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JP7679938B2 - Fuel gas production apparatus and fuel gas production method - Google Patents
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Description

本発明は、燃料ガス製造装置および燃料ガス製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel gas production apparatus and a fuel gas production method.

リグノセルロース系バイオマスは、植物細胞の細胞壁、即ち植物繊維の主成分を構成する、地球上に多く存在する有機炭素源であることから、石油などの化石燃料に代わるエネルギー資源として注目されている。また、リグノセルロース系バイオマスは、難分解性の有機性廃棄物であることから、分解の段階において多大なエネルギー、コスト、及び時間を要する。そのため、エネルギー資源としての利用の拡大が滞っているのが実情である。 Lignocellulosic biomass is an abundant source of organic carbon on Earth that constitutes the cell walls of plant cells, i.e., the main component of plant fiber, and is therefore attracting attention as an alternative energy resource to fossil fuels such as petroleum. In addition, because lignocellulosic biomass is a difficult-to-decompose organic waste, the decomposition stage requires a great deal of energy, cost, and time. For this reason, the expansion of its use as an energy resource has been stagnant.

従来、リグノセルロース系バイオマスを、反芻動物の第一胃液(ルーメン液)に存在するルーメン微生物を利用して分解することにより酢酸等の揮発性脂肪酸を生産し、揮発性脂肪酸を基質としてメタン発酵を行うことで、バイオガスを作り出す技術が知られている(例えば、非特許文献1)。 A technology has been known that produces biogas by decomposing lignocellulosic biomass using ruminal microorganisms present in the first stomach fluid (rumen fluid) of ruminants to produce volatile fatty acids such as acetic acid, and then carrying out methane fermentation using the volatile fatty acids as a substrate (e.g., Non-Patent Document 1).

非特許文献1には、セルロースを分解して揮発性脂肪酸を生産するための酸生成槽(第1反応器)にメタン生成槽(第2反応器)を連結した2相式プロセスが開示されている。具体的には、酸生成槽では、ルーメン微生物のはたらきによりセルロースが分解されて揮発性脂肪酸が生産され、膜分離装置を利用して揮発性脂肪酸を多く含む液相がメタン生成槽に供給され、揮発性脂肪酸を基質としてメタン発酵が行われることによりメタンガスが生成することが開示されている。 Non-Patent Document 1 discloses a two-phase process in which a methanogenesis tank (second reactor) is connected to an acidogenesis tank (first reactor) for decomposing cellulose to produce volatile fatty acids. Specifically, it discloses that in the acidogenesis tank, cellulose is decomposed by the action of ruminal microorganisms to produce volatile fatty acids, and a liquid phase rich in volatile fatty acids is supplied to a methanogenesis tank using a membrane separation device, where methane fermentation is carried out using the volatile fatty acids as a substrate to produce methane gas.

Huub J.Gijzen,他3名、「効率的な酸生成のためにルーメン微生物を用いた、セルロースの嫌気性分解のための高速二相プロセス(High-Rate two-phase process for the anaerobic degradation of cellulose,employing rumen microorganisms for an efficient acidogenesis)」、バイオテクロノジー アンド バイオエンジニアリング(Biotechnology and Bioengineering)、Vol.31、pp.418-425(1988)Hubub J. Gijzen, et al., "High-Rate two-phase process for the anaerobic degradation of cellulose, employing rumen microorganisms for an efficient acidogenesis," Biotechnology and Bioengineering, Vol. 31, pp. 418-425 (1988)

しかしながら、非特許文献1に記載の2相式プロセスにおいては、固形物滞留時間(SRT:Sludge retension time)の調節の都合上、固液分離が行われることから、酸生成槽内の処理液の固形物濃度(TS)を1.0重量%以下にする必要がある。そのため、大量の培地や希釈水が必要となり、それに起因して、メタン生成設備は、巨大な容量のメタン発酵槽、または高負荷対応が可能なUASB方式やEGSB方式に限定され、既設のメタン発酵槽に適用しようとしても槽容量が不十分であることから適用できない、という問題があった。また、UASB方式やEGSB方式のメタン発酵槽を適用すると、酸生成槽内の浮遊物質を多く含む(SS濃度が高い)懸濁液は処理されず、固液分離された膜ろ過水のみが処理されるため、系外に懸濁液が排出され、固形廃棄物が多く発生するといった問題があった。 However, in the two-phase process described in Non-Patent Document 1, solid-liquid separation is performed for the sake of adjusting the solid retention time (SRT), so the solid concentration (TS) of the treatment liquid in the acid generation tank needs to be 1.0% by weight or less. This requires a large amount of medium and dilution water, which causes the problem that methane generation equipment is limited to huge capacity methane fermentation tanks or UASB and EGSB systems that can handle high loads, and even if an attempt is made to apply this to existing methane fermentation tanks, the tank capacity is insufficient, making it impossible to apply. In addition, when a methane fermentation tank using the UASB or EGSB method is applied, the suspension containing a large amount of suspended solids (high SS concentration) in the acid generation tank is not treated, and only the membrane filtrate water separated from the solid-liquid is treated, so the suspension is discharged outside the system, and a large amount of solid waste is generated.

そこで、本発明は、有機性廃棄物の分解が行われる処理液中の固形物濃度(TS)を調整するための人工培地(人工だ液)などの液体培地や希釈水の使用量を低減することができるとともに、固形廃棄物の排出量を低減することができるバイオマス由来の燃料ガスを製造するための燃料ガス製造装置および燃料ガス製造方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a fuel gas production device and a fuel gas production method for producing biomass-derived fuel gas that can reduce the amount of liquid medium, such as artificial medium (artificial saliva), used to adjust the solids concentration (TS) in the treatment liquid in which organic waste is decomposed, and the amount of dilution water used, while also reducing the amount of solid waste discharged.

上記課題を解決するために、本発明の燃料ガス製造装置は、バイオマス由来の燃料ガスを製造するための燃料ガス製造装置であって、ルーメン微生物を培養する培養槽と、前記培養槽内において得られた前記ルーメン微生物の培養液と有機性廃棄物とを混合し、前記有機性廃棄物を処理して易分解性有機性廃棄物及び揮発性脂肪酸に変換する前処理槽と、前記前処理槽内において得られた前記易分解性有機性廃棄物及び前記揮発性脂肪酸を基質として発酵を行う発酵槽とを備える。 In order to solve the above problems, the fuel gas production apparatus of the present invention is a fuel gas production apparatus for producing fuel gas derived from biomass, and includes a culture tank for culturing ruminal microorganisms, a pretreatment tank for mixing the culture solution of the ruminal microorganisms obtained in the culture tank with organic waste and treating the organic waste to convert it into easily degradable organic waste and volatile fatty acids, and a fermentation tank for fermenting the easily degradable organic waste and volatile fatty acids obtained in the pretreatment tank as substrates.

上記構成によれば、培養槽において、有機性廃棄物を分解するルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)を培養し、下流の前処理槽に安定供給することができる。そのため、燃料ガス製造装置を運転する際に、その都度、ルーメン液を反芻動物から採取し、燃料ガス製造装置が設置された施設まで運搬する頻度が低減されることから、コストを削減することができる。また、前処理槽は、有機性廃棄物を処理して、有機性廃棄物の部分分解物等の易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸の生成等の機能に特化されているため、前処理槽への有機性廃棄物の供給量を通常よりも高く設定することができる。さらに、前処理槽内の前処理液は、固液分離が行われる必要がなく、下流に連結する発酵槽に供給されるため、国内外で多く普及する固形(スラリー状)廃棄物の処理を行う完全混合型の発酵(嫌気性消化)方式の発酵槽を採用することができる。完全混合型の発酵方式の発酵槽は、上流の前処理槽内で固液分離された前処理液の膜ろ過水のみの処理を行うUASBとは異なり、懸濁液についても処理することができるため、人工培地(人工だ液)などの液体培地や希釈水の使用量を低減することができる。また、前処理液の懸濁液に含まれる易分解性有機性廃棄物を基質として発酵が行われることから、固形廃棄物の排出量を低減することができるとともに、生成する燃料ガスの増産が期待できる。さらに、培養槽、前処理槽、及び発酵槽と、各槽で行われる処理が明確であるため、運転管理やトラブル対応が容易となる。 According to the above configuration, ruminal microorganisms (lignocellulose-decomposing bacteria) that decompose organic waste can be cultured in the culture tank and stably supplied to the downstream pretreatment tank. Therefore, when operating the fuel gas production device, the frequency of collecting ruminal fluid from ruminants and transporting it to the facility where the fuel gas production device is installed is reduced, thereby reducing costs. In addition, since the pretreatment tank is specialized for treating organic waste and producing easily decomposable organic waste such as partial decomposition products of organic waste and volatile fatty acids, the amount of organic waste supplied to the pretreatment tank can be set higher than usual. Furthermore, since the pretreatment liquid in the pretreatment tank does not need to be separated into solid and liquid and is supplied to the fermentation tank connected downstream, a complete mixing type fermentation (anaerobic digestion) type fermentation tank that treats solid (slurry-like) waste, which is widely used both domestically and internationally, can be adopted. Unlike UASB, which only processes membrane-filtered water from pretreatment liquid that has been separated into solid and liquid in an upstream pretreatment tank, fermentation tanks using the complete mixing fermentation method can also process suspensions, which reduces the amount of liquid culture medium such as artificial medium (artificial saliva) and dilution water used. In addition, since fermentation is carried out using the easily decomposable organic waste contained in the suspension of the pretreatment liquid as a substrate, it is possible to reduce the amount of solid waste discharged and to expect an increase in the production of fuel gas. Furthermore, since the processing carried out in each tank, namely the culture tank, pretreatment tank, and fermentation tank, is clear, operation management and troubleshooting are made easier.

また、本発明の燃料ガス製造装置において、前記有機性廃棄物を所定の比率で前記培養槽と前記前処理槽とに供給するように構成されていてもよい。 The fuel gas production apparatus of the present invention may also be configured to supply the organic waste to the culture tank and the pretreatment tank at a predetermined ratio.

上記構成によれば、有機性廃棄物を所定の比率で培養槽と前処理槽とに供給することで、培養槽では、有機性廃棄物の分解活性が高いルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)を培養することができ、前処理槽では、有機性廃棄物の部分分解物等の易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸の生成等が効率的に行われる。 According to the above configuration, by supplying organic waste to the culture tank and the pretreatment tank at a predetermined ratio, ruminal microorganisms (lignocellulose-decomposing bacteria) with high decomposition activity for organic waste can be cultivated in the culture tank, and easily decomposable organic waste such as partial decomposition products of organic waste and volatile fatty acids can be efficiently produced in the pretreatment tank.

また、本発明の燃料ガス製造装置において、前記前処理槽内において得られた前記易分解性有機性廃棄物及び前記揮発性脂肪酸を含む前処理液を前記培養槽へ供給するように構成されていてもよい。 The fuel gas production apparatus of the present invention may also be configured to supply a pretreatment liquid containing the easily decomposable organic waste and the volatile fatty acids obtained in the pretreatment tank to the culture tank.

上記構成によれば、前処理槽内の前処理液には、リグノセルロース分解細菌の栄養源として、有機性廃棄物に含まれるリグノセルロースの未分解物もしくは部分分解物や、窒素源やリン源となる物質が含まれるため、前処理液を前記培養槽へ供給することによって、培養槽内のリグノセルロース分解細菌の生育・増殖がより促進されるとともに、さらなる加水分解により、揮発性脂肪酸等の生産量が向上する。 According to the above configuration, the pretreatment liquid in the pretreatment tank contains undecomposed or partially decomposed lignocellulose contained in the organic waste as well as substances that serve as nitrogen and phosphorus sources, which serve as nutrient sources for the lignocellulose-decomposing bacteria. Therefore, by supplying the pretreatment liquid to the culture tank, the growth and proliferation of the lignocellulose-decomposing bacteria in the culture tank is further promoted, and further hydrolysis increases the production of volatile fatty acids, etc.

また、本発明の燃料ガス製造装置において、前記培養槽内において前記培養液を固液分離する固液分離手段をさらに備えていてもよい。 The fuel gas production apparatus of the present invention may further include a solid-liquid separation means for separating the culture liquid into solid and liquid in the culture tank.

上記構成によれば、培養槽内に固液分離手段を設けることによって、培養槽内の培養液を、リグノセルロース分解細菌の生育・増殖にとって好ましくない高濃度の揮発性脂肪酸を含むろ過液とリグノセルロース分解細菌が多く付着した浮遊物質を含む懸濁液とに分離することができる。そのため、水理学的滞留時間(HRT:Hydraulic Retention Time)と固形物滞留時間(SRT:Sludge retention time)の個別の制御が可能となり、揮発性脂肪酸を多く含むろ過液が培養槽から排出され、懸濁液に含まれるリグノセルロース分解細菌の生育・増殖が促進される。 According to the above configuration, by providing a solid-liquid separation means in the culture tank, the culture liquid in the culture tank can be separated into a filtrate containing a high concentration of volatile fatty acids that are unfavorable for the growth and proliferation of lignocellulose-decomposing bacteria, and a suspension containing suspended matter to which many lignocellulose-decomposing bacteria are attached. This makes it possible to individually control the hydraulic retention time (HRT) and the solid retention time (SRT), and the filtrate containing a large amount of volatile fatty acids is discharged from the culture tank, promoting the growth and proliferation of the lignocellulose-decomposing bacteria contained in the suspension.

また、本発明の燃料ガス製造装置において、易分解性の有機性廃棄物を前記発酵槽に供給するように構成されていてもよい。 The fuel gas production apparatus of the present invention may also be configured to supply easily decomposable organic waste to the fermenter.

上記構成によれば、易分解性の有機性廃棄物を発酵槽に供給し、前処理槽には供給しないため、前処理槽をコンパクト化することができる。それに伴い、人工培地(人工だ液)などの液体培地や希釈水の使用量を低減することができる。 According to the above configuration, easily decomposable organic waste is supplied to the fermentation tank and not to the pretreatment tank, so the pretreatment tank can be made compact. As a result, the amount of liquid culture medium such as artificial culture medium (artificial saliva) and dilution water used can be reduced.

上記課題を解決するために、本発明の燃料ガス製造方法は、バイオマス由来の燃料ガスを製造するための燃料ガス製造方法であって、ルーメン微生物を培養する培養工程と、前記培養工程において得られた前記ルーメン微生物の培養液と有機性廃棄物とを混合し、前記有機性廃棄物を処理して易分解性有機性廃棄物及び揮発性脂肪酸に変換する前処理工程と、前記前処理工程において得られた前記易分解性有機性廃棄物及び前記揮発性脂肪酸を基質として発酵を行う発酵工程とを備え、前記培養工程は、前記培養液を固液分離する固液分離工程をさらに備える。 In order to solve the above problems, the fuel gas production method of the present invention is a fuel gas production method for producing biomass-derived fuel gas, and includes a culture process for culturing ruminal microorganisms, a pretreatment process for mixing the culture solution of the ruminal microorganisms obtained in the culture process with organic waste and treating the organic waste to convert it into easily degradable organic waste and volatile fatty acids, and a fermentation process for fermenting the easily degradable organic waste and the volatile fatty acids obtained in the pretreatment process as substrates, and the culture process further includes a solid-liquid separation process for separating the culture solution into solid and liquid.

上記構成によれば、培養工程において、有機性廃棄物を分解するルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)を培養し、前処理工程が実施される前処理槽に安定供給することができる。そのため、燃料ガス製造方法を実施する際に、その都度、ルーメン液を反芻動物から採取し、燃料ガス製造方法を実施する施設まで運搬する頻度が低減されることから、コストを削減することができる。また、前処理工程が実施される前処理槽は、有機性廃棄物の部分分解物等の易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸の生成等の機能に特化されているため、前処理槽への有機性廃棄物の供給量を通常よりも高く設定することができる。さらに、前処理槽内の前処理液は、固液分離が行われる必要がなく、下流の発酵槽に供給されるため、国内外で多く普及する固形(スラリー状)廃棄物の処理を行う完全混合型の発酵(嫌気性消化)方式の発酵槽を採用して発酵工程を実施することができる。完全混合型の発酵方式の発酵槽は、固液分離された前処理液の膜ろ過水のみを処理することができるUASB等とは異なり、懸濁液についても処理することができるため、人工培地(人工だ液)などの液体培地や希釈水の使用量を低減することができる。また、前処理液の懸濁液に含まれる易分解性有機性廃棄物を基質として発酵が行われることから、固形廃棄物の排出量を低減することができるとともに、生成する燃料ガスの増産が期待できる。さらに、培養工程、前処理工程、及び発酵工程と、各工程で行われる処理が明確であるため、運転管理やトラブル対応が容易となる。また、培養工程が、ルーメン微生物の培養液をろ過液と懸濁液とに固液分離する固液分離工程を備えることによって、培養槽内の培養液を、リグノセルロース分解細菌の生育・増殖にとって好ましくない高濃度の揮発性脂肪酸を多く含むろ過液とリグノセルロース分解細菌が多く付着した浮遊物質を含む懸濁液とに分離することができる。そのため、水理学的滞留時間(HRT)と固形物滞留時間(SRT)の個別の制御が可能となり、揮発性脂肪酸を多く含むろ過液が培養槽から排出され、懸濁液に含まれるリグノセルロース分解細菌の生育・増殖が促進される。 According to the above configuration, in the culture step, ruminal microorganisms (lignocellulose-decomposing bacteria) that decompose organic waste can be cultured and stably supplied to the pretreatment tank in which the pretreatment step is carried out. Therefore, when carrying out the fuel gas production method, the frequency of collecting ruminal fluid from ruminants and transporting it to the facility in which the fuel gas production method is carried out is reduced, thereby reducing costs. In addition, since the pretreatment tank in which the pretreatment step is carried out is specialized for the functions of easily decomposable organic waste such as partial decomposition products of organic waste and the production of volatile fatty acids, the amount of organic waste supplied to the pretreatment tank can be set higher than usual. Furthermore, since the pretreatment liquid in the pretreatment tank does not need to be separated into solid and liquid and is supplied to the downstream fermentation tank, the fermentation step can be carried out by adopting a fermentation tank of a complete mixing type fermentation (anaerobic digestion) method that treats solid (slurry-like) waste, which is widely used both domestically and overseas. Unlike UASBs and the like, which can only treat membrane-filtered water of solid-liquid separated pretreatment liquid, fermentation tanks using the complete mixing fermentation method can also treat suspensions, so that the amount of liquid medium such as artificial medium (artificial saliva) and dilution water used can be reduced. In addition, since fermentation is performed using easily decomposable organic waste contained in the suspension of the pretreatment liquid as a substrate, the amount of solid waste discharged can be reduced and an increase in the amount of fuel gas generated can be expected. Furthermore, since the processes performed in each process, namely the culture process, the pretreatment process, and the fermentation process, are clearly defined, operation management and troubleshooting can be easily performed. In addition, by providing a solid-liquid separation process for separating the culture solution of ruminal microorganisms into a solid-liquid separation solution and a suspension, the culture solution in the culture tank can be separated into a filtrate containing a high concentration of volatile fatty acids that are unfavorable for the growth and proliferation of lignocellulose-decomposing bacteria, and a suspension containing suspended matter to which many lignocellulose-decomposing bacteria are attached. This makes it possible to control hydraulic retention time (HRT) and solid retention time (SRT) separately, and the filtrate containing a large amount of volatile fatty acids is discharged from the culture tank, promoting the growth and proliferation of the lignocellulose-decomposing bacteria contained in the suspension.

また、本発明の燃料ガス製造方法において、前記発酵工程は、メタン発酵工程、及び水素発酵工程の少なくとも一方を含んでいてもよい。 In the fuel gas production method of the present invention, the fermentation process may include at least one of a methane fermentation process and a hydrogen fermentation process.

上記構成によれば、前記発酵工程は、メタン発酵工程、及び水素発酵工程の少なくとも一方を含むことによって、燃料ガスとして利用可能なメタンガスや水素ガスを目的に応じて製造することができる。 According to the above configuration, the fermentation process includes at least one of a methane fermentation process and a hydrogen fermentation process, so that methane gas or hydrogen gas that can be used as fuel gas can be produced according to the purpose.

本発明によれば、有機性廃棄物の分解が行われる処理液中の固形物濃度(TS)を調整するための人工培地(人工だ液)などの液体培地や希釈水の使用量を低減することができるとともに、固形廃棄物の排出量を低減することができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the amount of liquid medium such as artificial medium (artificial saliva) used to adjust the solids concentration (TS) in the treatment liquid in which organic waste is decomposed, and the amount of dilution water used, and to reduce the amount of solid waste discharged.

第1実施形態に係る燃料ガス製造装置の概略構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel gas production apparatus according to a first embodiment. 第1実施形態に係る燃料ガス製造装置の培養槽の概略構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a culture tank of the fuel gas production apparatus according to the first embodiment. 第2実施形態に係る燃料ガス製造装置の概略構成を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel gas production apparatus according to a second embodiment. 第3実施形態に係る燃料ガス製造装置の概略構成を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel gas production apparatus according to a third embodiment. 従来の燃料ガス製造装置を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a conventional fuel gas production apparatus. 第1実施形態に係る燃料ガス製造装置に有機性廃棄物を供給する事例1の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a first example of supplying organic waste to the fuel gas production apparatus according to the first embodiment. 2相式の燃料ガス製造装置に有機性廃棄物を供給する事例2の説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram of Example 2 in which organic waste is supplied to a two-phase fuel gas production apparatus.

本発明に係るバイオマス由来の燃料ガスを製造するための燃料ガス製造装置、及びバイオマス由来の燃料ガスを製造するための燃料ガス製造方法に関する実施形態や図面について、以下に具体的に説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施形態や図面に記載されている構成に限定されることを意図しない。 The following describes in detail the embodiments and drawings relating to the fuel gas production apparatus for producing biomass-derived fuel gas and the fuel gas production method for producing biomass-derived fuel gas according to the present invention. However, the present invention is not intended to be limited to the configurations shown in the embodiments and drawings described below.

(第1実施形態)
以下、図1及び図2を用いて、第1実施形態に係る燃料ガス製造装置100及び燃料ガス製造方法を説明する。図1は、第1実施形態に係る燃料ガス製造装置100の概略構成を示す図である。図2は、第1実施形態に係る燃料ガス製造装置100の培養槽10の概略構成を示す図である。
First Embodiment
Hereinafter, a fuel gas production apparatus 100 and a fuel gas production method according to the first embodiment will be described with reference to Figures 1 and 2. Figure 1 is a diagram showing a schematic configuration of the fuel gas production apparatus 100 according to the first embodiment. Figure 2 is a diagram showing a schematic configuration of a culture tank 10 of the fuel gas production apparatus 100 according to the first embodiment.

図1に示す燃料ガス製造装置100は、有機性廃棄物Bを原料として、バイオメタンガスやバイオ水素等の燃料ガスを製造する装置である。燃料ガス製造装置100は、ルーメン微生物を培養する培養槽10、有機性廃棄物Bを処理するルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)を用いて有機性廃棄物Bを下流の発酵槽30で利用されやすい形(易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸)に変換(分解)する前処理槽20、及び有機性廃棄物Bの分解物である易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸を基質として発酵を行い、燃料ガスを生成する発酵槽30により構成される3相式のシステムである。 The fuel gas production device 100 shown in FIG. 1 is a device that produces fuel gas such as biomethane gas and biohydrogen using organic waste B as a raw material. The fuel gas production device 100 is a three-phase system consisting of a culture tank 10 for culturing ruminal microorganisms, a pretreatment tank 20 that uses ruminal microorganisms (lignocellulose-decomposing bacteria) that treat the organic waste B to convert (decompose) the organic waste B into a form that is easily usable in the downstream fermentation tank 30 (easily decomposable organic waste and volatile fatty acids), and a fermentation tank 30 that ferments the easily decomposable organic waste and volatile fatty acids, which are the decomposition products of the organic waste B, as substrates to produce fuel gas.

(培養槽)
培養槽10では、牛などの反芻動物から採取されたルーメン液に存在するルーメン微生物が培養されている。培養槽10に、人工培地(人工だ液)などの液体培地Mと有機性廃棄物Bが供給されると、ルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)が有機性廃棄物Bを分解代謝することにより増殖するとともに有機性廃棄物Bの分解物(リグノセルロースの部分分解物等の易分解性有機性廃棄物や酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸等の揮発性脂肪酸(VFA:Volatile Fatty Acid))が生産される。また、培養槽10内のリグノセルロース分解細菌の培養液は、下流の前処理槽20に安定供給される。
(culture tank)
Rumen microorganisms present in ruminal fluid collected from ruminants such as cows are cultured in the culture tank 10. When a liquid medium M such as an artificial medium (artificial saliva) and organic waste B are supplied to the culture tank 10, the ruminal microorganisms (lignocellulose-decomposing bacteria) grow by decomposing and metabolizing the organic waste B, and produce decomposition products of the organic waste B (easily decomposable organic waste such as partial decomposition products of lignocellulose, and volatile fatty acids (VFAs) such as acetic acid, propionic acid, butyric acid, and valeric acid). The culture solution of the lignocellulose-decomposing bacteria in the culture tank 10 is stably supplied to the downstream pretreatment tank 20.

培養槽10は、牛などの反芻動物の第一胃(ルーメン)の生理状態を模擬した条件とすることが好ましい。また、リグノセルロース分解細菌の増殖が十分となるように、固液分離手段40により水理学的滞留時間(HRT)と固形物滞留時間(SRT)が任意に制御されることが好ましい。リグノセルロース分解細菌は、培養液中の固形物の表面に付着して増殖するため、HRTよりもSRTが長くなるように運転制御されることが好ましい。 The conditions in the culture tank 10 are preferably set to simulate the physiological state of the first stomach (rumen) of ruminants such as cows. In addition, it is preferable that the hydraulic retention time (HRT) and solid retention time (SRT) are arbitrarily controlled by the solid-liquid separation means 40 so that the proliferation of the lignocellulose-decomposing bacteria is sufficient. Since the lignocellulose-decomposing bacteria proliferate by adhering to the surface of solid matter in the culture solution, it is preferable that the operation is controlled so that the SRT is longer than the HRT.

(前処理槽)
前処理槽20には、上流の培養槽10からリグノセルロース分解細菌の培養液が供給され、さらに、有機性廃棄物Bが投入されて混合される。前処理槽20では、有機性廃棄物Bがリグノセルロース分解細菌のはたらきにより分解され、低分子化された有機性廃棄物Bの分解物(リグノセルロースの部分分解物等の易分解性有機性廃棄物や酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸等の揮発性脂肪酸(VFA:Volatile Fatty Acid))が生産される。なお、前処理槽20において、易分解性有機性廃棄物及び揮発性脂肪酸から選択される少なくとも一つが生産されていればよい。前処理槽20は、培養槽10と同様、牛などの反芻動物の第一胃(ルーメン)の生理状態を模擬した条件とすることが好ましい。
(Pretreatment tank)
The pretreatment tank 20 is supplied with a culture solution of lignocellulose-decomposing bacteria from the upstream culture tank 10, and furthermore, organic waste B is introduced and mixed. In the pretreatment tank 20, the organic waste B is decomposed by the action of the lignocellulose-decomposing bacteria, and decomposition products of the low-molecular-weight organic waste B (easily decomposable organic waste such as partial decomposition products of lignocellulose and volatile fatty acids (VFAs) such as acetic acid, propionic acid, butyric acid, and valeric acid) are produced. Note that it is sufficient that at least one selected from easily decomposable organic waste and volatile fatty acids is produced in the pretreatment tank 20. As with the culture tank 10, the pretreatment tank 20 is preferably set to a condition simulating the physiological state of the first stomach (rumen) of a ruminant such as a cow.

燃料ガス製造装置100において、有機性廃棄物Bを所定の比率(例えば1:10)で培養槽10と前処理槽20とにそれぞれ供給することが好ましい。培養槽10では有機性廃棄物Bの分解活性が高いルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)を培養することができ、前処理槽20では有機性廃棄物Bの処理が効率的に行われる。 In the fuel gas production apparatus 100, it is preferable to supply organic waste B to the culture tank 10 and the pretreatment tank 20 at a predetermined ratio (for example, 1:10). In the culture tank 10, ruminal microorganisms (lignocellulose-decomposing bacteria) that have high decomposition activity for organic waste B can be cultured, and in the pretreatment tank 20, organic waste B is efficiently treated.

(発酵槽)
発酵槽30に、前処理槽20から易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸を多く含む前処理液が供給されると、易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸を基質(原料)とする発酵反応が進行し、燃料ガスGが生成する。発酵槽30に供給される基質としては、易分解性有機性廃棄物及び揮発性脂肪酸から選択される少なくとも一つが含まれていればよい。発酵槽30内において行われる発酵反応は、バイオメタンガスの生成に寄与するメタン発酵の他、バイオ水素の生成に寄与する水素発酵であってもよく、例えば、第一段階として、水素発酵が行われた後に、第二段階としてメタン発酵が行われる、水素・メタン二段発酵であってもよい。なお、発酵槽30から排出される発酵残渣Rは濃縮され、肥料や建築資材等として利用することができる。
(Fermentation tank)
When the pretreatment liquid containing a large amount of easily decomposable organic waste and volatile fatty acids is supplied from the pretreatment tank 20 to the fermentation tank 30, a fermentation reaction using the easily decomposable organic waste and volatile fatty acids as substrates (raw materials) proceeds, and fuel gas G is generated. The substrate supplied to the fermentation tank 30 may contain at least one selected from easily decomposable organic waste and volatile fatty acids. The fermentation reaction performed in the fermentation tank 30 may be methane fermentation contributing to the production of biomethane gas, or hydrogen fermentation contributing to the production of biohydrogen. For example, it may be hydrogen/methane two-stage fermentation in which hydrogen fermentation is performed as a first stage and then methane fermentation is performed as a second stage. The fermentation residue R discharged from the fermentation tank 30 is concentrated and can be used as fertilizer, building material, etc.

上記のとおり、本実施形態に係る燃料ガス製造装置100によれば(1)ルーメン微生物を培養する培養槽10、(2)有機性廃棄物Bを処理して易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸を生産する前処理槽20、及び(3)易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸を基質として発酵反応を行う発酵槽30、と各槽の役割が分かれているので、運転制御が行いやすいという利点がある。 As described above, the fuel gas production apparatus 100 according to this embodiment has the advantage that the roles of each tank are separate: (1) the culture tank 10 for culturing ruminal microorganisms, (2) the pretreatment tank 20 for treating organic waste B to produce easily degradable organic waste and volatile fatty acids, and (3) the fermentation tank 30 for carrying out a fermentation reaction using easily degradable organic waste and volatile fatty acids as substrates.

(固液分離手段)
図2は、第1実施形態に係る燃料ガス製造装置100の培養槽10の概略構成を示す図であり、培養槽10に設置される固液分離手段40として、ろ過膜41が図示されている。固液分離手段40は、培養液をろ過液と懸濁液とに分離する。図2に示すように、培養槽10では、培養液が撹拌機50で攪拌され、ろ過膜41により固液分離されたろ過液及び未分解もしくは部分分解された浮遊物質を含む懸濁液が、それぞれろ過液送液管11及び懸濁液送液管12を通して下流の前処理槽20に送られる。培養液のろ過液と懸濁液が培養槽10から引き抜かれて前処理槽20に送られる量をポンプPにより適宜調整することによって、培養液の水理学的滞留時間(HRT)及び固形物滞留時間(SRT)が個別に制御される。培養液のろ過液と懸濁液には多数のリグノセルロース分解細菌が含まれるため、下流の前処理槽20に供給されると、有機性廃棄物Bの分解が効率的に行われる。なお、図2においては、固液分離手段40として、ろ過膜41による膜分離方法が図示されているが、重力沈降分離法、浮上分離法による分離であってもよい(図示せず)。また、固液分離手段40として、膜分離方法を行う場合、図2のように、ろ過膜41全体が培養液に浸漬した状態で、ろ過膜41の内部が陰圧となるように設置されてもよいが、ろ過液送液管11のポンプPの動力を軽減し、且つ、浮遊物質によるろ過膜41の目詰まりを軽減するために、ろ過膜41の上端部が培養液の液面よりも上方に位置するように浸漬した状態で、ろ過膜41の内外が等圧となるように設置されてもよい(図示せず)。
(solid-liquid separation means)
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the culture tank 10 of the fuel gas production apparatus 100 according to the first embodiment, and a filtration membrane 41 is shown as a solid-liquid separation means 40 installed in the culture tank 10. The solid-liquid separation means 40 separates the culture liquid into a filtrate and a suspension. As shown in FIG. 2, in the culture tank 10, the culture liquid is stirred by the stirrer 50, and the filtrate separated into solid and liquid by the filtration membrane 41 and the suspension containing undecomposed or partially decomposed suspended matter are sent to the downstream pretreatment tank 20 through the filtrate sending pipe 11 and the suspension sending pipe 12, respectively. The hydraulic retention time (HRT) and solid retention time (SRT) of the culture liquid are individually controlled by appropriately adjusting the amount of the filtrate and suspension of the culture liquid drawn out from the culture tank 10 and sent to the pretreatment tank 20 by the pump P. Since the filtrate and suspension of the culture liquid contain a large number of lignocellulose-decomposing bacteria, when they are supplied to the downstream pretreatment tank 20, the decomposition of the organic waste B is efficiently performed. In addition, in Fig. 2, a membrane separation method using a filtration membrane 41 is illustrated as the solid-liquid separation means 40, but separation by gravity sedimentation separation method or flotation separation method may also be used (not shown). In addition, when a membrane separation method is performed as the solid-liquid separation means 40, as shown in Fig. 2, the filtration membrane 41 may be installed so that the inside of the filtration membrane 41 is negative pressure with the entire filtration membrane 41 immersed in the culture solution, but in order to reduce the power of the pump P of the filtrate delivery pipe 11 and reduce clogging of the filtration membrane 41 by suspended matter, the filtration membrane 41 may be installed so that the inside and outside of the filtration membrane 41 are equal pressure with the upper end of the filtration membrane 41 immersed in the culture solution so as to be located above the liquid level (not shown).

(第2実施形態)
図3は、第2実施形態に係る燃料ガス製造装置101の概略構成を示す図である。第2実施形態に係る燃料ガス製造装置101は、第1実施形態に係る燃料ガス製造装置100に、有機性廃棄物Bを希釈水Wと混合して前処理槽20に投入し、前処理槽20内で得られた前処理液を培養槽10に供給する前処理液供給管21をさらに備える。前処理液にはリグノセルロースの未分解物もしくは部分分解物や、窒素源やリン源となる物質が含まれるため、培養槽10に供給することで、培養液中のリグノセルロース分解細菌の生育・増殖がより促進されるとともに、さらなる加水分解により、揮発性脂肪酸や、分子量の小さい易分解性有機性廃棄物の生産量が向上する。
Second Embodiment
3 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel gas production apparatus 101 according to the second embodiment. The fuel gas production apparatus 101 according to the second embodiment further includes a pretreatment liquid supply pipe 21 for supplying the pretreatment liquid obtained in the pretreatment tank 20 to the culture tank 10, by mixing the organic waste B with dilution water W and feeding the mixture into the pretreatment tank 20 in addition to the fuel gas production apparatus 100 according to the first embodiment. The pretreatment liquid contains undecomposed or partially decomposed lignocellulose and substances that serve as nitrogen and phosphorus sources. Therefore, by supplying the pretreatment liquid to the culture tank 10, the growth and proliferation of lignocellulose-decomposing bacteria in the culture liquid is further promoted, and further hydrolysis improves the production of volatile fatty acids and easily decomposable organic waste with a small molecular weight.

(第3実施形態)
図4は、第3実施形態に係る燃料ガス製造装置の概略構成102を示す図である。第3実施形態に係る燃料ガス製造装置102は、第1実施形態に係る燃料ガス製造装置100に、易分解性の有機性廃棄物Cを前記発酵槽に供給する経路をさらに備える。易分解性の有機性廃棄物Cとしては、家畜糞尿、汚泥、生ごみ等が挙げられる。第3実施形態に係る燃料ガス製造装置102においては、易分解性の有機性廃棄物Cを発酵槽30に供給し、前処理槽20には供給しないため、前処理槽20をコンパクト化することができる。それに伴い、人工培地(人工だ液)などの液体培地Mや希釈水Wの使用量を低減することができる。
Third Embodiment
FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration 102 of a fuel gas production apparatus according to a third embodiment. The fuel gas production apparatus 102 according to the third embodiment further includes a path for supplying easily decomposable organic waste C to the fermenter in addition to the fuel gas production apparatus 100 according to the first embodiment. Examples of easily decomposable organic waste C include livestock manure, sludge, and food waste. In the fuel gas production apparatus 102 according to the third embodiment, the easily decomposable organic waste C is supplied to the fermenter 30 and not to the pretreatment tank 20, so that the pretreatment tank 20 can be made compact. Accordingly, the amount of liquid medium M such as an artificial medium (artificial saliva) and dilution water W used can be reduced.

図5は、従来の2相型のプロセスにより構成される燃料ガス製造装置200を示す図である。従来の燃料ガス製造装置200は、ルーメン微生物の培養と有機性廃棄物Bの分解とが一槽の培養槽兼前処理槽220内で行われる。培養槽兼前処理槽220内の前処理液は、ろ過膜41(固液分離手段40)により固液分離され、ろ過液がろ過液送液管11を通して下流のUASB230に送られる。UASB230内では、ろ過液に含まれる揮発性脂肪酸を基質としてメタン発酵が行われる。 Figure 5 shows a fuel gas production system 200 configured with a conventional two-phase process. In the conventional fuel gas production system 200, the cultivation of ruminal microorganisms and the decomposition of organic waste B are carried out in a single culture tank/pretreatment tank 220. The pretreatment liquid in the culture tank/pretreatment tank 220 is separated into solid and liquid by a filtration membrane 41 (solid-liquid separation means 40), and the filtrate is sent to the downstream UASB 230 through the filtrate delivery pipe 11. In the UASB 230, methane fermentation is carried out using the volatile fatty acids contained in the filtrate as a substrate.

培養槽兼前処理槽220内の前処理液の固液分離が問題なく行われるためには、培養槽兼前処理槽220に供給する有機性廃棄物Bの固形物濃度(TS)が、概ね1.0重量%以下となるように調整することが必要である。固形物濃度(TS)調整のために、多量の人工培地(人工だ液)などの液体培地Mや希釈水Wが必要となることから、培養槽兼前処理槽220の下流に連結するメタン発酵槽としては、高負荷対応が可能なUASBやEGSBに限定される。しかしながら、UASB230は、上流の培養槽兼前処理槽220から供給される前処理液のSS濃度が500mg/L(EGSBの場合は、1000mg/L)を超えると、メタン発酵槽内に存在するグラニュール汚泥の沈降に悪影響を及ぼすことから、UASB230には、前処理液がろ過膜41により固液分離されたろ過液のみが供給される。そのため、UASB230においては、未分解の懸濁物質を多く含む前処理液(懸濁液)を処理することができず、大量の固形廃棄物Sが排出される。 In order for the solid-liquid separation of the pretreatment liquid in the culture tank and pretreatment tank 220 to be carried out without any problems, it is necessary to adjust the solid concentration (TS) of the organic waste B supplied to the culture tank and pretreatment tank 220 to be approximately 1.0% by weight or less. Since a large amount of liquid medium M such as an artificial medium (artificial saliva) or dilution water W is required to adjust the solid concentration (TS), the methane fermentation tank connected downstream of the culture tank and pretreatment tank 220 is limited to UASB and EGSB, which are capable of handling high loads. However, when the SS concentration of the pretreatment liquid supplied from the upstream culture tank and pretreatment tank 220 exceeds 500 mg/L (1000 mg/L in the case of EGSB), it adversely affects the settling of the granular sludge present in the methane fermentation tank. Therefore, only the filtrate obtained by solid-liquid separation of the pretreatment liquid by the filtration membrane 41 is supplied to the UASB 230. As a result, UASB230 is unable to process the pretreatment liquid (suspension) which contains a large amount of undecomposed suspended matter, and a large amount of solid waste S is discharged.

(燃料ガス製造方法)
本発明における燃料ガス製造方法について、以下、詳細に説明する。本件発明における燃料ガスとしては、メタン発酵により生成されるバイオメタンガスや水素発酵により生成されるバイオ水素が含まれる。バイオガスは、メタン約60%、二酸化炭素約40%で構成されるが、そのまま燃料として使用されてもよいし、二酸化炭素を除去して高濃度のメタンガスとして使用されてもよい。
(Fuel gas production method)
The fuel gas production method of the present invention will be described in detail below. The fuel gas in the present invention includes biomethane gas produced by methane fermentation and biohydrogen produced by hydrogen fermentation. Biogas is composed of about 60% methane and about 40% carbon dioxide, and may be used as fuel as it is, or may be used as high-concentration methane gas after removing carbon dioxide.

[有機性廃棄物]
バイオメタンガスやバイオ水素等の燃料ガスの原料となる有機性廃棄物としては、森林間伐材、稲藁、籾殻、バガス、茅、水草等の未利用農林産廃棄物のほか、野菜屑、茶殻、コーヒー滓、おから、焼酎滓、建築廃材、古紙・廃紙、都市ゴミ等のリグノセルロース系産業廃棄物、またはエリアンサスやジャイアントミスカンサス等のバイオマス資源作物のようなリグノセルロース系バイオマスが挙げられる。また、シュレッダーにより裁断化された紙は、繊維が壊れ、リサイクルし難いものとして焼却されているが、このような裁断化された紙についても原料として利用することができる。さらに、上記に挙げた有機性廃棄物は1種類のみを原料として使用してもよいし、複数種類を混合して原料としてもよい。
[Organic waste]
Examples of organic waste that can be used as a raw material for fuel gases such as biomethane gas and biohydrogen include unused agricultural and forestry waste such as forest thinnings, rice straw, rice husks, bagasse, thatch, and aquatic plants, as well as lignocellulosic industrial waste such as vegetable waste, tea leaves, coffee grounds, soybean pulp, shochu dregs, construction waste, waste paper, waste paper, and urban waste, and lignocellulosic biomass such as biomass resource crops such as Erianthus and Giant Miscanthus. In addition, paper cut into pieces by a shredder is incinerated because the fibers are broken and it is difficult to recycle, but such cut paper can also be used as a raw material. Furthermore, only one type of the organic waste listed above may be used as a raw material, or multiple types may be mixed together to use as a raw material.

植物細胞の細胞壁の主成分であるリグノセルロースは、ヘミセルロース、セルロース、及びリグニンが強固に結合されることにより構成されている。牛などの反芻動物の第一胃(ルーメン)に存在するルーメン液には、リグノセルロースを分解する酵素を産生するルーメン微生物が多数存在する。本発明における燃料ガスの製造方法では、培養工程において、有機性廃棄物を分解するルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)が培養され、前処理工程において、リグノセルロース分解細菌のはたらきを利用して有機性廃棄物が分解されることにより易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸等が生産され、発酵工程において、易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸等が発酵の基質(原料)として発酵反応が行われることにより、バイオメタンガスやバイオ水素等の燃料ガスを効率的に製造することができる。発酵工程において、メタン生成細菌が優占して存在する条件下であれば、メタン発酵が行われ、バイオメタンガスが生成する。一方で、発酵工程において、水素生成細菌が優占して存在する条件下であれば、水素発酵が行われ、バイオ水素が生成する。燃料ガスの使用用途や目的によって、発酵工程をメタン発酵工程としてもよく、水素発酵工程としてもよい。また、メタン発酵工程の前反応として水素発酵工程を行う、水素・メタン発酵の二段階発酵が行われてもよい。この場合、一つの発酵槽内でpHやHRT等を制御することにより水素発酵を行った後にメタン発酵を行ってもよく、水素発酵槽とメタン発酵槽とに分け、水素発酵とメタン発酵とをそれぞれ別の槽で行ってもよい。 Lignocellulose, the main component of the cell wall of plant cells, is composed of hemicellulose, cellulose, and lignin tightly bound together. In the ruminal fluid present in the first stomach (rumen) of ruminants such as cows, there are many ruminal microorganisms that produce enzymes that decompose lignocellulose. In the fuel gas production method of the present invention, in the culture step, ruminal microorganisms (lignocellulose-decomposing bacteria) that decompose organic waste are cultured, in the pretreatment step, the organic waste is decomposed using the action of the lignocellulose-decomposing bacteria to produce easily decomposable organic waste, volatile fatty acids, etc., and in the fermentation step, a fermentation reaction is carried out using the easily decomposable organic waste, volatile fatty acids, etc. as fermentation substrates (raw materials), thereby making it possible to efficiently produce fuel gases such as biomethane gas and biohydrogen. In the fermentation step, if the conditions are such that methane-producing bacteria are predominant, methane fermentation is carried out and biomethane gas is produced. On the other hand, in the fermentation step, if the conditions are such that hydrogen-producing bacteria are predominant, hydrogen fermentation is carried out and biohydrogen is produced. Depending on the use and purpose of the fuel gas, the fermentation process may be a methane fermentation process or a hydrogen fermentation process. In addition, a two-stage fermentation process of hydrogen and methane fermentation may be performed, in which a hydrogen fermentation process is performed as a pre-reaction of the methane fermentation process. In this case, methane fermentation may be performed after hydrogen fermentation by controlling the pH, HRT, etc. in one fermentation tank, or the hydrogen fermentation tank and the methane fermentation tank may be separated, and hydrogen fermentation and methane fermentation may be performed in separate tanks.

[ルーメン微生物]
ルーメン微生物は、反芻動物の第一胃(ルーメン)に存在する消化液であるルーメン液に存在する嫌気性細菌である。反芻動物としては、牛、羊、山羊、鹿、ラクダ、ラマ等が挙げられる。例えば、成牛の第一胃は、150~200Lの容量があり、ルーメン液にはリグノセルロース分解細菌、ヘミセルロース分解細菌、リグニン分解細菌、デンプン分解細菌、メタン生成細菌、水素生成細菌等が多く生息している。リグノセルロース分解細菌は、リグノセルロース(繊維質)を分解するセルラーゼ等の酵素を産生することができる。そのため、反芻動物により、草などの繊維質が摂取されると、リグノセルロース分解細菌がリグノセルロースを分解し、反芻動物にとってのエネルギー源となる酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸等の揮発性脂肪酸(VFA:Volatile Fatty Acid)が生産される。水素生成細菌は、リグノセルロース分解細菌によって生産されたプロピオン酸、酪酸、及び吉草酸等を基質として、酢酸と水素を生産する。また、メタン生成細菌は、リグノセルロース分解細菌や水素生成細菌によって生産された酢酸、あるいは水素と二酸化炭素を基質としてメタンを生成する。
[Rumen microorganisms]
Rumen microorganisms are anaerobic bacteria that exist in ruminal fluid, which is a digestive fluid present in the first stomach (rumen) of ruminants. Ruminants include cows, sheep, goats, deer, camels, llamas, etc. For example, the first stomach of an adult cow has a volume of 150 to 200 L, and many lignocellulose-decomposing bacteria, hemicellulose-decomposing bacteria, lignin-decomposing bacteria, starch-decomposing bacteria, methanogens, hydrogen-producing bacteria, etc. live in the ruminal fluid. Lignocellulose-decomposing bacteria can produce enzymes such as cellulase that decompose lignocellulose (fibrous material). Therefore, when ruminants ingest fibrous material such as grass, the lignocellulose-decomposing bacteria decompose the lignocellulose, producing volatile fatty acids (VFAs) such as acetic acid, propionic acid, butyric acid, and valeric acid, which serve as an energy source for ruminants. Hydrogen-producing bacteria produce acetic acid and hydrogen using substrates such as propionic acid, butyric acid, and valeric acid produced by lignocellulose-decomposing bacteria.Methanogenic bacteria produce methane using substrates such as acetic acid or hydrogen and carbon dioxide produced by lignocellulose-decomposing or hydrogen-producing bacteria.

(培養工程)
培養工程では、リグノセルロース分解活性の高いルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)が培養される。培養工程において、例えば、フィブロバクター・サクシノゲネス(Fibrobacter succinogenes)、ルミノコッカス・アルブス(Ruminococcus albus)、及びプレボテラ・ルミニコラ(Prevotella ruminicola)の3種類の少なくとも一種以上のリグノセルロース分解細菌の存在数量を指標として、温度、酸化還元電位(ORP:Oxidation‐Reduction Potential)、水理学的滞留時間(HRT)又は固形物滞留時間(SRT)、及び培地のアンモニウム態窒素濃度を調整することにより、高いリグノセルロース分解活性を有するルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)の培養液を得ることができる。これらの細菌の菌数の定量は、特に限定されないが、特定の細菌の菌数を迅速かつ正確に測定することが可能な、定量PCR法により行うことが好ましい。定量PCR法を用いてリグノセルロース分解細菌の菌数の定量を行う場合、培養液からゲノムDNAを抽出して精製したものを使用する。ルーメン微生物の培養液は、大量に培養したり、継代培養したりすることもできるため、細菌の菌数を調整したルーメン微生物の培養液を、必要に応じてリグノセルロース分解に利用することができる。
(Culture process)
In the culturing step, ruminal microorganisms (lignocellulose-decomposing bacteria) having high lignocellulose decomposition activity are cultured. In the culturing step, the temperature, oxidation-reduction potential (ORP), hydraulic retention time (HRT) or solid retention time (SRT), and ammonium nitrogen concentration of the medium are adjusted using the quantity of at least one of three types of lignocellulose decomposing bacteria, for example, Fibrobacter succinogenes, Ruminococcus albus, and Prevotella ruminicola, as an indicator, to obtain a culture solution of ruminal microorganisms (lignocellulose decomposing bacteria) having high lignocellulose decomposition activity. The quantification of the number of bacteria of these bacteria is not particularly limited, but is preferably carried out by a quantitative PCR method, which can rapidly and accurately measure the number of bacteria of a specific bacterium. When the number of bacteria of lignocellulose decomposing bacteria is quantified using the quantitative PCR method, genomic DNA is extracted from the culture solution and purified. Since the culture solution of ruminal microorganisms can be cultured in large quantities or subcultured, the culture solution of ruminal microorganisms in which the number of bacteria has been adjusted can be used for lignocellulose decomposition as necessary.

ルーメン微生物の培養液に使用する培地としては、培地の基材が天然物に由来する天然培地を使用してもよく、ルーメン微生物の増殖に必要な各種栄養素がすべて化学薬品で構成されている合成培地を使用してもよい。特に、ルーメン微生物にとって有用な栄養源であるアンモニウム塩のような窒素源、リン酸塩のようなリン源等の他、セルロース、ヘミセルロース等の炭素源を含むことが好ましい。また、前処理液には、リグノセルロース分解細菌の栄養源として、有機性廃棄物に含まれるリグノセルロースの未分解物もしくは部分分解物や、窒素源やリン源となる物質が含まれるため、図3に示すように、前処理液を培養液に供給してもよい。また、培養工程の後に続く前処理工程において、酢酸等の揮発性脂肪酸(VFA)が生産されると、前処理液中のpHが低下したり、浸透圧が上昇したりすることにより、リグノセルロース分解細菌の存在数量や機能が変化してしまうことから、pHの変化や浸透圧の上昇を和らげるために、培地に緩衝剤を添加することが好ましい。緩衝剤としては、反芻動物のだ液は緩衝能力が高いので、それを模した人工培地(人工だ液)などの液体培地を使用することが好ましい。緩衝剤としては、塩化ナトリウム、重炭酸ナトリウム、リン酸塩、及び塩化カリウム等が挙げられる。培地のpHは、6.0~7.5、より好ましくは6.5~7.0となるように、必要に応じて、酸・アルカリを添加して調整する。また、培地に使用する水は、水道水や地下水を使用することが好ましい。また、培地のアンモニウム態窒素濃度は、50~2,000mg/L、より好ましくは60~500mg/Lとなるように、加水して制御する。 As a medium for the culture solution of ruminal microorganisms, a natural medium whose base material is derived from natural products may be used, or a synthetic medium in which all the various nutrients necessary for the growth of ruminal microorganisms are composed of chemicals may be used. In particular, it is preferable to contain a carbon source such as cellulose or hemicellulose, in addition to a nitrogen source such as ammonium salt, which is a nutrient source useful for ruminal microorganisms, a phosphorus source such as phosphate, etc. In addition, since the pretreatment liquid contains undecomposed or partially decomposed lignocellulose contained in organic waste, and substances that serve as nitrogen and phosphorus sources as nutrient sources for lignocellulose-decomposing bacteria, the pretreatment liquid may be supplied to the culture solution as shown in FIG. 3. In addition, when volatile fatty acids (VFAs) such as acetic acid are produced in the pretreatment process following the culture process, the pH of the pretreatment liquid decreases and the osmotic pressure increases, which changes the number and function of lignocellulose-decomposing bacteria. Therefore, it is preferable to add a buffering agent to the medium to mitigate the change in pH and the increase in osmotic pressure. As a buffering agent, it is preferable to use a liquid medium such as an artificial medium (artificial saliva) that imitates the saliva of ruminants, which has a high buffering capacity. Examples of buffering agents include sodium chloride, sodium bicarbonate, phosphate, and potassium chloride. The pH of the medium is adjusted to 6.0 to 7.5, more preferably 6.5 to 7.0, by adding an acid or alkali as necessary. The water used for the medium is preferably tap water or groundwater. The ammonium nitrogen concentration of the medium is controlled by adding water to 50 to 2,000 mg/L, more preferably 60 to 500 mg/L.

培養工程をルーメン内の環境と同様、嫌気性状態とするために、培養液の酸化還元電位(ORP)は、-100mv以下、より好ましくは-200mv以下、さらに好ましくは-250mv程度に調整する。ルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)は嫌気性細菌であるため、所定のORPより高くなった場合(好気状態に近づいた場合)は、窒素ガスや二酸化炭素ガスなどの不活性ガスを注入したり、システインやL-アスコルビン酸、硫化ナトリウム、アスコルビン酸、メチオニン、チオグリコール、DTTなどの還元物質を投入したり、あるいは有機物を投入して通性嫌気性菌の作用により酸素を消費させる等の処置を施してもよい。また、培養工程を窒素又は二酸化炭素雰囲気下での閉鎖系で行ってもよい。 To make the culture process anaerobic like the environment in the rumen, the oxidation-reduction potential (ORP) of the culture solution is adjusted to -100mv or less, more preferably -200mv or less, and even more preferably about -250mv. Since ruminal microorganisms (lignocellulose-decomposing bacteria) are anaerobic bacteria, when the ORP becomes higher than a predetermined value (when it approaches an aerobic state), measures such as injecting an inert gas such as nitrogen gas or carbon dioxide gas, adding reducing substances such as cysteine, L-ascorbic acid, sodium sulfide, ascorbic acid, methionine, thioglycol, and DTT, or adding organic matter to consume oxygen through the action of facultative anaerobic bacteria may be taken. The culture process may also be carried out in a closed system under a nitrogen or carbon dioxide atmosphere.

培養槽10におけるルーメン微生物の培養は、固形物滞留時間(SRT)が水理学的滞留時間(HRT)より長いことが重要とされる。即ち、リグノセルロース分解細菌は、固形物の表面に付着して増殖するため、SRTが短いと固形物と共に系外に排出される。一方、HRTが必要以上に長いと、生産された揮発性脂肪酸(VFA)によるpHの低下や微生物の増殖の阻害などの負の要因となる。具体的には、HRTは8時間~36時間、好ましくは10時間~24時間、SRTは24時間以上、好ましくは、48時間~168時間、更に好ましくは72時間~168時間に調節する。また、培養工程における反応系の温度は、35~42℃、より好ましくは37~40℃になるよう温度センサー等を利用して制御する。なお、培養槽10に投入される有機性廃棄物Bは、培養液中の固形物濃度(TS)が、0.1~1.5重量%、より好ましくは0.5~1.0重量%となるように調整する。固形物濃度(TS)が0.1重量%以下となると、リグノセルロース分解細菌の生育・増殖が促進されない虞がある。一方で、1.5重量%を超えると、培養液の固液分離が適切に行われない虞がある。 In culturing ruminal microorganisms in the culture tank 10, it is important that the solid retention time (SRT) is longer than the hydraulic retention time (HRT). That is, lignocellulose-decomposing bacteria grow by attaching to the surface of solids, and therefore, if the SRT is short, they are discharged from the system together with the solids. On the other hand, if the HRT is longer than necessary, it will cause negative factors such as a decrease in pH due to the produced volatile fatty acids (VFA) and inhibition of microbial growth. Specifically, the HRT is adjusted to 8 to 36 hours, preferably 10 to 24 hours, and the SRT is adjusted to 24 hours or more, preferably 48 to 168 hours, and more preferably 72 to 168 hours. In addition, the temperature of the reaction system in the culture process is controlled using a temperature sensor or the like to be 35 to 42°C, more preferably 37 to 40°C. The organic waste B fed into the culture tank 10 is adjusted so that the solids concentration (TS) in the culture solution is 0.1 to 1.5% by weight, more preferably 0.5 to 1.0% by weight. If the solids concentration (TS) is 0.1% by weight or less, there is a risk that the growth and proliferation of the lignocellulose-decomposing bacteria will not be promoted. On the other hand, if it exceeds 1.5% by weight, there is a risk that solid-liquid separation of the culture solution will not be performed properly.

(固液分離工程)
培養工程において、培養槽10内のルーメン微生物の培養液の固液分離は、図2に示されているろ過膜41によって行われてもよいが、重力沈降法、浮上濃縮法によって行われてもよい(図示せず)。図2に示す培養槽10には、ろ過液送液管11と懸濁液送液管12がそれぞれ設置されているが、重力沈降分離法や浮上分離法により固液分離を行う場合は、SS濃度が高い液相(懸濁液)を槽外に排出するときは培養液を攪拌しながら排出し、SS濃度が低い液相を槽外に排出するときは攪拌を停止してしばらく静置することにより排出することができるため、送液管は一つであってもよい。
(Solid-liquid separation process)
In the culture step, solid-liquid separation of the culture solution of the ruminal microorganism in the culture tank 10 may be performed by a filtration membrane 41 shown in Fig. 2, or may be performed by a gravity sedimentation method or a flotation concentration method (not shown). The culture tank 10 shown in Fig. 2 is provided with a filtrate delivery pipe 11 and a suspension delivery pipe 12, but when performing solid-liquid separation by the gravity sedimentation separation method or the flotation separation method, the culture solution is discharged while being stirred when a liquid phase (suspension) with a high SS concentration is discharged outside the tank, and the liquid phase with a low SS concentration is discharged by stopping stirring and leaving it to stand for a while, so that only one liquid delivery pipe may be used.

(前処理工程)
前処理工程において、有機性廃棄物に含まれるリグノセルロースは、リグノセルロース分解細菌が生産するリグニン分解酵素により、リグニンの一部が分解されリグノセルロースの強固な構造が緩んだ後、エンドグルカナーゼやエキソグルカナーゼ、あるいはキシラナーゼ等により、それぞれセルロースやヘミセルロースに分解され、グルコース等のヘキソース(六単糖)に変換される。さらに、グルコース等のヘキソース(六単糖)から、ピルビン酸等が生成され、さらに反応が進むと酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸等の揮発性脂肪酸(VFA)が生産される。また、代謝過程で水素や二酸化炭素も生産される。前処理工程において、リグノセルロースはヘキソース(六単糖)や揮発性脂肪酸(VFA)まで分解・代謝される必要はなく、難分解であるリグノセルロースが下流の発酵工程で利用されやすい形状、例えば、オリゴ糖程度まで分解されれば十分である。前処理工程において、前処理槽20に供給される有機性廃棄物Bの固形物濃度(TS)が1.0~10.5重量%、より好ましくは0.5~10.0重量%となるように調整する。固形物濃度(TS)が1.0重量%以下となると、発酵の基質となる易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸等の生産が低下する虞がある。一方で、10.5重量%を超えると、前処理液をポンプによって排出することが困難となる虞がある。
(Pretreatment process)
In the pretreatment process, the lignocellulose contained in the organic waste is partially decomposed by lignin-decomposing enzymes produced by lignocellulose-decomposing bacteria, loosening the strong structure of the lignocellulose, and then decomposed into cellulose and hemicellulose by endoglucanase, exoglucanase, xylanase, etc., respectively, and converted into hexose (six monosaccharides) such as glucose. Furthermore, pyruvic acid and the like are produced from hexose (six monosaccharides) such as glucose, and as the reaction proceeds, volatile fatty acids (VFAs) such as acetic acid, propionic acid, butyric acid, and valeric acid are produced. Hydrogen and carbon dioxide are also produced during the metabolic process. In the pretreatment process, it is not necessary for lignocellulose to be decomposed and metabolized to hexose (six monosaccharides) and volatile fatty acids (VFAs). It is sufficient for the refractory lignocellulose to be decomposed to a form that is easily utilized in the downstream fermentation process, for example, to the extent of oligosaccharides. In the pretreatment step, the solids concentration (TS) of the organic waste B supplied to the pretreatment tank 20 is adjusted to 1.0 to 10.5% by weight, more preferably 0.5 to 10.0% by weight. If the solids concentration (TS) is 1.0% by weight or less, there is a risk that the production of easily decomposable organic waste and volatile fatty acids, which serve as substrates for fermentation, will decrease. On the other hand, if it exceeds 10.5% by weight, there is a risk that it will become difficult to discharge the pretreatment liquid by pump.

前処理工程を反芻動物のルーメン内の環境と同様、嫌気性状態とするために、前処理液の酸化還元電位(ORP)は、-100mv以下、より好ましくは-200mv以下、さらに好ましくは-250mv程度に調整する。ルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)は嫌気性細菌であるため所定のORPより高くなった場合(好気状態に近づいた場合)は、窒素ガスや二酸化炭素ガスなどの不活性ガスを注入する、システインやL-アスコルビン酸、硫化ナトリウム、アスコルビン酸、メチオニン、チオグリコール、DTTなどの還元物質を投入する、あるいは有機物を投入して通性嫌気性菌の作用により酸素を消費させる等の処置を施す。前処理工程を窒素又は二酸化炭素雰囲気下での閉鎖系で行ってもよい。 In order to make the pretreatment process anaerobic like the environment in the rumen of a ruminant, the oxidation-reduction potential (ORP) of the pretreatment liquid is adjusted to -100 mv or less, more preferably -200 mv or less, and even more preferably about -250 mv. Since ruminal microorganisms (lignocellulose-decomposing bacteria) are anaerobic bacteria, when the ORP becomes higher than a predetermined value (when it approaches an aerobic state), measures such as injecting an inert gas such as nitrogen gas or carbon dioxide gas, adding reducing substances such as cysteine, L-ascorbic acid, sodium sulfide, ascorbic acid, methionine, thioglycol, and DTT, or adding organic matter to consume oxygen through the action of facultative anaerobic bacteria, may be taken. The pretreatment process may be carried out in a closed system under a nitrogen or carbon dioxide atmosphere.

前処理工程においては、その上流の培養工程においてHRTとSRTとが個別に制御されているので、HRTとSRTとが個別に制御される必要はなく、完全混合系で前処理(加水分解、酸生成)が行われる。つまり、前処理工程が実施される前処理槽20内の前処理液は、ろ過液と懸濁液とに分離されないため、HRTとSRTが同じとなる。前処理液のHRTとSRTとはいずれも4~36時間とすることが好ましい。また、前処理工程における反応系の温度は、35~42℃、より好ましくは37~40℃になるよう温度センサー等を利用して制御する。前処理工程における反応は、静置して行っても、攪拌して行ってもよいが、前処理工程の進行をより早めるためには、攪拌して行うことが好ましい。 In the pretreatment process, since the HRT and SRT are individually controlled in the upstream culture process, there is no need to individually control the HRT and SRT, and pretreatment (hydrolysis, acid production) is performed in a completely mixed system. In other words, the pretreatment liquid in the pretreatment tank 20 where the pretreatment process is carried out is not separated into a filtrate and a suspension, so the HRT and SRT are the same. It is preferable that both the HRT and SRT of the pretreatment liquid are 4 to 36 hours. In addition, the temperature of the reaction system in the pretreatment process is controlled using a temperature sensor or the like to be 35 to 42°C, more preferably 37 to 40°C. The reaction in the pretreatment process may be carried out statically or with stirring, but it is preferable to carry out the reaction with stirring in order to speed up the progress of the pretreatment process.

(発酵工程)
発酵工程では、前処理工程で生成された易分解性有機性廃棄物や揮発性脂肪酸等を基質として、燃料ガスが生成される。ここで、燃料ガスとは、メタン発酵によって生成されるバイオメタンガスを主要成分とするバイオガス、水素発酵によって生成されるバイオ水素が挙げられる。発酵工程において、メタン発酵を行うか、水素発酵を行うかについては、発酵槽30内の温度やpHの制御によって調整することができる。例えば、発酵槽30内の温度が37℃(又は55℃)前後、pH7.0~8.0である場合、メタン生成細菌が優占して存在するため、メタン発酵が主に行われる。一方、発酵槽30内の温度が55℃前後、pH4.0~5.0である場合、水素生成細菌が優占して存在するため、水素発酵が主に行われる。これらの発酵工程は単独で行われてもよいが、水素・メタン発酵工程のように、二段階発酵が行われてもよい。以下、メタン発酵工程、水素発酵工程について説明する。
(Fermentation process)
In the fermentation step, a fuel gas is produced using the easily decomposable organic waste and volatile fatty acids produced in the pretreatment step as substrates. Here, examples of the fuel gas include biogas containing biomethane gas produced by methane fermentation as a main component, and biohydrogen produced by hydrogen fermentation. In the fermentation step, whether methane fermentation or hydrogen fermentation is performed can be adjusted by controlling the temperature and pH in the fermenter 30. For example, when the temperature in the fermenter 30 is about 37° C. (or 55° C.) and the pH is 7.0 to 8.0, methane fermentation is mainly performed because methane-producing bacteria are predominant. On the other hand, when the temperature in the fermenter 30 is about 55° C. and the pH is 4.0 to 5.0, hydrogen-producing bacteria are predominant, and hydrogen fermentation is mainly performed. These fermentation steps may be performed alone, or two-stage fermentation may be performed, such as a hydrogen/methane fermentation step. The methane fermentation step and the hydrogen fermentation step will be described below.

(メタン発酵工程)
メタン発酵工程では、酢酸等の揮発性脂肪酸や水素と二酸化炭素を基質として、メタン発酵が行われる。メタン発酵工程は、前処理工程と同様に、嫌気性条件下で行われる。メタン発酵工程において生成するバイオガスの組成はメタンが60~70%、二酸化炭素が30~40%、その他微量の窒素、酸素、硫化水素、及び水等が含まれる。
(Methane fermentation process)
In the methane fermentation process, methane fermentation is carried out using volatile fatty acids such as acetic acid, hydrogen and carbon dioxide as substrates. As in the pretreatment process, the methane fermentation process is carried out under anaerobic conditions. The composition of the biogas produced in the methane fermentation process is 60-70% methane, 30-40% carbon dioxide, and other trace amounts of nitrogen, oxygen, hydrogen sulfide, water, etc.

メタン発酵は、湿式メタン発酵、乾式メタン発酵何れでも構わない。また、中温メタン発酵、高温メタン発酵何れでも良い。中温発酵の場合、20~30日間、より好ましくは23~27日間、さらに好ましくは25日間程度、高温発酵の場合、10~20日間、より好ましくは13~17日間、さらに好ましくは15日間程度行われる。メタン発酵は、中温発酵の場合、20~40℃、より好ましくは30~37℃以下、さらに好ましくは37℃程度で行われ、高温発酵の場合、40~60℃、より好ましくは50~55℃、さらに好ましくは55℃程度で行われる。また、メタン発酵は、pH6.8~7.6、より好ましくはpH7.0~8.0で行われる。 Methane fermentation may be either wet methane fermentation or dry methane fermentation. Also, either mesophilic methane fermentation or high-temperature methane fermentation may be used. In the case of mesophilic fermentation, it is carried out for 20 to 30 days, more preferably 23 to 27 days, and even more preferably about 25 days, and in the case of high-temperature fermentation, it is carried out for 10 to 20 days, more preferably 13 to 17 days, and even more preferably about 15 days. In the case of mesophilic fermentation, methane fermentation is carried out at 20 to 40°C, more preferably 30 to 37°C or lower, and even more preferably about 37°C, and in the case of high-temperature fermentation, it is carried out at 40 to 60°C, more preferably 50 to 55°C, and even more preferably about 55°C. Also, methane fermentation is carried out at a pH of 6.8 to 7.6, and more preferably a pH of 7.0 to 8.0.

(水素発酵工程)
水素発酵工程では、プロピオン酸、酪酸、吉草酸等の揮発性脂肪酸を基質として、水素発酵が行われる。水素発酵工程は、リグノセルロース分解細菌による前処理工程と同様に、嫌気性条件下で行われる。水素発酵工程においては、バイオ水素と二酸化炭素が約1:1で生成され、酢酸等の有機酸が生産される。
(Hydrogen fermentation process)
In the hydrogen fermentation process, hydrogen fermentation is carried out using volatile fatty acids such as propionic acid, butyric acid, and valeric acid as substrates. The hydrogen fermentation process is carried out under anaerobic conditions, similar to the pretreatment process using lignocellulose-decomposing bacteria. In the hydrogen fermentation process, biohydrogen and carbon dioxide are produced in a ratio of about 1:1, and organic acids such as acetic acid are produced.

水素発酵は30~60℃、より好ましくは50~60℃、さらに好ましくは55℃で行われる。また、水素発酵は、pH4.0~6.5、より好ましくはpH4.0~5.0で行われる。 Hydrogen fermentation is carried out at 30 to 60°C, more preferably 50 to 60°C, and even more preferably 55°C. Hydrogen fermentation is also carried out at a pH of 4.0 to 6.5, and more preferably a pH of 4.0 to 5.0.

水素発酵工程では、メタン発酵の基質となる酢酸や水素と二酸化炭素が生成される。そのため、水素発酵工程の後にメタン発酵工程を行う、水素・メタン発酵の二段階発酵としてもよい。水素生成細菌は、メタン生成細菌に比べて増殖速度が速いため、槽内のHRTを2~3時間としても、菌体を保持することができる。水素・メタン発酵の二段階発酵とする場合、水素発酵は1~2日間、メタン発酵は7~10日間となり、メタン発酵を単独で行う場合よりも、発酵日数を短縮することができる。さらに、水素・メタン発酵の二段階発酵とする場合、メタン発酵工程から排出されるメタン発酵液の一部を水素発酵工程に返送してもよい。水素発酵工程では、揮発性有機酸の生成によりpHが低下するため、水素生成細菌の活性が低下して水素発生量が減少するおそれがあるが、メタン発酵液を水素発酵工程に返送することで、低下したpHを中和またはpHの低下を防止することができ、水素生成細菌の活性低下を抑制して水素発生量を維持することが可能となる。 In the hydrogen fermentation process, acetic acid, hydrogen, and carbon dioxide, which are substrates for methane fermentation, are produced. Therefore, a two-stage fermentation of hydrogen and methane fermentation may be performed after the hydrogen fermentation process. Hydrogen-producing bacteria grow faster than methane-producing bacteria, so the bacteria can be retained even if the HRT in the tank is set to 2 to 3 hours. In the case of two-stage fermentation of hydrogen and methane fermentation, hydrogen fermentation takes 1 to 2 days and methane fermentation takes 7 to 10 days, which is shorter than the number of fermentation days when methane fermentation is performed alone. Furthermore, in the case of two-stage fermentation of hydrogen and methane fermentation, a part of the methane fermentation liquid discharged from the methane fermentation process may be returned to the hydrogen fermentation process. In the hydrogen fermentation process, the pH decreases due to the production of volatile organic acids, which may decrease the activity of the hydrogen-producing bacteria and reduce the amount of hydrogen generated. However, by returning the methane fermentation liquid to the hydrogen fermentation process, the decreased pH can be neutralized or the decrease in pH can be prevented, making it possible to suppress the decrease in activity of the hydrogen-producing bacteria and maintain the amount of hydrogen generated.

(事例)
食品工場Aから排出されるリグノセルロース系廃棄物を、3相式プロセスと2相式プロセスにより処理した場合の事例について以下検討する。発酵槽として、UASBは使用せず、既設の固形バイオマス用の完全混合型メタン発酵槽を使用するものとする。
(Case Study)
The following is an example of treating lignocellulosic waste discharged from food factory A using a three-phase process and a two-phase process. As a fermentation tank, a UASB is not used, but an existing complete mixing type methane fermentation tank for solid biomass is used.

<検討条件>
・有機性廃棄物の排出量:乾燥重量として1日あたり2.2トン(2.2t‐DW/d)
・既設のメタン発酵槽の槽容積:200m3
・既設のメタン発酵槽の計画HRT:10日
・培養槽(培養槽兼前処理槽)におけるバイオマスの固形物濃度(TS):約1.1重量%
・前処理槽におけるバイオマスの固形物濃度(TS):約10.0重量%
・培養槽または培養槽兼前処理槽のHRT:約14時間
・培養槽または培養槽兼前処理槽のSRT:約62時間
<Conditions for consideration>
・Amount of organic waste discharged: 2.2 tons per day (2.2t-DW/d)
- Volume of existing methane fermentation tank: 200 m3
- Planned HRT of existing methane fermentation tank: 10 days - Solid concentration (TS) of biomass in culture tank (culture tank and pretreatment tank): Approximately 1.1% by weight
Solid concentration of biomass in pretreatment tank (TS): about 10.0% by weight
HRT of culture tank or culture tank/pretreatment tank: about 14 hours SRT of culture tank or culture tank/pretreatment tank: about 62 hours

培養槽または培養槽兼前処理槽のSRTは、一日当たりの人工培地(人工だ液)などの液体培地または希釈水の供給量(m3/d)をdVとし、1日当たりのろ過液の排出量(m3/d)をfVとし、培養槽の槽容積(m3)をFVとして、下記(数1)の式により算出することができる。なお、下記(数1)の式は、Huub J. Gijzen他3名、「第一胃微生物の連続培養、リグノセルロース廃棄物の嫌気性分解への応用が可能なシステム(Continuous cultivation of rumen microorganisms, a system with possible application to the anaerbic degradation of lignocellulosic waste materials)」、Vol25、pp155-162(1986)を参照した。 The SRT of the culture tank or the culture tank/pretreatment tank can be calculated by the following formula (1), where dV is the amount of liquid culture medium such as artificial culture medium (artificial saliva ) or dilution water supplied per day ( m3 /d), fV is the amount of filtrate discharged per day (m3 / d), and FV is the tank volume of the culture tank (m3). Reference was made to Gijzen et al., "Continuous cultivation of rumen microorganisms, a system with possible application to the anaerobic degradation of lignocellulosic waste materials," Vol. 25, pp. 155-162 (1986).

Figure 0007679938000001
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メタン発酵槽のHRTは、メタン発酵槽の槽容積(m3)を一日当たりの人工培地(人工だ液)などの液体培地または希釈水の供給量(m3/d)dVで除した値となる。 The HRT of a methane fermentation tank is calculated by dividing the tank volume (m 3 ) of the methane fermentation tank by the daily supply amount (m 3 /d) dV of liquid medium such as artificial medium (artificial saliva) or dilution water.

(事例1)
図6は、第1実施形態に係る燃料ガス製造装置に有機性廃棄物を供給する事例1の説明図である。事例1では、培養槽10、前処理槽20、及びメタン発酵槽30より構成される3相式プロセスについて検討した。
食品工場Aより排出される2.2t-DW/dのリグノセルロース系バイオマスのうち、0.22t-DW/dを培養槽におけるルーメン微生物群の培養のための基質(培地成分)として使用する。培養槽において、固液分離が十分に行われるよう、人工培地(人工だ液)などの液体培地または希釈水の供給量(dV)は20m3/dとし、培養液中の固形物濃度(TS)は1.1重量%とする。また、培養槽において、ルーメン微生物群が十分増殖できるように、例えば、SRTを64時間、HRTを約11時間とし、ろ過液の排出量(fV)を17m3/dとすると、上記数1の式により培養槽の槽容積(FV)は、8m3となる。なお、培養槽は、概ねpH6.9、酸化還元電位(ORP)が-250mV以下、温度が39℃になるように運転制御されるものとする。
食品工場Aより排出される2.2t-DW/dのリグノセルロース系バイオマスは、培養槽に投入した0.22t-DW/dの残りの1.98t-DW/dが前処理槽に供給され、培養槽から排出されるろ過液17m3/d及び懸濁液3m3/dと混合する。前処理槽のHRT(完全混合型のため、SRTと同じ)は処理する有機性廃棄物の種類により最適値が異なるが、図6に示すように、仮に12時間とした場合、槽容積が10m3の前処理槽を使用することができる。(HRTを6時間とした場合は、槽容積が5m3、HRTを24時間とした場合は、槽容積が20m3の前処理槽を使用することができる)。なお、前処理槽は培養槽と同様に、概ねpH6.9、酸化還元電位(ORP)が-250mV以下、温度が39℃になるように運転制御されるものとする。
前処理槽で処理される前処理液20m3/dは、メタン発酵槽(槽容積200m3)に供給される。メタン発酵槽におけるHRTは、メタン発酵槽の槽容積200m3を一日当たりの人工培地(人工だ液)などの液体培地または希釈水の供給量20m3/d(dV)で除した値であることから、10日[200(m3)/20(m3/d)]となる。既設のメタン発酵槽の計画HRTの10日と同じ日数であることから、事例1におけるメタン発酵槽が機能を果たすのに十分なHRTを確保することができることは明らかである。
(Case 1)
6 is an explanatory diagram of Case 1 in which organic waste is supplied to the fuel gas production apparatus according to the first embodiment. In Case 1, a three-phase process consisting of a culture tank 10, a pretreatment tank 20, and a methane fermentation tank 30 was considered.
Of the 2.2 t-DW/d of lignocellulosic biomass discharged from the food factory A, 0.22 t-DW/d is used as a substrate (medium component) for culturing ruminal microorganisms in the culture tank. In order to ensure sufficient solid-liquid separation in the culture tank, the supply amount (dV) of liquid medium such as artificial medium (artificial saliva) or dilution water is 20 m 3 /d, and the solid concentration (TS) in the culture liquid is 1.1 wt%. In addition, in order to ensure sufficient proliferation of ruminal microorganisms in the culture tank, for example, if the SRT is 64 hours, the HRT is about 11 hours, and the discharge amount (fV) of the filtrate is 17 m 3 /d, the tank volume (FV) of the culture tank is 8 m 3 according to the above formula 1. The culture tank is operated and controlled so that the pH is approximately 6.9, the oxidation-reduction potential (ORP) is -250 mV or less, and the temperature is 39°C.
Of the 2.2 t-DW/d of lignocellulosic biomass discharged from food factory A, the remaining 1.98 t-DW/d of the 0.22 t-DW/d input to the culture tank is supplied to the pretreatment tank, where it is mixed with 17 m 3 /d of filtrate and 3 m 3 /d of suspension discharged from the culture tank. The optimal value of the HRT (same as SRT because it is a complete mixing type) of the pretreatment tank varies depending on the type of organic waste to be treated, but as shown in Figure 6, if it is set to 12 hours, a pretreatment tank with a tank volume of 10 m 3 can be used. (If the HRT is set to 6 hours, a tank volume of 5 m 3 can be used, and if the HRT is set to 24 hours, a pretreatment tank with a tank volume of 20 m 3 can be used.) The pretreatment tank is operated and controlled to have a pH of approximately 6.9, an oxidation-reduction potential (ORP) of -250 mV or less, and a temperature of 39°C, just like the culture tank.
20 m3 /d of pretreated liquid treated in the pretreatment tank is supplied to a methane fermentation tank (tank volume 200 m3 ). The HRT in the methane fermentation tank is calculated by dividing the tank volume of the methane fermentation tank, 200 m3 , by the daily supply amount of liquid medium such as artificial medium (artificial saliva) or dilution water, 20 m3 /d (dV), and is therefore 10 days [200 ( m3 )/20 ( m3 /d)]. As this is the same number of days as the planned HRT of the existing methane fermentation tank, 10 days, it is clear that a sufficient HRT can be secured for the methane fermentation tank in Case 1 to function.

(事例2)
図7は、2相式の燃料ガス製造装置にリグノセルロース系バイオマスを供給した場合の事例2の説明図である。事例2では、培養槽兼前処理槽320、メタン発酵槽30から構成される2相式プロセスについて検討した。
当該食品工場より排出される2.2t-DW/dのリグノセルロース系バイオマスは、培養槽兼前処理槽での膜ろ過を用いた固液分離が良好に行えるように、固形物濃度(TS)が1.1重量%となるように培養槽兼前処理槽に投入される場合、1日あたり200m3の人工培地(人工だ液)などの液体培地を培養槽兼前処理槽へ供給することになる。つまり、200m3の処理水が、培養槽兼前処理槽を通して後段のメタン発酵槽に供給されることになる。メタン発酵槽におけるHRTは、メタン発酵槽の槽容積200m3を一日当たりの人工培地(人工だ液)などの液体培地または希釈水の供給量200m3/d(dV)で除した値であることから、1日[200(m3)/200(m3/d)]となる。既設のメタン発酵槽の計画HRTの10日に比べ大幅に短くなることから、事例2におけるメタン発酵槽が機能を果たすのに十分なHRTを確保することができないことは明らかである。
(Case 2)
7 is an explanatory diagram of Case 2 in which lignocellulosic biomass is supplied to a two-phase fuel gas production apparatus. In Case 2, a two-phase process consisting of a culture tank/pretreatment tank 320 and a methane fermentation tank 30 was considered.
When 2.2 t-DW/d of lignocellulosic biomass discharged from the food factory is fed to the culture tank/pretreatment tank so that the solid concentration (TS) is 1.1% by weight so that solid-liquid separation using membrane filtration in the culture tank/pretreatment tank can be performed well, 200 m3 of liquid medium such as artificial medium (artificial saliva) is supplied to the culture tank/pretreatment tank per day. In other words, 200 m3 of treated water is supplied to the downstream methane fermentation tank through the culture tank/pretreatment tank. The HRT in the methane fermentation tank is the value obtained by dividing the tank volume of the methane fermentation tank, 200 m3 , by the supply amount of liquid medium such as artificial medium (artificial saliva) or dilution water per day, 200 m3 /d (dV), and is therefore [200 ( m3 )/200 ( m3 /d)] per day. Since this is significantly shorter than the planned HRT of 10 days for the existing methane fermentation tank, it is clear that a sufficient HRT cannot be secured for the methane fermentation tank in Case 2 to function.

上記のとおり、ルーメン微生物群の培養槽と、有機性廃棄物の加水分解と酸生成の機能に特化した前処理槽と、メタン発酵槽とから構成される3相式プロセスとすることにより、前処理槽で処理される有機性廃棄物の濃度を高めることができることから、結果的にメタン発酵槽に供給される前処理液の量が低減され、既設の完全混合型のメタン発酵槽が機能を果たすのに十分なHRTを確保できることが明らかとなった。 As described above, by adopting a three-phase process consisting of a culture tank for ruminal microorganisms, a pretreatment tank specialized in the functions of hydrolysis and acid production of organic waste, and a methane fermentation tank, it is possible to increase the concentration of organic waste treated in the pretreatment tank, which in turn reduces the amount of pretreatment liquid supplied to the methane fermentation tank, and it has become clear that it is possible to ensure sufficient HRT for existing complete mixing-type methane fermentation tanks to function.

本発明の燃料ガス製造装置、及び燃料ガス製造方法は、古紙や廃紙等の都市ゴミ等の産業廃棄物、食品廃棄物、農林産廃棄物、建築廃材等のリグノセルロース系産業廃棄物を含む有機性廃棄物を分解処理し、その分解処理物を原料としてメタンや水素のような燃料ガスを生成する用途において利用可能である。 The fuel gas production device and fuel gas production method of the present invention can be used to decompose organic waste, including industrial waste such as urban waste, such as waste paper and other waste paper, and lignocellulosic industrial waste, such as food waste, agricultural and forestry waste, and construction waste, and to generate fuel gas such as methane or hydrogen using the decomposition product as a raw material.

10:培養槽
11:ろ過液送液管
12:懸濁液送液管
20:前処理槽
21:前処理液供給管
30:発酵槽
40:固液分離手段
41:ろ過膜
50:撹拌機
100、101、102:燃料ガス製造装置
B:有機性廃棄物
C:易分解性の有機性廃棄物
G:燃料ガス
M:人工培地(人工だ液)などの液体培地
W:希釈水
S:固形廃棄物
T:処理水
P:ポンプ
R:発酵残渣
10: Culture tank 11: Filtrate delivery pipe 12: Suspension delivery pipe 20: Pretreatment tank 21: Pretreatment liquid supply pipe 30: Fermentation tank 40: Solid-liquid separation means 41: Filtration membrane 50: Agitator 100, 101, 102: Fuel gas production device B: Organic waste C: Easily decomposable organic waste G: Fuel gas M: Liquid medium such as artificial medium (artificial saliva) W: Dilution water S: Solid waste T: Treated water P: Pump R: Fermentation residue

Claims (6)

バイオマス由来の燃料ガスを製造するための燃料ガス製造装置であって、
ルーメン微生物を培養する培養槽と、
前記培養槽内において得られた前記ルーメン微生物の培養液と有機性廃棄物とを混合し、前記有機性廃棄物を処理して易分解性有機性廃棄物及び揮発性脂肪酸に変換する前処理槽と、
前記前処理槽内において得られた前記易分解性有機性廃棄物及び前記揮発性脂肪酸を基質として発酵を行う発酵槽と
を備え
前記培養槽内において前記培養液をろ過液と懸濁液とに固液分離する固液分離手段を備え、
前記ろ過液を前記前処理槽に供給するろ過液送液管と、前記懸濁液を前記前処理槽に供給する懸濁液送液管とを備えることを特徴とする燃料ガス製造装置。
A fuel gas production apparatus for producing a fuel gas derived from biomass,
A culture tank for culturing ruminal microorganisms;
A pretreatment tank in which the culture solution of the rumen microorganisms obtained in the culture tank is mixed with organic waste and the organic waste is treated to convert it into easily decomposable organic waste and volatile fatty acids;
a fermenter for performing fermentation using the easily decomposable organic waste and the volatile fatty acids obtained in the pretreatment tank as substrates ,
The culture tank is provided with a solid-liquid separation means for separating the culture solution into a filtrate and a suspension,
a filtrate delivery pipe for supplying the filtrate to the pretreatment tank, and a suspension delivery pipe for supplying the suspension to the pretreatment tank .
前記有機性廃棄物を所定の比率で前記培養槽と前記前処理槽とに供給するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料ガス製造装置。 The fuel gas production device according to claim 1, characterized in that the organic waste is supplied to the culture tank and the pretreatment tank at a predetermined ratio. 前記前処理槽内において得られた前記易分解性有機性廃棄物及び前記揮発性脂肪酸を含む前処理液を前記培養槽へ供給するように構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料ガス製造装置。 The fuel gas production device according to claim 1 or 2, characterized in that the pretreatment liquid containing the easily decomposable organic waste and the volatile fatty acids obtained in the pretreatment tank is supplied to the culture tank. 易分解性の有機性廃棄物を前記発酵槽に供給するように構成されていることを特徴とする請求項1~のいずれか一項に記載の燃料ガス製造装置。 4. The fuel gas production device according to claim 1 , wherein the device is configured to supply easily decomposable organic waste to the fermenter. バイオマス由来の燃料ガスを製造するための燃料ガス製造方法であって、
ルーメン微生物を培養する培養工程と、
前記培養工程において得られた前記ルーメン微生物の培養液と有機性廃棄物とを混合し、前記有機性廃棄物を処理して易分解性有機性廃棄物及び揮発性脂肪酸に変換する前処理工程と、
前記前処理工程において得られた前記易分解性有機性廃棄物及び前記揮発性脂肪酸を基質として発酵を行う発酵工程と
を備え、
前記培養工程は、前記培養液をろ過液と懸濁液とに固液分離する固液分離工程をさらに備え、
前記ろ過液を前記前処理工程に供給するろ過液送液工程と、前記懸濁液を前記前処理工程に供給する懸濁液送液工程とを備えることを特徴とする燃料ガス製造方法。
A fuel gas production method for producing a biomass-derived fuel gas, comprising:
A culturing step of culturing ruminal microorganisms;
A pretreatment process in which the culture solution of the rumen microorganism obtained in the culture process is mixed with organic waste, and the organic waste is treated to convert it into easily decomposable organic waste and volatile fatty acids;
a fermentation step in which the decomposable organic waste obtained in the pretreatment step and the volatile fatty acids are fermented as substrates,
The culture step further includes a solid-liquid separation step of separating the culture solution into a filtrate and a suspension ,
A fuel gas production method comprising : a filtrate delivery step of supplying the filtrate to the pretreatment step; and a suspension delivery step of supplying the suspension to the pretreatment step .
前記発酵工程は、メタン発酵工程、及び水素発酵工程の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項に記載の燃料ガス製造方法。 6. The method for producing fuel gas according to claim 5 , wherein the fermentation process includes at least one of a methane fermentation process and a hydrogen fermentation process.
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