonate, sodium hydroxide, potassium hydroxide, and calcium hydroxide. Among these, sodium hydroxide is preferable from the viewpoint of the efficiency of methane fermentation. These alkaline compounds may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.
次に、木質バイオマス原料である木粉50質量部、フェノール誘導体であるp−クレゾール61質量部、60%硫酸100質量部、n−ヘキサン29質量部を用いて、解緩から発酵までの一連の処理をする場合について、図1及び図2を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態にかかる木質バイオマスの発酵システムの概念図である。木質バイオマスの発酵システムは、原料である木質バイオマスから糖成分及びリグノフェノールを生成するための解緩槽1、解緩槽1にて生成された糖成分とリグノフェノールを、それぞれ水層と油層に分離する分離槽2、分離槽2で分離された油層の溶剤を濾過することでリグノフェノールと溶剤を固液分離する濾過機3、濾過機3で濾過されたリグノフェノールを乾燥する乾燥機4、分離槽2で分離された水層(糖液)から酸を回収する樹脂クロマト塔5、樹脂クロマト塔5にて得られた糖液からさらに酸を回収する電気透析槽6、電気透析槽6にて得られた糖液を発酵させる発酵槽7から構成される。
Next, 50 mass parts of wood flour as a woody biomass raw material, 61 mass parts of p-cresol as a phenol derivative, 100 mass parts of 60% sulfuric acid, and 29 mass parts of n-hexane, a series of processes from release to fermentation. The case of processing will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a conceptual diagram of a woody biomass fermentation system according to an embodiment of the present invention. The fermentation system for woody biomass is a release tank 1 for producing sugar components and lignophenol from woody biomass as a raw material, and the sugar component and lignophenol produced in the release tank 1 into an aqueous layer and an oil layer, respectively. Separation tank 2 for separation,
まず、木粉、p−クレゾール、硫酸、n−ヘキサンが解緩槽1に添加され、撹拌される。木粉中のリグニンはα炭素の反応性が高く化学的に不安定であるが、p−クレゾールにより安定化され、リグノフェノールを形成する。また、木粉中のセルロース、ヘミセルロースは硫酸を触媒として加水分解される。解緩槽1における糖化処理は、60〜95℃の温度にて、30〜60分間の処理時間をかけることにより行なわれる。糖化処理の温度が60℃より低くなると加水分解の効率が下がり、また、温度が95℃を超えると、生成した単糖が過分解する傾向にある。なお、加水分解されたセルロース、ヘミセルロース由来の糖成分には、グルコース等の単糖、そのダイマー、オリゴマー、ポリマー等が混合した状態で存在している。 First, wood flour, p-cresol, sulfuric acid, and n-hexane are added to the relaxation tank 1 and stirred. Lignin in wood flour has high α-carbon reactivity and is chemically unstable, but is stabilized by p-cresol to form lignophenol. Cellulose and hemicellulose in wood flour are hydrolyzed using sulfuric acid as a catalyst. The saccharification treatment in the relaxation tank 1 is performed by applying a treatment time of 30 to 60 minutes at a temperature of 60 to 95 ° C. When the temperature of saccharification treatment is lower than 60 ° C., the efficiency of hydrolysis decreases, and when the temperature exceeds 95 ° C., the produced monosaccharide tends to be excessively decomposed. The sugar component derived from hydrolyzed cellulose and hemicellulose is present in a mixed state with monosaccharides such as glucose, dimers, oligomers and polymers thereof.
解緩槽1にて木質バイオマス中のリグニンとセルロース・ヘミセルロースの分解が進行し、また、セルロースとヘミセルロースの加水分解が終了すると、得られた混合液は、分離槽2に送液される。送液された混合液は、分離槽2にて、p−クレゾール、n−ヘキサン、リグノフェノールから構成される油層(上層)と、セルロース、ヘミセルロース由来の糖成分と硫酸から構成される水層(下層)に分離される。油層はスラリー状であり、p−クレゾール59質量部、n−ヘキサン29質量部、リグノフェノール17質量部が存在する。また、水層には、セルロース及びヘミセルロース由来の糖成分20質量部、硫酸115質量部が含まれる。 In the release tank 1, decomposition of lignin and cellulose / hemicellulose in the woody biomass proceeds, and when the hydrolysis of cellulose and hemicellulose is completed, the obtained mixed liquid is sent to the separation tank 2. In the separation tank 2, the fed liquid mixture is divided into an oil layer (upper layer) composed of p-cresol, n-hexane and lignophenol, and an aqueous layer composed of a sugar component derived from cellulose and hemicellulose and sulfuric acid ( Separated into the lower layer). The oil layer is in the form of a slurry and includes 59 parts by mass of p-cresol, 29 parts by mass of n-hexane, and 17 parts by mass of lignophenol. The aqueous layer contains 20 parts by mass of a sugar component derived from cellulose and hemicellulose and 115 parts by mass of sulfuric acid.
分離槽2にて分離された油層は、濾過機3にて固液分離され、固体のリグノフェノールと、液体のp−クレゾールとn−ヘキサンに分離される。固液分離はフィルタープレス等を用いて行うことができ、リグノフェノールはケーク状で得られる。得られたリグノフェノールは、乾燥機4にて乾燥され、成形体等の各種用途の原材料として活用される。また、濾液に含まれるp−クレゾールとn−ヘキサンは回収され、再利用される。n−ヘキサンは蒸留塔で塔頂から回収され、p−クレゾールは塔底から回収される。
The oil layer separated in the separation tank 2 is solid-liquid separated by the
分離槽2にて分離された硫酸を含む溶液は、樹脂クロマト塔5へ送液され、イオン交換クロマトグラフィー法により硫酸が回収される。樹脂クロマト塔5では、イオン交換樹脂により硫酸が吸着され、溶液中に含まれる硫酸のうち、約92〜97%程度、好ましくは約95%が回収される。この場合、樹脂クロマト塔5にて、硫酸109質量部が回収される。
The solution containing sulfuric acid separated in the separation tank 2 is sent to the
回収された糖液には、まだ硫酸が含まれているが、電気透析槽6によりさらに硫酸が回収される。電気透析は、糖液中の硫酸の濃度が0.5質量%より低い値とならないように行なわれる。硫酸の濃度が0.5質量%より低くなると、電流効率が悪くなる傾向にある。電気透析には陽イオン交換膜であるカチオン膜と、陰イオン交換膜であるアニオン膜が隔壁として用いられる。図1の電気透析槽6では、陽極側にカチオン膜が存在し、陰極側にアニオン膜が存在する。電極間に電圧をかけると、硫酸イオンは陽極側へ移動し、水素イオンは陰極側へ移動するが、陰イオンである硫酸イオンはカチオン膜を通過することができず、陽イオンである水素イオンはアニオン膜を通過することができないため、結果として、カチオン膜とアニオン膜の間に陽イオン及び陰イオンが濃縮された液体が得られる。また、カチオン膜とアニオン膜の外側には、陽イオン、陰イオンが除去された液体が得られる。濃縮された液体は硫酸を主成分とするもので、回収され再利用される。この場合、硫酸6質量部が回収される。したがって、樹脂クロマト塔5と電気透析槽6にて合計115質量部の硫酸が回収される。なお、図1の電気透析槽6では、単純化するため、カチオン膜とアニオン膜がそれぞれ1つ設置された図としたが、実際には、複数のカチオン膜とアニオン膜が交互に設置される。
The recovered sugar solution still contains sulfuric acid, but the sulfuric acid is further recovered by the
また、陽イオン、陰イオンが除去された液体、すなわち硫酸が除去された液体は糖液として回収される。この場合、電気透析槽6にて硫酸を回収することで、20質量部の糖液が得られる。得られた糖液中には硫酸が0.5質量%程度しか含まれておらず、この糖液は、発酵槽7へ送液される。
In addition, the liquid from which cations and anions have been removed, that is, the liquid from which sulfuric acid has been removed is recovered as a sugar solution. In this case, 20 mass parts of sugar solution is obtained by collecting sulfuric acid in the
図2は、本発明の実施の形態にかかるメタン発酵方法のフロー図である。嫌気性微生物によりセルロース廃液のメタン発酵が開始されると、まず、酪酸9が生成される。さらに、酪酸9からカプロン酸10が、カプロン酸10から酢酸11が生成され、その後、酢酸11からメタン12が生成される。これらの反応は、逐次的に進行する。発酵槽7へ送液された糖液は、メタン発酵により、中間体として酪酸やカプロン酸などの有機酸が生成し、これがメタン発酵を阻害することが予測されるため、嫌気性微生物によるメタン発酵を行う前に、水が添加され、糖液の濃度が0.15〜0.3mol/Lとなるように希釈される。希釈後の糖液の炭素濃度は、0.15〜0.3mol/Lとなる。また、メタン発酵の進行中には、糖液にアルカリ性化合物が適宜添加され、糖液のpHが6.4〜7.0の範囲になるように維持される。糖液を中和する際には、緩衝液にしておくことが好ましい。このようにすることで、メタン発酵の収率を向上させることが可能となる。得られるメタンは16質量部であり、4質量部の残渣が残る。なお、メタン発酵を行う前に、アルカリ性化合物を添加して、糖液中に残った硫酸を中和することが必要である。また、メタン発酵は、25〜50℃で行なうことが好ましい。
FIG. 2 is a flowchart of the methane fermentation method according to the embodiment of the present invention. When methane fermentation of cellulose waste liquid is started by anaerobic microorganisms,
以下に実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited thereto.
(実施例1)
(メタン発酵実験)
酵母エキス、塩化アンモニウムおよびリン酸水素二カリウムをそれぞれ1.0mg/ml、レサズリンナトリウム(酸化還元指示薬)を1.0mg/lに調整した後、オートクレーブにより滅菌することで、栄養塩水溶液を調整した。70ml容バイアル瓶に10mlの中海底質(湿重13g、含水率78%)を取り、グルコース溶液(1.5M)に水を添加し、サンプルの濃度が0.15Mとなるように希釈したものに栄養塩水溶液(pH7.0)40mlを添加した。
Example 1
(Methane fermentation experiment)
After adjusting yeast extract, ammonium chloride and dipotassium hydrogen phosphate to 1.0 mg / ml and resazurin sodium (redox indicator) to 1.0 mg / l respectively, sterilization with an autoclave makes the aqueous nutrient salt solution It was adjusted. 10ml of middle sea sediment (wet weight 13g, moisture content 78%) is taken in a 70ml vial, water is added to glucose solution (1.5M), and diluted to a sample concentration of 0.15M 40 ml of an aqueous nutrient salt solution (pH 7.0) was added.
サンプルをブチルゴムで密栓してアルミキャップでシールした後、25℃の暗所で静置培養した。サンプルは1週間毎に注射器を射して、内圧を大気圧に戻し、増加した体積を測定してから、ヘッドスペースの20μlをガスクロマトグラフによるメタンおよび二酸化炭素の濃度測定を行った。メタンはFID(カラム:Porapak Q、キャリアガス:ヘリウム20ml/min、カラム温度:70℃、注入口の検出温度:150℃)、二酸化炭素はTCD(カラム:シリカゲルカラム、キャリアガス:ヘリウム80ml/min、カラム温度:70℃、注入口の検出温度:100℃)で検出し、それぞれの標準ガスを用いて同定・定量した。
The sample was sealed with butyl rubber and sealed with an aluminum cap, followed by stationary culture in a dark place at 25 ° C. Samples were fired every week for injection, the internal pressure was returned to atmospheric pressure, and the increased volume was measured. Then, 20 μl of the head space was measured for methane and carbon dioxide concentrations by gas chromatography. Methane is FID (column: Porapak Q, carrier gas:
(メタン生成割合)
サンプルについて、発酵後のメタン濃度を測定し、下記の式を用いて、メタン生成割合を算出した。
About the sample, the methane density | concentration after fermentation was measured and the methane production | generation ratio was computed using the following formula.
(実施例2)
調整したサンプルについて、メタン発酵中の糖液のpHが6.4〜7.0の範囲になるように、0.5M水酸化ナトリウム溶液を糖液の発酵が終了するまで適宜滴下した以外は、実施例1と同様にしてサンプルの静置培養を行った。
(Example 2)
About the adjusted sample, 0.5M sodium hydroxide solution was appropriately added dropwise until the fermentation of the sugar solution was completed so that the pH of the sugar solution during the methane fermentation was in the range of 6.4 to 7.0. The sample was statically cultured in the same manner as in Example 1.
(比較例1)
サンプルについて、水による希釈を行わないこと以外は、実施例1と同様にしてサンプル(濃度1.5M)の静置培養を行い、メタンおよび二酸化炭素の濃度測定を行った。
(Comparative Example 1)
For the sample, the sample (concentration 1.5 M) was statically cultured in the same manner as in Example 1 except that the dilution with water was not performed, and the concentrations of methane and carbon dioxide were measured.
(比較例2)
サンプルについて、水による希釈を行わないこと以外は、実施例2と同様にしてサンプル(濃度1.5M)の静置培養を行い、メタンおよび二酸化炭素の濃度測定を行った。
(Comparative Example 2)
For the sample, the sample (concentration of 1.5 M) was statically cultured in the same manner as in Example 2 except that the dilution with water was not performed, and the concentrations of methane and carbon dioxide were measured.
図3は、実施例及び比較例にかかるメタン発酵実験の結果を示すグラフである。図3に示すように、実施例1では、養時間が35日を経過した後からメタン濃度が増加し、培養時間が115日になるとメタン生成割合が24%に到達した。また、実施例2では、培養時間が21日を経過した後からメタン濃度が増加し、培養時間が115日になるとメタン生成割合が31%に到達した。一方、比較例1では、培養時間が35日経過してもメタン生成割合は0%であり、メタンの生成は確認されなかった。また、比較例2では、35日を経過した後からメタン濃度が増加し、培養時間が115日になるとメタン生成割合が8%に到達した。 FIG. 3 is a graph showing the results of methane fermentation experiments according to Examples and Comparative Examples. As shown in FIG. 3, in Example 1, the methane concentration increased after 35 days had passed and the methane production rate reached 24% when the culture time reached 115 days. In Example 2, the methane concentration increased after 21 days of culture time, and the methane production rate reached 31% when the culture time reached 115 days. On the other hand, in Comparative Example 1, the methane production rate was 0% even when the culture time was 35 days, and the production of methane was not confirmed. In Comparative Example 2, the methane concentration increased after 35 days, and the methane production rate reached 8% when the culture time reached 115 days.
1 解緩槽
2 分離槽
3 濾過機
4 乾燥機
5 樹脂クロマト塔
6 電気透析槽
7 発酵槽
8 セルロース廃液(高濃度グルコース)
9 酪酸
10 カプロン酸
11 酢酸
12 メタン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Relaxation tank 2
9
Claims (3)
The alkaline compound is any one selected from the group consisting of aqueous ammonia, sodium carbonate, calcium carbonate, magnesium carbonate, magnesium oxide, sodium bicarbonate, sodium hydroxide, potassium hydroxide, and calcium hydroxide. 2. The methane fermentation method according to 2 .
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