JP7814031B2 - Hydrogen fermentation treatment system and hydrogen fermentation treatment method - Google Patents
Hydrogen fermentation treatment system and hydrogen fermentation treatment methodInfo
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Description
本発明は、水素発酵処理システム、及び水素発酵処理方法に関する。 The present invention relates to a hydrogen fermentation treatment system and a hydrogen fermentation treatment 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、セルロースが、ヘミセルロース、リグニンと呼ばれる高分子化合物と複雑に絡み合ったリグノセルロース構造を形成しており、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 organic carbon source found on Earth and constitutes the main component of plant cell walls, i.e., plant fiber. It has therefore attracted attention as an alternative energy resource to fossil fuels such as petroleum. Furthermore, lignocellulosic biomass forms a lignocellulose structure in which cellulose is intricately intertwined with polymeric compounds called hemicellulose and lignin. Because it is a persistent organic waste, the decomposition process requires a great deal of energy, cost, and time. This has led to a sluggish expansion of its use as an energy resource.
従来、生ごみ系有機性廃棄物を可溶化し、水素・メタン二段発酵を行うことで、水素ガスやメタンガスのようなバイオガスを作り出す技術が知られている(例えば、特許文献1)。 Conventionally, there is known technology for producing biogas such as hydrogen gas and methane gas by solubilizing organic waste such as food waste and carrying out two-stage hydrogen and methane fermentation (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1には、糖質系廃棄物が主体の生ごみ系有機性廃棄物やセルロース固形物が主体の生ごみ系有機性廃棄物を嫌気性可溶化により低分子化する嫌気性可溶化と水素発酵とを併せ持つ工程、続く後段に完全混合型のメタン発酵工程からなる二段発酵法を行い、水素とメタンを回収する嫌気性処理方法が開示されている。 Patent Document 1 discloses an anaerobic treatment method that combines anaerobic solubilization, which reduces organic waste from food waste primarily composed of carbohydrate waste or food waste primarily composed of cellulose solids, to smaller molecules through anaerobic solubilization and hydrogen fermentation, followed by a completely mixed methane fermentation process in the latter stage, to recover hydrogen and methane.
しかしながら、特許文献1に記載の嫌気性処理方法においては、糖質系廃棄物が主体の生ごみ系有機性廃棄物やセルロース固形物が主体の生ごみ系有機性廃棄物を嫌気性可溶化により低分子化し、水素発酵とメタン発酵による二段発酵法でバイオガスが得られているものの、難分解性の有機性廃棄物であるリグノセルロース系バイオマスを嫌気性可溶化して、水素発酵の基質である還元糖にまで分解するには、分解反応時間(水理学的滞留時間)を長く設定する必要があり、容量の大きい発酵槽の設置が必要となる。また、含水率の低いリグノセルロース系バイオマスを水素発酵槽へ供給する場合、ポンプ等で移送できる濃度まで加水して希釈する必要があり、使用可能な水量に制限がある場所では、十分に希釈することができないといった問題があった。さらに、希釈のために水道水を使用する場合は、水道コストが高額になるといった問題があった。 However, in the anaerobic treatment method described in Patent Document 1, food waste organic waste mainly composed of carbohydrate waste and food waste organic waste mainly composed of cellulose solids are anaerobic solubilized to reduce their molecular weight, and biogas is produced through a two-stage fermentation process involving hydrogen fermentation and methane fermentation. However, in order to anaerobically solubilize lignocellulosic biomass, which is a difficult-to-decompose organic waste, and decompose it into reducing sugars, which are the substrate for hydrogen fermentation, a long decomposition reaction time (hydraulic residence time) is required, necessitating the installation of a large-capacity fermenter. Furthermore, when lignocellulosic biomass with a low moisture content is supplied to the hydrogen fermenter, it must be diluted with water to a concentration that can be transported using a pump, etc., which poses the problem of insufficient dilution in locations with limited available water volume. Furthermore, using tap water for dilution poses the problem of high water costs.
そこで、本発明は、難分解性の有機性廃棄物であるリグノセルロース系バイオマスを原料として水素発酵を行い、水素ガス等のバイオガスを効率的に製造するための水素発酵処理システムおよび水素発酵処理方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a hydrogen fermentation treatment system and method for efficiently producing biogas such as hydrogen gas by performing hydrogen fermentation using lignocellulosic biomass, a type of persistent organic waste, as a feedstock.
上記課題を解決するために、本発明の水素発酵処理システムは、ルーメン液及び培養槽で培養されるルーメン微生物培養液の少なくとも一つとリグノセルロース系バイオマスとを含む混合液を貯留する貯留槽と、前記貯留槽から供給された前記混合液の分解処理及び水素発酵処理を行う分解・水素発酵槽と、を備える。 To solve the above problems, the hydrogen fermentation treatment system of the present invention comprises a storage tank for storing a mixed liquid containing at least one of rumen fluid and rumen microbial culture fluid cultured in a culture tank, and lignocellulosic biomass, and a decomposition/hydrogen fermentation tank for performing decomposition treatment and hydrogen fermentation treatment of the mixed liquid supplied from the storage tank.
上記構成によれば、貯留槽内でリグノセルロース系バイオマスとルーメン液やルーメン微生物培養液とを混合することで分解処理が進み、後段の分解・水素発酵槽の水理学的滞留時間、または槽容量を低減することが可能となる。 With the above configuration, the decomposition process progresses by mixing lignocellulosic biomass with rumen fluid or rumen microbial culture fluid in the storage tank, making it possible to reduce the hydraulic retention time or tank capacity of the downstream decomposition/hydrogen fermentation tank.
また、本発明の水素発酵処理システムにおいて、有機性廃棄物をメタン発酵処理する第1メタン発酵槽をさらに備え、前記第1メタン発酵槽内のメタン発酵液を前記貯留槽及び前記培養槽の少なくとも一つに供給するように構成されていてもよい。 The hydrogen fermentation treatment system of the present invention may further include a first methane fermentation tank that performs methane fermentation treatment on organic waste, and may be configured to supply the methane fermentation liquid in the first methane fermentation tank to at least one of the storage tank and the culture tank.
上記構成によれば、第1メタン発酵槽内のメタン発酵液を貯留槽及び培養槽の少なくとも一つに供給することで、ルーメン微生物に含まれるリグノセルロース分解微生物に窒素源を供給することができる。ルーメン微生物に含まれるリグノセルロース分解微生物は、分解・水素発酵槽内でリグノセルロース系バイオマスを分解して還元糖を生成させる過程において、窒素を消費するため、予め貯留槽等に窒素源を多く含むメタン発酵液を供給しておくことで、リグノセルロース分解活性を維持または向上させることができる。また、活性汚泥法等の生物学的排水処理によって発生する汚泥や家畜糞尿、生ごみ等の有機性廃棄物の処理を消化槽(第1メタン発酵槽)で行う場合、消化汚泥(メタン発酵液)は、液肥や堆肥としての利用が普及していないため、排水処理する場合は排水処理施設が必要となるが、リグノセルロース分解微生物の窒素源として利用することで、設備コストを削減することができる。 With the above configuration, a nitrogen source can be provided to the lignocellulose-degrading microorganisms contained in the rumen microorganisms by supplying the methane fermentation liquid from the first methane fermenter to at least one of the storage tank and the culture tank. The lignocellulose-degrading microorganisms contained in the rumen microorganisms consume nitrogen during the process of decomposing lignocellulose-based biomass in the decomposition/hydrogen fermenter to produce reducing sugars. Therefore, by supplying a methane fermentation liquid rich in a nitrogen source to the storage tank or the like in advance, lignocellulose decomposition activity can be maintained or improved. Furthermore, when treating organic waste such as sludge generated by biological wastewater treatment methods such as the activated sludge method, livestock manure, and food waste in a digester (first methane fermenter), the digested sludge (methane fermentation liquid) is not widely used as liquid fertilizer or compost, so a wastewater treatment facility is required for wastewater treatment. However, by using the digested sludge as a nitrogen source for the lignocellulose-degrading microorganisms, facility costs can be reduced.
また、本発明の水素発酵処理システムにおいて、前記分解・水素発酵槽内の水素発酵液を原料としてメタン発酵を行う第2メタン発酵槽をさらに備え、前記第2メタン発酵槽内のメタン発酵液を前記貯留槽及び前記培養槽の少なくとも一つに返送するように構成されていてもよい。 The hydrogen fermentation treatment system of the present invention may further include a second methane fermentation tank that performs methane fermentation using the hydrogen fermentation liquid in the decomposition/hydrogen fermentation tank as a raw material, and may be configured to return the methane fermentation liquid in the second methane fermentation tank to at least one of the storage tank and the culture tank.
上記構成によれば、第2メタン発酵槽内のメタン発酵液を貯留槽及び培養槽の少なくとも一つに返送することで、ルーメン微生物に含まれるリグノセルロース分解微生物に窒素源を供給することができる。ルーメン微生物に含まれるリグノセルロース分解微生物は、分解・水素発酵槽内でリグノセルロース系バイオマスを分解して還元糖を生成させる過程において、窒素を消費するため、予め貯留槽等に窒素源を多く含むメタン発酵液を供給しておくことで、リグノセルロース分解活性を維持または向上させることができる。 With the above configuration, a nitrogen source can be supplied to the lignocellulose-degrading microorganisms contained in the rumen microorganisms by returning the methane fermentation liquid in the second methane fermentation tank to at least one of the storage tank and the culture tank. The lignocellulose-degrading microorganisms contained in the rumen microorganisms consume nitrogen in the process of decomposing lignocellulose-based biomass in the decomposition/hydrogen fermentation tank to produce reducing sugars. Therefore, by supplying a methane fermentation liquid rich in nitrogen source to the storage tank or the like in advance, lignocellulose decomposition activity can be maintained or improved.
上記課題を解決するために、本発明の水素発酵処理システムは、ルーメン液及び培養槽で培養されるルーメン微生物培養液の少なくとも一つとリグノセルロース系バイオマスとを含む混合液を貯留する貯留槽と、前記貯留槽から供給された前記混合液を分解処理する前処理槽と、前記前処理槽内の前処理液を水素発酵処理する水素発酵槽と、を備える。 To solve the above problems, the hydrogen fermentation treatment system of the present invention comprises a storage tank for storing a mixed liquid containing at least one of rumen fluid and rumen microbial culture fluid cultured in a culture tank, and lignocellulosic biomass; a pretreatment tank for decomposing the mixed liquid supplied from the storage tank; and a hydrogen fermentation tank for hydrogen fermenting the pretreated liquid in the pretreatment tank.
上記構成によれば、貯留槽内でリグノセルロース系バイオマスとルーメン液やルーメン微生物培養液とを混合することで分解処理が進み、後段の前処理槽や水素発酵槽の水理学的滞留時間、または槽容量を低減することが可能となる。また、貯留槽の後段に設置される前処理槽は、リグノセルロース系バイオマスを分解処理し、水素発酵処理の基質となる還元糖を生成する機能に特化されており、水素発酵槽と役割が分かれている。そのため、運転制御や管理が行いやすいという利点がある。 With the above configuration, the decomposition process progresses by mixing lignocellulosic biomass with rumen fluid or rumen microbial culture fluid in the storage tank, making it possible to reduce the hydraulic retention time or tank volume of the downstream pretreatment tank and hydrogen fermenter. Furthermore, the pretreatment tank installed downstream of the storage tank is specialized for the function of decomposing lignocellulosic biomass and producing reducing sugars, which serve as a substrate for hydrogen fermentation, and has a separate role from the hydrogen fermenter. This has the advantage of making operation control and management easier.
また、本発明の水素発酵処理システムにおいて、有機性廃棄物をメタン発酵処理する第1メタン発酵槽をさらに備え、前記第1メタン発酵槽内のメタン発酵液を前記貯留槽、前記培養槽、及び前記前処理槽の少なくとも一つに供給するように構成されていてもよい。 The hydrogen fermentation treatment system of the present invention may further include a first methane fermentation tank that performs methane fermentation treatment on organic waste, and may be configured to supply the methane fermentation liquid in the first methane fermentation tank to at least one of the storage tank, the culture tank, and the pretreatment tank.
上記構成によれば、第1メタン発酵槽内のメタン発酵液を貯留槽、培養槽、及び前処理槽の少なくとも一つに供給することで、ルーメン微生物に含まれるリグノセルロース分解微生物に窒素源を供給することができる。ルーメン微生物に含まれるリグノセルロース分解微生物は、前処理槽内でリグノセルロース系バイオマスを分解して還元糖を生成させる過程において、窒素を消費するため、予め貯留槽等に窒素源を多く含むメタン発酵液を供給しておくことで、リグノセルロース分解活性を維持または向上させることができる。さらに、活性汚泥法等の生物学的排水処理によって発生する汚泥や家畜糞尿、生ごみ等の有機性廃棄物の処理を消化槽(第1メタン発酵槽)で行う場合、消化汚泥(メタン発酵液)は、液肥や堆肥としての利用が普及していないため、排水処理する場合は排水処理施設が必要となるが、リグノセルロース分解微生物の窒素源として利用することで、設備コストを削減することができる。 With the above configuration, a nitrogen source can be supplied to the lignocellulose-degrading microorganisms contained in the rumen microorganisms by supplying the methane fermentation liquid from the first methane fermentation tank to at least one of the storage tank, culture tank, and pretreatment tank. The lignocellulose-degrading microorganisms contained in the rumen microorganisms consume nitrogen during the process of decomposing lignocellulose-based biomass in the pretreatment tank to produce reducing sugars. Therefore, by supplying a methane fermentation liquid rich in nitrogen to the storage tank or the like in advance, lignocellulose decomposition activity can be maintained or improved. Furthermore, when treating organic waste such as sludge generated by biological wastewater treatment methods such as the activated sludge method, livestock manure, and food waste in a digester (first methane fermenter), the digested sludge (methane fermentation liquid) is not widely used as liquid fertilizer or compost, so a wastewater treatment facility is required for wastewater treatment. However, by using the digested sludge as a nitrogen source for the lignocellulose-degrading microorganisms, facility costs can be reduced.
また、本発明の水素発酵処理システムにおいて、前記水素発酵槽内の水素発酵液を原料としてメタン発酵を行う第2メタン発酵槽をさらに備え、前記第2メタン発酵槽内のメタン発酵液を前記貯留槽、前記培養槽、及び前記前処理槽の少なくとも一つに返送するように構成されていてもよい。 The hydrogen fermentation treatment system of the present invention may further include a second methane fermentation tank that performs methane fermentation using the hydrogen fermentation liquid in the hydrogen fermentation tank as a raw material, and may be configured to return the methane fermentation liquid in the second methane fermentation tank to at least one of the storage tank, the culture tank, and the pretreatment tank.
上記構成によれば、第2メタン発酵槽内のメタン発酵液を貯留槽、培養槽、及び前処理槽の少なくとも一つに返送することで、ルーメン微生物に含まれるリグノセルロース分解微生物に窒素源を供給することができる。ルーメン微生物に含まれるリグノセルロース分解微生物は、前処理槽内でリグノセルロース系バイオマスを分解して還元糖を生成させる過程において、窒素を消費するため、予め貯留槽等に窒素源を多く含むメタン発酵液を供給しておくことで、リグノセルロース分解活性を維持または向上させることができる。 With the above configuration, a nitrogen source can be supplied to the lignocellulose-degrading microorganisms contained in the rumen microorganisms by returning the methane fermentation liquid in the second methane fermentation tank to at least one of the storage tank, culture tank, and pretreatment tank. The lignocellulose-degrading microorganisms contained in the rumen microorganisms consume nitrogen in the process of decomposing lignocellulose-based biomass in the pretreatment tank to produce reducing sugars. Therefore, by supplying a methane fermentation liquid rich in nitrogen source to the storage tank or the like in advance, lignocellulose decomposition activity can be maintained or improved.
上記課題を解決するために、本発明の水素発酵処理方法は、ルーメン液及び培養槽で培養されるルーメン微生物培養液の少なくとも一つとリグノセルロース系バイオマスとを含む混合液を貯留槽に貯留する貯留工程と、前記貯留工程から供給された前記混合液の分解処理及び水素発酵処理を行う分解・水素発酵工程と、を備える。 To solve the above problems, the hydrogen fermentation treatment method of the present invention comprises a storage step in which a mixed liquid containing at least one of rumen fluid and rumen microbial culture fluid cultured in a culture tank and lignocellulosic biomass is stored in a storage tank, and a decomposition/hydrogen fermentation step in which the mixed liquid supplied from the storage step is decomposed and hydrogen fermented.
上記構成によれば、貯留工程において、貯留槽内でリグノセルロース系バイオマスとルーメン液やルーメン微生物培養液とを混合することで分解処理が進み、後段の分解・水素発酵槽の水理学的滞留時間、または槽容量を低減することが可能となる。 With the above configuration, in the storage process, the decomposition process progresses by mixing lignocellulosic biomass with rumen fluid or rumen microbial culture fluid in the storage tank, making it possible to reduce the hydraulic retention time or tank capacity of the subsequent decomposition/hydrogen fermentation tank.
また、本発明の水素発酵処理方法において、有機性廃棄物をメタン発酵処理する第1メタン発酵工程をさらに備え、前記第1メタン発酵工程で得られたメタン発酵液を前記貯留槽及び前記培養槽の少なくとも一つに供給するように構成されていてもよい。 The hydrogen fermentation treatment method of the present invention may further include a first methane fermentation process in which organic waste is subjected to methane fermentation, and may be configured to supply the methane fermentation liquid obtained in the first methane fermentation process to at least one of the storage tank and the culture tank.
上記構成によれば、第1メタン発酵工程で得られたメタン発酵液を貯留槽及び培養槽の少なくとも一つに供給することで、ルーメン微生物に含まれるリグノセルロース分解微生物に窒素源を供給することができる。ルーメン微生物に含まれるリグノセルロース分解微生物は、分解・水素発酵工程でリグノセルロース系バイオマスを分解して還元糖を生成させる過程において、窒素を消費するため、予め貯留槽等に窒素源を多く含むメタン発酵液を供給しておくことで、リグノセルロース分解活性を維持または向上させることができる。また、活性汚泥法等の生物学的排水処理によって発生する汚泥や家畜糞尿、生ごみ等の有機性廃棄物の処理を消化槽(第1メタン発酵槽)で行う場合、消化汚泥(メタン発酵液)は、液肥や堆肥としての利用が普及していないため、排水処理する場合は排水処理施設が必要となるが、リグノセルロース分解微生物の窒素源として利用することで、設備コストを削減することができる。 According to the above configuration, a nitrogen source can be provided to the lignocellulose-degrading microorganisms contained in the rumen microorganisms by supplying the methane fermentation liquid obtained in the first methane fermentation process to at least one of the storage tank and the culture tank. The lignocellulose-degrading microorganisms contained in the rumen microorganisms consume nitrogen during the decomposition and hydrogen fermentation process to produce reducing sugars by decomposing lignocellulose-based biomass. Therefore, by supplying a methane fermentation liquid rich in a nitrogen source to a storage tank or the like in advance, lignocellulose decomposition activity can be maintained or improved. Furthermore, when treating organic waste such as sludge generated by biological wastewater treatment methods such as the activated sludge method, livestock manure, and food waste in a digester (first methane fermenter), the digested sludge (methane fermentation liquid) is not widely used as liquid fertilizer or compost, so a wastewater treatment facility is required for wastewater treatment. However, by using the digested sludge as a nitrogen source for the lignocellulose-degrading microorganisms, facility costs can be reduced.
また、本発明の水素発酵処理方法において、前記分解・水素発酵工程で得られた水素発酵液を原料としてメタン発酵を行う第2メタン発酵工程をさらに備え、前記第2メタン発酵工程で得られたメタン発酵液を前記貯留槽及び前記培養槽の少なくとも一つに返送するように構成されていてもよい。 The hydrogen fermentation treatment method of the present invention may further include a second methane fermentation process in which methane fermentation is carried out using the hydrogen fermentation liquid obtained in the decomposition/hydrogen fermentation process as a raw material, and may be configured to return the methane fermentation liquid obtained in the second methane fermentation process to at least one of the storage tank and the culture tank.
上記構成によれば、第2メタン発酵工程で得られたメタン発酵液を貯留槽及び培養槽の少なくとも一つに返送することで、ルーメン微生物に含まれるリグノセルロース分解微生物に窒素源を供給することができる。ルーメン微生物に含まれるリグノセルロース分解微生物は、分解・水素発酵工程でリグノセルロース系バイオマスを分解して還元糖を生成させる過程において、窒素を消費するため、予め貯留槽等に窒素源を多く含むメタン発酵液を供給しておくことで、リグノセルロース分解活性を維持または向上させることができる。 With the above configuration, by returning the methane fermentation liquid obtained in the second methane fermentation process to at least one of the storage tank and the culture tank, a nitrogen source can be supplied to the lignocellulose-degrading microorganisms contained in the rumen microorganisms. The lignocellulose-degrading microorganisms contained in the rumen microorganisms consume nitrogen in the process of decomposing lignocellulose-based biomass and producing reducing sugars in the decomposition and hydrogen fermentation process. Therefore, by supplying a methane fermentation liquid rich in nitrogen sources to a storage tank or the like in advance, lignocellulose decomposition activity can be maintained or improved.
上記課題を解決するために、本発明の水素発酵処理方法は、ルーメン液及び培養槽で培養されるルーメン微生物培養液の少なくとも一つとリグノセルロース系バイオマスとを含む混合液を貯留槽に貯留する貯留工程と、前記貯留工程から供給された前記混合液を前処理槽で分解処理する前処理工程と、前記前処理工程で得られた前処理液を水素発酵槽で水素発酵処理する水素発酵工程と、を備える。 To solve the above problems, the hydrogen fermentation treatment method of the present invention comprises a storage step of storing a mixed liquid containing at least one of rumen fluid and rumen microbial culture fluid cultured in a culture tank and lignocellulosic biomass in a storage tank; a pretreatment step of decomposing the mixed liquid supplied from the storage step in a pretreatment tank; and a hydrogen fermentation step of subjecting the pretreated liquid obtained in the pretreatment step to hydrogen fermentation in a hydrogen fermentation tank.
上記構成によれば、貯留工程において、貯留槽内でリグノセルロース系バイオマスとルーメン液やルーメン微生物培養液とを混合することで分解処理が進み、後段の前処理槽や水素発酵槽の水理学的滞留時間、または槽容量を低減することが可能となる。また、貯留工程の後に実施される前処理工程は、リグノセルロース系バイオマスを分解処理し、水素発酵処理の基質となる還元糖を生成する機能に特化されており、後段の水素発酵槽で行われる水素発酵工程と役割が分かれている。そのため、運転制御や管理が行いやすいという利点がある。 With the above configuration, in the storage process, the decomposition process progresses by mixing lignocellulosic biomass with rumen fluid or rumen microbial culture fluid in the storage tank, making it possible to reduce the hydraulic retention time or tank capacity of the subsequent pretreatment tank and hydrogen fermenter. Furthermore, the pretreatment process carried out after the storage process is specialized in the function of decomposing lignocellulosic biomass and producing reducing sugars, which serve as a substrate for hydrogen fermentation, and its role is separate from the hydrogen fermentation process carried out in the subsequent hydrogen fermenter. This has the advantage of making operation control and management easier.
また、本発明の水素発酵処理方法において、有機性廃棄物をメタン発酵処理する第1メタン発酵工程をさらに備え、前記第1メタン発酵工程で得られたメタン発酵液を前記貯留槽、前記培養槽、及び前記前処理槽の少なくとも一つに供給するように構成されていてもよい。 The hydrogen fermentation treatment method of the present invention may further include a first methane fermentation process in which organic waste is subjected to methane fermentation, and may be configured to supply the methane fermentation liquid obtained in the first methane fermentation process to at least one of the storage tank, the culture tank, and the pretreatment tank.
上記構成によれば、第1メタン発酵工程で得られたメタン発酵液を貯留槽、培養槽、及び前処理槽の少なくとも一つに供給することで、ルーメン微生物に含まれるリグノセルロース分解微生物に窒素源を供給することができる。ルーメン微生物に含まれるリグノセルロース分解微生物は、前処理工程でリグノセルロース系バイオマスを分解して還元糖を生成させる過程において、窒素を消費するため、予め貯留槽等に窒素源を多く含むメタン発酵液を供給しておくことで、リグノセルロース分解活性を維持または向上させることができる。また、活性汚泥法等の生物学的排水処理によって発生する汚泥や家畜糞尿、生ごみ等の有機性廃棄物の処理を消化槽(第1メタン発酵槽)で行う場合、消化汚泥(メタン発酵液)は、液肥や堆肥としての利用が普及していないため、排水処理する場合は排水処理施設が必要となるが、リグノセルロース分解微生物の窒素源として利用することで、設備コストを削減することができる。 According to the above configuration, a nitrogen source can be provided to lignocellulose-degrading microorganisms contained in ruminal microorganisms by supplying the methane fermentation liquid obtained in the first methane fermentation process to at least one of the storage tank, culture tank, and pretreatment tank. The lignocellulose-degrading microorganisms contained in ruminal microorganisms consume nitrogen during the pretreatment process of decomposing lignocellulose-based biomass to produce reducing sugars. Therefore, by supplying a methane fermentation liquid rich in a nitrogen source to a storage tank or the like in advance, lignocellulose decomposition activity can be maintained or improved. Furthermore, when treating organic waste such as sludge generated by biological wastewater treatment methods such as the activated sludge method, livestock manure, and food waste in a digester (first methane fermenter), wastewater treatment facilities are required because the digested sludge (methane fermentation liquid) is not widely used as liquid fertilizer or compost. However, using the digested sludge as a nitrogen source for lignocellulose-degrading microorganisms can reduce facility costs.
また、本発明の水素発酵処理方法において、前記水素発酵工程で得られた水素発酵液を原料としてメタン発酵を行う第2メタン発酵工程をさらに備え、前記第2メタン発酵工程で得られたメタン発酵液を前記貯留槽、前記培養槽、及び前記前処理槽の少なくとも一つに返送するように構成されていてもよい。 The hydrogen fermentation treatment method of the present invention may further include a second methane fermentation process in which methane fermentation is carried out using the hydrogen fermentation liquor obtained in the hydrogen fermentation process as a raw material, and may be configured to return the methane fermentation liquor obtained in the second methane fermentation process to at least one of the storage tank, the culture tank, and the pretreatment tank.
上記構成によれば、第2メタン発酵工程で得られたメタン発酵液を貯留槽、培養槽、及び前処理槽の少なくとも一つに返送することで、ルーメン微生物に含まれるリグノセルロース分解微生物に窒素源を供給することができる。ルーメン微生物に含まれるリグノセルロース分解微生物は、前処理工程でリグノセルロース系バイオマスを分解して還元糖を生成させる過程において、窒素を消費するため、予め貯留槽等に窒素源を多く含むメタン発酵液を供給しておくことで、リグノセルロース分解活性を維持または向上させることができる。 With the above configuration, a nitrogen source can be supplied to the lignocellulose-degrading microorganisms contained in the rumen microorganisms by returning the methane fermentation liquid obtained in the second methane fermentation process to at least one of the storage tank, culture tank, and pretreatment tank. The lignocellulose-degrading microorganisms contained in the rumen microorganisms consume nitrogen in the process of decomposing lignocellulose-based biomass to produce reducing sugars in the pretreatment process. Therefore, by supplying a methane fermentation liquid rich in nitrogen source to a storage tank or the like in advance, lignocellulose decomposition activity can be maintained or improved.
本発明によれば、貯留槽内でリグノセルロース系バイオマスとルーメン液やルーメン微生物培養液とを混合することで分解処理が進み、後段の水素発酵槽等の水理学的滞留時間、または槽容量を低減することが可能となる。 According to the present invention, the decomposition process is advanced by mixing lignocellulosic biomass with rumen fluid or rumen microbial culture fluid in a storage tank, making it possible to reduce the hydraulic retention time or tank volume of downstream hydrogen fermentation tanks, etc.
本発明に係る水素発酵処理システム、及び水素発酵処理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 hydrogen fermentation treatment system and hydrogen fermentation treatment method of the present invention. However, the present invention is not intended to be limited to the configurations shown in the embodiments and drawings described below.
以下、図1~6を用いて、各実施形態に係る水素発酵処理システム及び水素発酵処理方法を説明する The following describes the hydrogen fermentation treatment system and hydrogen fermentation treatment method according to each embodiment, using Figures 1 to 6.
(第1実施形態)
図1(a)(b)は、第1実施形態に係る水素発酵処理システム101、102の概略構成を示す図である。図1に示す水素発酵処理システム101、102は、リグノセルロース系バイオマスを原料として水素発酵処理を行い、バイオ水素ガスを製造するシステムである。図1に示す水素発酵処理システム101、102は、主に、貯留槽10と、分解・水素発酵槽20とから構成されており、リグノセルロース系バイオマスは、必要に応じて粉砕機50などによって破砕・粉砕されて、貯留槽10に供給される。
(First embodiment)
1(a) and 1(b) are diagrams showing the schematic configuration of hydrogen fermentation treatment systems 101 and 102 according to a first embodiment. The hydrogen fermentation treatment systems 101 and 102 shown in Fig. 1 are systems that perform hydrogen fermentation treatment using lignocellulosic biomass as a feedstock to produce biohydrogen gas. The hydrogen fermentation treatment systems 101 and 102 shown in Fig. 1 are mainly composed of a storage tank 10 and a decomposition/hydrogen fermentation tank 20. Lignocellulosic biomass is crushed and pulverized as necessary using a crusher 50 or the like and supplied to the storage tank 10.
(貯留槽)
図1(a)の貯留槽10には、牛などの反芻動物から採取されたルーメン液とリグノセルロース系バイオマスが投入される。図1(b)の貯留槽10には、培養槽40で培養されたルーメン微生物培養液とリグノセルロース系バイオマスが投入される。ルーメン液及びルーメン微生物培養液の少なくとも一つとリグノセルロース系バイオマスとを含む混合物を貯留槽10内に貯留しておくことで、リグノセルロース系バイオマスの分解処理が進み、後段の分解・水素発酵槽20の水理学的滞留時間、または槽容量を低減することが可能となる。また、貯留槽10において、リグノセルロース系バイオマスは、固形物濃度(TS:Total Solids)が3.0~20.0%となるように調整される。固形物濃度が3.0%以下となると、後段の水素発酵の基質となる還元糖の生産が低下する虞がある。一方で、20.0%を超えると、混合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。また、リグノセルロース系バイオマスをルーメン液やルーメン微生物培養液によりポンプ等で移送できる固形物濃度となるように予め希釈して、貯留槽10に貯留しておくことにより、リグノセルロース系バイオマスに加水して希釈する必要がなくなるため、使用可能な水量に制限がある施設においても、処理液を適切な固形物濃度に調整することができる。さらに、希釈のために水道水を使用する必要もないため、水道コストを削減することができる。固形物濃度を測定する濃度計として、超音波式濃度計、マイクロ波式濃度計、近赤外光式濃度計などが用いられる。また、濃度計を使用せず、リグノセルロース系バイオマスを直接採取し、乾燥前後の質量を測定し、質量差から固形物濃度を算出する方法、即ち手分析で固形物濃度を測定してもよい。貯留槽10には、混合液を混合するための攪拌機が設けられていてもよい(不図示)。なお、貯留槽10においては、固形物濃度が上記の範囲内となるように調整されればよいため、温度管理やpHの調整等のための計器の設置は必須ではない。
(storage tank)
Rumen fluid and lignocellulosic biomass collected from ruminants such as cattle are introduced into the storage tank 10 in FIG. 1( a). Rumen microorganism culture fluid and lignocellulosic biomass cultivated in a culture tank 40 are introduced into the storage tank 10 in FIG. 1( b). Storing a mixture containing at least one of rumen fluid and rumen microorganism culture fluid and lignocellulosic biomass in the storage tank 10 promotes the decomposition of the lignocellulosic biomass, thereby enabling the hydraulic retention time or tank volume of the subsequent decomposition/hydrogen fermentation tank 20 to be reduced. Furthermore, in the storage tank 10, the lignocellulosic biomass is adjusted to a solids concentration (TS: Total Solids) of 3.0 to 20.0%. A solids concentration of 3.0% or less may result in a decrease in the production of reducing sugars, which serve as a substrate for hydrogen fermentation in the subsequent stage. On the other hand, if the solids concentration exceeds 20.0%, it may be difficult to pump out the mixed solution. Furthermore, by pre-diluting the lignocellulosic biomass with rumen fluid or rumen microbial culture fluid to a solids concentration that can be transported by pump or the like and storing the diluted solution in the storage tank 10, it is no longer necessary to add water to the lignocellulosic biomass for dilution. This allows the treatment solution to be adjusted to an appropriate solids concentration even in facilities with limited available water. Furthermore, since tap water is not required for dilution, water costs can be reduced. Concentration meters used to measure the solids concentration include ultrasonic concentration meters, microwave concentration meters, and near-infrared concentration meters. Alternatively, the solids concentration may be measured manually without using a concentration meter by directly collecting the lignocellulosic biomass, measuring its mass before and after drying, and calculating the solids concentration from the mass difference. The storage tank 10 may be provided with an agitator (not shown) for mixing the mixed solution. In addition, since the solid concentration in the storage tank 10 only needs to be adjusted to fall within the above range, it is not essential to install instruments for temperature control, pH adjustment, etc.
(分解・水素発酵槽)
分解・水素発酵槽20では、混合液中のリグノセルロース系バイオマスを原料として水素ガスが生成される。具体的には、貯留槽10内の混合液が、分解・水素発酵槽20に供給され、50~60℃、pH5.5~6.0の条件下、水理学的滞留時間(HRT)24~168時間、より好ましくは72時間程度とすることで、リグノセルロース分解細菌によるリグノセルロース分解および還元糖の生成、次いで、水素生成細菌による水素発酵が行われる。水素発酵後の処理液には、酢酸等の揮発性脂肪酸が含まれる。分解・水素発酵槽20において、リグノセルロース系バイオマスの分解処理と水素発酵処理が一つの槽内で行われるため、設備コストを削減することができる。分解・水素発酵槽20内のリグノセルロース分解細菌および水素生成細菌は、ルーメン液やルーメン微生物培養液に含まれているものであり、50~60℃、より好ましくは55℃、pH5.5~6.0、より好ましくはpH5.7の条件下で優占化される。
(Decomposition/hydrogen fermentation tank)
In the decomposition/hydrogen fermentation tank 20, hydrogen gas is produced using the lignocellulosic biomass in the mixed liquid as a raw material. Specifically, the mixed liquid in the storage tank 10 is supplied to the decomposition/hydrogen fermentation tank 20, where it is maintained at 50-60°C, pH 5.5-6.0, and a hydraulic retention time (HRT) of 24-168 hours, preferably 72 hours. Lignocellulose decomposition and reducing sugar production by lignocellulose-decomposing bacteria are then carried out, followed by hydrogen fermentation by hydrogen-producing bacteria. The resulting hydrogen fermentation-resulting liquid contains volatile fatty acids such as acetic acid. In the decomposition/hydrogen fermentation tank 20, the decomposition and hydrogen fermentation of lignocellulosic biomass are carried out in a single tank, thereby reducing equipment costs. The lignocellulose-decomposing bacteria and hydrogen-producing bacteria in the decomposition/hydrogen fermentation tank 20 are contained in rumen fluid or rumen microbial culture solution and are dominant under conditions of 50-60°C, preferably 55°C, pH 5.5-6.0, preferably pH 5.7.
分解・水素発酵槽20として、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。つまり、分解・水素発酵槽20に使用する槽は、一般的なメタン発酵槽と同等の材質、形状、構造でよい。完全混合型の発酵方式の発酵槽は、懸濁液についても処理することができるため、希釈水や人工培地(人工だ液)などの液体培地の使用量を低減することができる。分解・水素発酵槽20は、鋼板製のタンクであってもよく、コンクリート製のタンクであってもよい。分解・水素発酵槽20には、貯留槽10から供給された混合液を攪拌するために、攪拌機が取付けられていてもよい(不図示)。なお、分解・水素発酵槽20から排出される水素発酵後汚泥は濃縮され、肥料や建築資材等として利用することができる。 The decomposition/hydrogen fermenter 20 can be a complete mixing fermentation (anaerobic digestion) type fermenter, which is widely used both domestically and internationally to treat solid (slurry-like) waste. In other words, the tank used for the decomposition/hydrogen fermenter 20 can be made of the same material, shape, and structure as a general methane fermenter. A complete mixing fermentation type fermenter can also treat suspensions, reducing the amount of liquid medium used, such as dilution water or artificial medium (artificial saliva). The decomposition/hydrogen fermenter 20 may be a steel tank or a concrete tank. The decomposition/hydrogen fermenter 20 may be equipped with an agitator (not shown) to agitate the mixed liquid supplied from the storage tank 10. The post-hydrogen fermentation sludge discharged from the decomposition/hydrogen fermenter 20 is concentrated and can be used as fertilizer, building materials, etc.
水素発酵が進行すると、分解・水素発酵槽20の中でバイオ水素ガスが発生する。バイオ水素ガスは、水素ガスが約50容量%、二酸化炭素が約50容量%のガスである。発生したバイオ水素ガスは、分解・水素発酵槽20の中から取り出され、分解・水素発酵槽20や培養槽40の加温のための燃料として利用されたり、発電設備(不図示)の燃料として利用されたりする。すなわち、リグノセルロース系バイオマスを水素発酵処理することで、リグノセルロース系バイオマスが有するエネルギーをバイオ水素ガス(ガスエネルギー)として回収することができる。 As hydrogen fermentation progresses, biohydrogen gas is generated in the decomposition/hydrogen fermentation tank 20. Biohydrogen gas is a gas that is approximately 50% hydrogen gas and approximately 50% carbon dioxide by volume. The generated biohydrogen gas is extracted from the decomposition/hydrogen fermentation tank 20 and used as fuel to heat the decomposition/hydrogen fermentation tank 20 and the culture tank 40, or as fuel for power generation equipment (not shown). In other words, by subjecting lignocellulosic biomass to hydrogen fermentation, the energy contained in the lignocellulosic biomass can be recovered as biohydrogen gas (gas energy).
図1(b)に示す水素発酵処理システム102は、図1(a)と同様に、貯留槽10と分解・水素発酵槽20、必要に応じて粉砕機50を備えるが、さらに、培養槽40を備える点で、図1(a)と異なる。 The hydrogen fermentation treatment system 102 shown in Figure 1(b) is similar to that shown in Figure 1(a) in that it includes a storage tank 10, a decomposition/hydrogen fermentation tank 20, and, if necessary, a crusher 50, but differs from Figure 1(a) in that it also includes a culture tank 40.
(培養槽)
培養槽40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40に、人工培地(人工だ液)などの液体培地とリグノセルロース系バイオマスが供給されると、ルーメン微生物(リグノセルロース分解細菌)がリグノセルロース系バイオマスを分解代謝することにより増殖するとともに、リグノセルロースの部分分解物や、グルコース、フルクトース等の還元糖(ヘキソース(六単糖))、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40内のリグノセルロース分解細菌の培養液は、連続培養又は半連続培養することにより、貯留槽10に安定供給される。
(culture tank)
Rumen microorganisms present in rumen fluid collected from ruminants such as cattle are cultured in the culture tank 40. When a liquid medium such as an artificial medium (artificial saliva) and lignocellulosic biomass are supplied to the culture tank 40, the rumen microorganisms (lignocellulose-degrading bacteria) proliferate by decomposing and metabolizing the lignocellulosic biomass, and produce partially decomposed lignocellulose, reducing sugars (hexoses) such as glucose and fructose, and volatile fatty acids (VFAs) such as acetic acid, propionic acid, butyric acid, and valeric acid. The culture fluid of the lignocellulose-degrading bacteria in the culture tank 40 is continuously or semi-continuously cultured to be steadily supplied to the storage tank 10.
培養槽40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(不図示)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 40 are preferably set to simulate the physiological conditions of the rumen of ruminants such as cows. Furthermore, to ensure sufficient proliferation of lignocellulose-degrading bacteria, it is preferable to arbitrarily control the hydraulic retention time (HRT) and solid retention time (SRT) using solid-liquid separation means (not shown). Because lignocellulose-degrading bacteria grow by adhering to the surface of solid matter in the culture solution, it is preferable to control operation so that the SRT is longer than the HRT.
(第2実施形態)
図2(a)(b)は、第2実施形態に係る水素発酵処理システム103、104の概略構成を示す図である。図2に示す水素発酵処理システム103、104は、リグノセルロース系バイオマスを原料として水素発酵処理を行ってバイオ水素ガスを製造し、また、下水汚泥を原料として消化処理を行って消化ガスを製造するシステムである。第2実施形態は、図1に示す水素発酵処理システム101、102と同様に、主に、貯留槽10と、分解・水素発酵槽20とから構成されているが、別系統で第1メタン発酵(消化)槽30を備える点で、第1実施形態とは異なる。
Second Embodiment
2(a) and 2(b) are diagrams showing the schematic configuration of hydrogen fermentation treatment systems 103 and 104 according to a second embodiment. The hydrogen fermentation treatment systems 103 and 104 shown in Fig. 2 are systems that perform hydrogen fermentation treatment using lignocellulosic biomass as a feedstock to produce biohydrogen gas, and also perform digestion treatment using sewage sludge as a feedstock to produce digestion gas. Like the hydrogen fermentation treatment systems 101 and 102 shown in Fig. 1, the second embodiment is mainly composed of a storage tank 10 and a decomposition/hydrogen fermentation tank 20, but differs from the first embodiment in that it includes a first methane fermentation (digestion) tank 30 in a separate system.
(第1メタン発酵(消化)槽)
図2(a)(b)に示す第1メタン発酵(消化)槽30は、例えば、下水汚泥などの有機性廃棄物を嫌気性発酵処理するタンクである。消化槽30に投入される有機性廃棄物は、下水汚泥のほか、家畜糞尿、汚泥、生ごみ等の易分解性の有機性廃棄物が挙げられる。消化槽30に供給される原料汚泥の固形物濃度(TS:Total Solids)は、例えば、3.0~10.0%が好ましい。消化槽30は、中温メタン発酵、高温メタン発酵の何れで運転されても良い。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、20~45℃、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50~60℃、さらに好ましくは55℃程度で行われる。また、メタン発酵は、pH6.5~8.5、より好ましくはpH6.8~7.6で行われる。消化槽30として、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。なお、消化槽30は、鋼板製のタンクであってもよく、コンクリート製のタンクであってもよい。消化槽30には、投入された下水汚泥を攪拌するために、攪拌機が取付けられていてもよい(不図示)。
(First methane fermentation (digestion) tank)
The first methane fermentation (digestion) tank 30 shown in Figures 2(a) and 2(b) is a tank for anaerobic fermentation of organic waste, such as sewage sludge. Examples of organic waste fed into the digestion tank 30 include sewage sludge and easily decomposable organic waste, such as livestock manure, sludge, and food waste. The solids concentration (TS: Total Solids) of the raw sludge fed to the digestion tank 30 is preferably, for example, 3.0 to 10.0%. The digestion tank 30 may be operated by either mesophilic methane fermentation or thermophilic methane fermentation. In the case of mesophilic fermentation, the fermentation is carried out for 20 to 30 days, more preferably 23 to 27 days, and even more preferably about 25 days. In the case of thermophilic fermentation, the fermentation 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 45°C, preferably 30 to 37°C or lower, and even more preferably around 37°C. In the case of thermophilic fermentation, methane fermentation is carried out at 40 to 60°C, more preferably 50 to 60°C, and even more preferably around 55°C. Furthermore, methane fermentation is carried out at a pH of 6.5 to 8.5, more preferably 6.8 to 7.6. The digester 30 may be a complete mixing fermentation (anaerobic digestion) type fermenter widely used in Japan and overseas for treating solid (slurry-like) waste. The digester 30 may be a steel tank or a concrete tank. An agitator (not shown) may be attached to the digester 30 to agitate the sewage sludge introduced into it.
第1メタン発酵(消化)槽30内のメタン発酵液(消化汚泥)には、窒素源となる物質が含まれているため、メタン発酵液(消化汚泥)を貯留槽10や培養槽40に供給することで、混合液や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、分解・水素発酵槽20内でのさらなる加水分解により、還元糖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。また、消化汚泥は、液肥や堆肥としての利用が普及していないため、排水処理する場合は排水処理施設が必要となるが、リグノセルロース分解微生物の窒素源として利用することで、設備コストを削減することができる。 The methane fermentation liquid (digested sludge) in the first methane fermentation (digestion) tank 30 contains substances that serve as a nitrogen source. Therefore, supplying the methane fermentation liquid (digested sludge) to the storage tank 10 or the culture tank 40 further promotes the growth and proliferation of lignocellulose-decomposing bacteria in the mixed liquid or culture liquid, and further hydrolysis in the decomposition/hydrogen fermentation tank 20 increases the production of reducing sugars and easily decomposable organic waste with small molecular weights. Furthermore, because digested sludge is not widely used as liquid fertilizer or compost, wastewater treatment requires a wastewater treatment facility; however, using it as a nitrogen source for lignocellulose-decomposing microorganisms can reduce equipment costs.
下水汚泥の消化処理により消化槽30の中で消化ガスが発生する。消化ガスは、メタンが約60容量%、二酸化炭素が約40容量%のガス(バイオガス)である。発生した消化ガスは、消化槽30の中から取り出され、消化槽30や分解・水素発酵槽20、培養槽40の加温のための燃料として利用されたり、発電設備(不図示)の燃料として利用されたりする。すなわち、下水汚泥をメタン発酵処理することで、下水汚泥が有するエネルギーを消化ガス(ガスエネルギー)として回収することができる。 Digestion of sewage sludge generates digester gas in the digester tank 30. The digester gas (biogas) is approximately 60% by volume methane and 40% by volume carbon dioxide. The generated digester gas is extracted from the digester tank 30 and used as fuel to heat the digester tank 30, decomposition/hydrogen fermenter 20, and culture tank 40, or as fuel for power generation equipment (not shown). In other words, by subjecting sewage sludge to methane fermentation, the energy contained in the sewage sludge can be recovered as digester gas (gas energy).
(第3実施形態)
図3(a)(b)は、第3実施形態に係る水素発酵処理システム105、106の概略構成を示す図である。図3に示す水素発酵処理システム105、106は、リグノセルロース系バイオマスを原料として、水素発酵処理およびメタン発酵処理を行い、バイオ水素ガスおよびバイオメタンガスを製造するシステムである。第3実施形態は、図1に示す水素発酵処理システム101、102と同様に、主に、貯留槽10と、分解・水素発酵槽20とから構成されているが、分解・水素発酵槽20の後段に第2メタン発酵槽31を備え、水素・メタン二段発酵を行う点で、第1実施形態とは異なる。
(Third embodiment)
3(a) and 3(b) are diagrams showing the schematic configuration of hydrogen fermentation treatment systems 105 and 106 according to a third embodiment. The hydrogen fermentation treatment systems 105 and 106 shown in Fig. 3 are systems that perform hydrogen fermentation and methane fermentation using lignocellulosic biomass as a feedstock to produce biohydrogen gas and biomethane gas. Like the hydrogen fermentation treatment systems 101 and 102 shown in Fig. 1, the third embodiment is mainly composed of a storage tank 10 and a decomposition/hydrogen fermentation tank 20. However, it differs from the first embodiment in that a second methane fermentation tank 31 is provided downstream of the decomposition/hydrogen fermentation tank 20, allowing for two-stage hydrogen/methane fermentation.
(第2メタン発酵槽)
図3(a)(b)に示す第2メタン発酵槽31は、前段の分解・水素発酵槽20から供給された水素発酵液に含まれる酢酸等の揮発性脂肪酸を基質として、メタン発酵を行うタンクである。第2メタン発酵槽31は、中温メタン発酵、高温メタン発酵の何れで運転されても良い。中温発酵の場合、15~30日間、より好ましくは15~25日間、さらに好ましくは20日間程度、高温発酵の場合、10~20日間、より好ましくは15~20日間、さらに好ましくは15日間程度処理が行われる。メタン発酵は、中温発酵の場合、20~45℃、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50~60℃、さらに好ましくは55℃程度で行われる。また、メタン発酵は、pH6.5~8.5、より好ましくはpH6.8~7.6で行われる。なお、第2メタン発酵槽31は、鋼板製のタンクであってもよく、コンクリート製のタンクであってもよい。なお、第2メタン発酵槽31には、分解・水素発酵槽20から供給された水素発酵液を攪拌するために、攪拌機が取付けられていてもよい(不図示)。
(Second methane fermentation tank)
The second methane fermenter 31 shown in Figures 3(a) and (b) is a tank in which methane fermentation is performed using volatile fatty acids such as acetic acid contained in the hydrogen fermentation liquid supplied from the upstream decomposition/hydrogen fermenter 20 as a substrate. The second methane fermenter 31 may be operated by either mesophilic methane fermentation or thermophilic methane fermentation. In the case of mesophilic fermentation, the treatment is performed for 15 to 30 days, more preferably 15 to 25 days, and even more preferably about 20 days. In the case of thermophilic fermentation, the treatment is performed for 10 to 20 days, more preferably 15 to 20 days, and even more preferably about 15 days. In the case of mesophilic fermentation, methane fermentation is performed at 20 to 45°C, more preferably 30 to 37°C or lower, and even more preferably about 37°C. In the case of thermophilic fermentation, the treatment is performed at 40 to 60°C, more preferably 50 to 60°C, and even more preferably about 55°C. Furthermore, methane fermentation is performed at a pH of 6.5 to 8.5, and more preferably a pH of 6.8 to 7.6. The second methane fermentation tank 31 may be a tank made of steel plate or a tank made of concrete. The second methane fermentation tank 31 may be equipped with an agitator (not shown) to agitate the hydrogen fermentation liquid supplied from the decomposition/hydrogen fermentation tank 20.
第2メタン発酵槽31内のメタン発酵液には、窒素源となる物質が含まれているため、貯留槽10や培養槽40に供給することで、混合液や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、分解・水素発酵槽20内でのさらなる加水分解により、還元糖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。さらに、メタン発酵液中に含まれる未反応の有機性廃棄物を再度水素発酵やメタン発酵の基質として利用できるため、エネルギーの回収効率が向上する。 The methane fermentation liquid in the second methane fermentation tank 31 contains substances that serve as nitrogen sources. Supplying this to the storage tank 10 or culture tank 40 further promotes the growth and proliferation of lignocellulose-decomposing bacteria in the mixed liquid or culture liquid, and further hydrolysis in the decomposition/hydrogen fermentation tank 20 increases the production of reducing sugars and easily decomposable organic waste with small molecular weights. Furthermore, unreacted organic waste contained in the methane fermentation liquid can be reused as a substrate for hydrogen fermentation or methane fermentation, improving energy recovery efficiency.
分解・水素発酵槽20から供給された水素発酵液を第2メタン発酵槽31の中でメタン発酵処理することにより、バイオメタンガスが発生する。バイオメタンガスは、メタンが約60容量%、二酸化炭素が約40容量%のガス(バイオガス)である。発生したバイオメタンガスは、第2メタン発酵槽31の中から取り出され、第2メタン発酵槽31や分解・水素発酵槽20、培養槽40の加温のための燃料として利用されたり、発電設備(不図示)の燃料として利用されたりする。すなわち、水素発酵液をメタン発酵処理することで、水素発酵液が有するエネルギーをバイオメタンガス(ガスエネルギー)として回収することができる。 The hydrogen fermentation liquid supplied from the decomposition/hydrogen fermentation tank 20 is subjected to methane fermentation in the second methane fermentation tank 31, thereby generating biomethane gas. Biomethane gas is a gas (biogas) composed of approximately 60% by volume of methane and approximately 40% by volume of carbon dioxide. The generated biomethane gas is extracted from the second methane fermentation tank 31 and used as fuel for heating the second methane fermentation tank 31, the decomposition/hydrogen fermentation tank 20, and the culture tank 40, or as fuel for power generation equipment (not shown). In other words, by subjecting the hydrogen fermentation liquid to methane fermentation, the energy contained in the hydrogen fermentation liquid can be recovered as biomethane gas (gas energy).
(第4実施形態)
図4(a)(b)は、第4実施形態に係る水素発酵処理システム107、108の概略構成を示す図である。図4に示す水素発酵処理システム107、108は、リグノセルロース系バイオマスを原料として水素発酵処理を行い、バイオ水素ガスを製造するシステムである。図4に示す水素発酵処理システム107、108は、主に、貯留槽10と、前処理槽21と、水素発酵槽22とから構成されており、リグノセルロース系バイオマスは、必要に応じて粉砕機50などによって破砕・粉砕されて、貯留槽10に供給される。
(Fourth embodiment)
4(a) and (b) are diagrams showing the schematic configuration of hydrogen fermentation treatment systems 107 and 108 according to a fourth embodiment. The hydrogen fermentation treatment systems 107 and 108 shown in Fig. 4 are systems that perform hydrogen fermentation treatment using lignocellulosic biomass as a feedstock to produce biohydrogen gas. The hydrogen fermentation treatment systems 107 and 108 shown in Fig. 4 are mainly composed of a storage tank 10, a pretreatment tank 21, and a hydrogen fermentation tank 22. The lignocellulosic biomass is crushed and pulverized as necessary using a crusher 50 or the like and supplied to the storage tank 10.
(前処理槽)
前処理槽21は、貯留槽10の後段に設けられている。前処理槽21内において、貯留槽10から供給された混合液に含まれるリグノセルロース系バイオマスが分解処理されることにより、水素発酵処理の基質となる還元糖が生成される。還元糖を多く含む前処理液は、後段の水素発酵槽22に供給され、水素発酵処理が行われる。また、図4に示すように、前処理槽21には、ルーメン液やルーメン微生物培養液が供給されてもよい。前処理槽21では、リグノセルロース系バイオマス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、低分子化されたリグノセルロース系バイオマスの分解物(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グルコース、フルクトース等の還元糖(ヘキソース(六単糖))が生産される。前処理槽21は、リグノセルロース系バイオマスを分解処理し、水素発酵処理の基質となる還元糖を生成する機能に特化されており、後段の水素発酵槽22と役割が分かれている。そのため、運転制御や管理が行いやすいという利点がある。
(Pretreatment tank)
The pretreatment tank 21 is provided downstream of the storage tank 10. In the pretreatment tank 21, the lignocellulosic biomass contained in the mixed liquid supplied from the storage tank 10 is decomposed to produce reducing sugars, which serve as a substrate for hydrogen fermentation. The pretreated liquid containing a large amount of reducing sugars is supplied to the downstream hydrogen fermenter 22, where hydrogen fermentation is carried out. Furthermore, as shown in FIG. 4, the pretreatment tank 21 may be supplied with rumen fluid or rumen microbial culture solution. In the pretreatment tank 21, lignocellulosic biomass is decomposed by the action of lignocellulose-degrading bacteria, producing decomposition products of low-molecular-weight lignocellulosic biomass (easily decomposable organic waste such as partial decomposition products of lignocellulose) and reducing sugars (hexoses (six monosaccharides)) such as glucose and fructose. The pretreatment tank 21 is specialized for the function of decomposing lignocellulosic biomass and producing reducing sugars that serve as substrates for hydrogen fermentation, and its role is separated from that of the downstream hydrogen fermentation tank 22. This has the advantage of making operation control and management easier.
(水素発酵槽)
水素発酵槽22に、前処理槽21から易分解性有機性廃棄物や還元糖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還元糖を基質(原料)とする水素発酵反応が進行し、バイオ水素ガスが生成する。水素発酵槽22に供給される基質としては、易分解性有機性廃棄物及び還元糖から選択される少なくとも一つが含まれていればよい。なお、水素発酵槽22から排出される水素発酵後汚泥は濃縮され、肥料や建築資材等として利用することができる。
(Hydrogen fermenter)
When the pretreated liquid containing a large amount of easily decomposable organic waste and reducing sugars is supplied from the pretreatment tank 21 to the hydrogen fermenter 22, a hydrogen fermentation reaction using the easily decomposable organic waste and reducing sugars as substrates (raw materials) proceeds, producing biohydrogen gas. The substrate supplied to the hydrogen fermenter 22 only needs to contain at least one selected from easily decomposable organic waste and reducing sugars. The post-hydrogen fermentation sludge discharged from the hydrogen fermenter 22 is concentrated and can be used as fertilizer, building material, etc.
水素発酵が進行すると、水素発酵槽22の中でバイオ水素ガスが発生する。バイオ水素ガスは、水素ガスが約50容量%、二酸化炭素が約50容量%のガスである。発生したバイオ水素ガスは、水素発酵槽22の中から取り出され、前処理槽21や水素発酵槽22、培養槽40の加温のための燃料として利用されたり、発電設備(不図示)の燃料として利用されたりする。すなわち、リグノセルロース系バイオマスを水素発酵処理することで、リグノセルロース系バイオマスが有するエネルギーをバイオ水素ガス(ガスエネルギー)として回収することができる。 As hydrogen fermentation progresses, biohydrogen gas is generated in the hydrogen fermenter 22. Biohydrogen gas is a gas that is approximately 50% hydrogen gas and approximately 50% carbon dioxide by volume. The generated biohydrogen gas is extracted from the hydrogen fermenter 22 and used as fuel for heating the pretreatment tank 21, hydrogen fermenter 22, and culture tank 40, or as fuel for power generation equipment (not shown). In other words, by subjecting lignocellulosic biomass to hydrogen fermentation, the energy contained in the lignocellulosic biomass can be recovered as biohydrogen gas (gas energy).
(第5実施形態)
図5(a)(b)は、第5実施形態に係る水素発酵処理システム109、110の概略構成を示す図である。図5に示す水素発酵処理システム109、110は、リグノセルロース系バイオマスを原料として水素発酵処理を行ってバイオ水素ガスを製造し、また、下水汚泥を原料として消化処理を行って消化ガスを製造するシステムである。第5実施形態は、図4に示す水素発酵処理システム107、108と同様に、主に、貯留槽10と、前処理槽21と、水素発酵槽22とから構成されているが、別系統で第1メタン発酵(消化)槽30を備える点で、第4実施形態とは異なる。
Fifth Embodiment
5(a) and 5(b) are diagrams showing the schematic configuration of hydrogen fermentation treatment systems 109 and 110 according to a fifth embodiment. The hydrogen fermentation treatment systems 109 and 110 shown in Fig. 5 are systems that perform hydrogen fermentation treatment using lignocellulosic biomass as a feedstock to produce biohydrogen gas, and also perform digestion treatment using sewage sludge as a feedstock to produce digestion gas. Similar to the hydrogen fermentation treatment systems 107 and 108 shown in Fig. 4, the fifth embodiment is primarily composed of a storage tank 10, a pretreatment tank 21, and a hydrogen fermenter 22. However, it differs from the fourth embodiment in that it includes a first methane fermentation (digestion) tank 30 in a separate system.
図5(a)(b)に示す本実施形態の第1メタン発酵(消化)槽30として、図2(a)(b)に示す消化槽30と同様のタンクを使用し、同様の条件で消化処理を行うことができる。第1メタン発酵(消化)槽30内のメタン発酵液(消化汚泥)には、窒素源となる物質が含まれているため、貯留槽10や培養槽40、前処理槽21に供給することで、混合液や培養液中、前処理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、前処理槽21内でのさらなる加水分解により、還元糖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。また、消化汚泥は、液肥や堆肥としての利用が普及していないため、排水処理する場合は排水処理施設が必要となるが、リグノセルロース分解微生物の窒素源として利用することで、設備コストを削減することができる。 The first methane fermentation (digestion) tank 30 of this embodiment shown in Figures 5(a) and 5(b) can be a tank similar to the digestion tank 30 shown in Figures 2(a) and 2(b), and digestion treatment can be performed under similar conditions. The methane fermentation liquid (digested sludge) in the first methane fermentation (digestion) tank 30 contains substances that serve as nitrogen sources. Therefore, supplying this to the storage tank 10, culture tank 40, and pretreatment tank 21 further promotes the growth and proliferation of lignocellulose-degrading bacteria in the mixed liquid, culture liquid, and pretreatment liquid. Further hydrolysis in the pretreatment tank 21 improves the production of reducing sugars and easily decomposable organic waste with low molecular weights. Furthermore, because digested sludge is not widely used as liquid fertilizer or compost, wastewater treatment requires a wastewater treatment facility. However, using it as a nitrogen source for lignocellulose-decomposing microorganisms can reduce equipment costs.
(第6実施形態)
図6(a)(b)は、第6実施形態に係る水素発酵処理システム111、112の概略構成を示す図である。図6に示す水素発酵処理システム111、112は、リグノセルロース系バイオマスを原料として水素発酵処理およびメタン発酵処理を行い、バイオ水素ガスおよびバイオメタンガスを製造するシステムである。第6実施形態は、図4に示す水素発酵処理システム107、108と同様に、主に、貯留槽10と、前処理槽21と、水素発酵槽22とから構成されているが、水素発酵槽22の後段に第2メタン発酵槽31を備え、水素・メタン二段発酵を行う点で、第4実施形態とは異なる。
Sixth Embodiment
6(a) and 6(b) are diagrams showing the schematic configuration of hydrogen fermentation treatment systems 111 and 112 according to a sixth embodiment. The hydrogen fermentation treatment systems 111 and 112 shown in Fig. 6 are systems that perform hydrogen fermentation and methane fermentation using lignocellulosic biomass as a feedstock to produce biohydrogen gas and biomethane gas. Similar to the hydrogen fermentation treatment systems 107 and 108 shown in Fig. 4, the sixth embodiment is mainly composed of a storage tank 10, a pretreatment tank 21, and a hydrogen fermenter 22. However, it differs from the fourth embodiment in that a second methane fermenter 31 is provided downstream of the hydrogen fermenter 22, allowing for two-stage hydrogen and methane fermentation.
図6(a)(b)に示す本実施形態の第2メタン発酵槽31として、図3(a)(b)に示す第2メタン発酵槽31と同様のタンクを使用し、同様の条件でメタン発酵処理を行うことができる。第2メタン発酵槽31内のメタン発酵液には、窒素源となる物質が含まれているため、貯留槽10や培養槽40、前処理槽21に供給することで、混合液や培養液中、前処理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、前処理槽21内でのさらなる加水分解により、還元糖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。さらに、メタン発酵液中に含まれる未反応の有機性廃棄物を再度水素発酵やメタン発酵の基質として利用できるため、エネルギーの回収効率が向上する。 The second methane fermentation tank 31 of this embodiment shown in Figures 6(a) and (b) can be a tank similar to the second methane fermentation tank 31 shown in Figures 3(a) and (b), and methane fermentation treatment can be performed under similar conditions. The methane fermentation liquid in the second methane fermentation tank 31 contains a nitrogen source, so supplying it to the storage tank 10, culture tank 40, or pretreatment tank 21 further promotes the growth and proliferation of lignocellulose-degrading bacteria in the mixed liquid, culture liquid, and pretreatment liquid, and further hydrolysis in the pretreatment tank 21 improves the production of reducing sugars and easily decomposable organic waste with small molecular weights. Furthermore, unreacted organic waste contained in the methane fermentation liquid can be reused as a substrate for hydrogen fermentation or methane fermentation, improving energy recovery efficiency.
次に、本発明における水素発酵処理方法について、以下、詳細に説明する。 Next, the hydrogen fermentation treatment method of the present invention will be described in detail below.
(リグノセルロース系バイオマス)
バイオ水素ガスやバイオメタンガスの原料となるリグノセルロース系バイオマスとしては、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。
(lignocellulosic biomass)
Lignocellulosic biomass, which can be used as a raw material for biohydrogen gas and biomethane gas, includes unused agricultural and forestry waste such as forest thinnings, rice straw, rice husks, bagasse, thatch, and aquatic plants; lignocellulosic industrial waste such as vegetable scraps, used tea leaves, coffee grounds, soybean pulp, shochu dregs, construction waste, used paper, and municipal solid waste; and biomass resource crops such as Erianthus and Giant Miscanthus. Paper shredded by a shredder is incinerated because its fibers are broken and difficult to recycle, but such shredded paper can also be used as a raw material. Furthermore, only one type of the above-listed organic waste may be used as a raw material, or multiple types may be mixed together.
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。 Lignocellulose, the main component of plant cell walls, is composed of tightly bound hemicellulose, cellulose, and lignin. Rumen fluid present in the rumen of ruminants such as cows contains numerous ruminal microorganisms that produce enzymes that break down lignocellulose.
(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オリゴ糖、グルコース、フルクトース等の還元糖(ヘキソース(六単糖))に分解し、さらに分解が進むと、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還元糖、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 present in ruminal fluid, a digestive fluid present in the rumen of ruminants. Ruminants include cattle, sheep, goats, deer, camels, and llamas. For example, the rumen of an adult cow has a volume of 150 to 200 L, and the ruminal fluid is home to numerous lignocellulose-degrading bacteria, hemicellulose-degrading bacteria, lignin-degrading bacteria, starch-degrading bacteria, methanogens, and hydrogen-producing bacteria. Lignocellulose-degrading bacteria can produce enzymes such as cellulases that break down lignocellulose (fiber). Therefore, when ruminants ingest fiber such as grass, lignocellulose-degrading bacteria break down the lignocellulose into reducing sugars (hexoses (six monosaccharides)) such as oligosaccharides, glucose, and fructose. As the decomposition progresses, volatile fatty acids (VFAs) such as acetic acid, propionic acid, butyric acid, and valeric acid are produced, which serve as an energy source for ruminants. Hydrogen-producing bacteria produce acetic acid and hydrogen using the reducing sugars, propionic acid, butyric acid, and valeric acid produced by the lignocellulose-degrading bacteria as substrates. Methanogenic bacteria produce methane using acetic acid or hydrogen and carbon dioxide produced by the lignocellulose-degrading bacteria or hydrogen-producing bacteria as substrates.
(ルーメン微生物培養液)
ルーメン微生物を培養する培養槽40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)培養液が得られる。ルーメン微生物の培養において、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。
(Rumen microbial culture solution)
A culture solution of rumen microorganisms (lignocellulose-degrading bacteria) with high lignocellulose decomposition activity can be obtained in the culture tank 40 for culturing rumen microorganisms. In culturing rumen microorganisms, for example, the quantity of at least one of three types of lignocellulose-decomposing bacteria, Fibrobacter succinogenes, Ruminococcus albus, and Prevotella ruminicola, can be used as an indicator to adjust the temperature, oxidation-reduction potential (ORP), hydraulic retention time (HRT) or solid retention time (SRT), and ammonium nitrogen concentration of the medium, thereby obtaining a culture solution of rumen microorganisms (lignocellulose-decomposing bacteria) with high lignocellulose decomposition activity. The quantification of the number of bacteria of these bacteria is not particularly limited, but is preferably carried out by quantitative PCR, which can rapidly and accurately measure the number of bacteria of specific bacteria. When quantifying the number of bacteria of lignocellulose-degrading bacteria using quantitative PCR, genomic DNA extracted from the culture solution and purified is used. Since the culture solution of rumen microorganisms can be cultured in large quantities or subcultured, the culture solution of rumen microorganisms with an adjusted number of bacteria can be used for lignocellulose decomposition as needed.
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、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。 The culture medium used for culturing rumen microorganisms may be a natural medium whose base material is derived from natural products, or a synthetic medium whose nutrients necessary for the growth of rumen microorganisms are all composed of chemicals. It is particularly preferable for the medium to contain a nitrogen source such as ammonium salts, a phosphorus source such as phosphate, and a carbon source such as cellulose or hemicellulose, which are useful nutrients for rumen microorganisms. It is also preferable to add a buffer to the medium to mitigate pH changes and increases in osmotic pressure. Ruminant saliva has a high buffering capacity, so it is preferable to use a liquid medium such as an artificial medium (artificial saliva) that mimics this. Examples of buffers include sodium chloride, sodium bicarbonate, phosphate, and potassium chloride. The pH of the medium is adjusted to 6.0 to 7.5, preferably 6.5 to 7.0, by adding an acid or alkali as needed. It is preferable to use tap water or groundwater for the water used in the medium. The ammonium nitrogen concentration of the medium is controlled by adding water to 50 to 2,000 mg/L, preferably 60 to 500 mg/L.
培養槽40内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、ルーメン微生物の培養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 create an anaerobic environment within the culture tank 40 similar to that within the rumen, the oxidation-reduction potential (ORP) of the culture solution is adjusted to -100 mV or less, more preferably -200 mV or less, and even more preferably approximately -250 mV. Because rumen microorganisms (lignocellulose-degrading bacteria) are anaerobic, if the ORP exceeds a predetermined value (approaching an aerobic state), measures may be taken, 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, or DTT, or adding organic matter to consume oxygen through the action of facultative anaerobic bacteria. Rumen microorganisms may also be cultured in a closed system under a nitrogen or carbon dioxide atmosphere.
培養槽40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8~36時間、好ましくは10~24時間、SRTは24時間以上、好ましくは、48~168時間、更に好ましくは72~168時間に調節する。また、ルーメン微生物の培養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40に投入されるリグノセルロース系バイオマスは、培養液中の固形物濃度(TS)が、1.0~20.0%、より好ましくは3.0~10.0%となるように調整する。固形物濃度(TS)が1.0%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、20.0%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。 When culturing rumen microorganisms in the fermentor 40, it is important that the solid retention time (SRT) is longer than the hydraulic retention time (HRT). Lignocellulose-degrading bacteria grow by adhering to the surface of solids, and if the SRT is short, they will be discharged from the system along with the solids. On the other hand, if the HRT is longer than necessary, negative factors such as a decrease in pH due to the produced volatile fatty acids (VFAs) and inhibition of microbial growth can occur. Specifically, the HRT should be adjusted to 8 to 36 hours, preferably 10 to 24 hours, and the SRT to 24 hours or more, preferably 48 to 168 hours, and more preferably 72 to 168 hours. Furthermore, the temperature of the reaction system for culturing rumen microorganisms is controlled using a temperature sensor or other device to maintain a temperature of 35 to 42°C, more preferably 37 to 40°C. The lignocellulose biomass introduced into the culture tank 40 is adjusted so that the solids concentration (TS) in the culture solution is 1.0 to 20.0%, and more preferably 3.0 to 10.0%. If the solids concentration (TS) is 1.0% or less, there is a risk that the growth and proliferation of lignocellulose-degrading bacteria will not be promoted. On the other hand, if it exceeds 20.0%, there is a risk that solid-liquid separation of the culture solution will not occur properly.
(貯留工程)
貯留工程において、ルーメン液およびルーメン微生物培養液のうち少なくとも一つとリグノセルロース系バイオマスとの混合物が貯留槽10に貯留される。前記混合物を貯留槽10内に貯留しておくことで、リグノセルロース系バイオマスの分解処理が進み、後段の分解・水素発酵槽20、前処理槽21や水素発酵槽22の水理学的滞留時間、またはこれらの槽容量を低減することが可能となる。また、貯留工程において、混合液の固形物濃度が3.0~20.0%となるように調整される。固形物濃度(TS)が3.0%以下となると、後段の水素発酵の基質となる還元糖の生産が低下する虞がある。一方で、20.0%を超えると、混合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。また、リグノセルロース系バイオマスをルーメン液やルーメン微生物培養液によりポンプ等で移送できる固形物濃度となるように予め希釈して、貯留槽10に貯留しておくことにより、リグノセルロース系バイオマスに加水して希釈する必要がなくなるため、使用可能な水量に制限がある施設においても、処理液を適切な固形物濃度に調整することができる。さらに、希釈のために水道水を使用する必要もないため、水道コストを削減することができる。貯留工程は、静置して行っても、攪拌して行ってもよいが、混合液の固形物濃度の調整をより適切に行うために、攪拌して行うことが好ましい。固形物濃度が調整された混合液は、分解・水素発酵槽20または前処理槽21に供給される。なお、貯留工程においては、固形物濃度が上記の範囲内となるように調整されればよいため、貯留槽10内の温度管理やpHの調整等は必須ではない。リグノセルロース系バイオマスと、ルーメン液およびルーメン微生物培養液のうち少なくとも一つとの混合方法については特に限定されないが、ルーメン液およびルーメン微生物培養液のうち少なくとも一つを貯留槽10に供給してもよく、リグノセルロース系バイオマスを貯留槽10へ供給する経路に供給してもよい。また、ルーメン液およびルーメン微生物培養液のうち少なくとも一つを貯留槽10内の気相部から供給してもよく、底部から供給してもよく、シャワー状にリグノセルロース系バイオマスに噴霧してもよい。ルーメン液およびルーメン微生物培養液のうち少なくとも一つを貯留槽10に気相部や底部から供給する場合は、装置構成を簡素化することができる。また、ルーメン液およびルーメン微生物培養液のうち少なくとも一つを、リグノセルロース系バイオマスを貯留槽10へ供給する経路に供給する場合やシャワー状にリグノセルロース系バイオマスに噴霧する場合は、リグノセルロース系バイオマスとルーメン液およびルーメン微生物培養液の少なくとも一つとリグノセルロース系バイオマスを均一に混合することができる。
(Storage process)
In the storage step, a mixture of lignocellulosic biomass and at least one of rumen fluid and rumen microbial culture fluid is stored in storage tank 10. Storing the mixture in storage tank 10 promotes the decomposition of the lignocellulosic biomass, making it possible to reduce the hydraulic retention time or the capacity of the subsequent decomposition/hydrogen fermentation tank 20, pretreatment tank 21, and hydrogen fermentation tank 22. Furthermore, in the storage step, the solids concentration of the mixture is adjusted to 3.0 to 20.0%. If the solids concentration (TS) is 3.0% or less, there is a risk of a decrease in the production of reducing sugars, which serve as a substrate for hydrogen fermentation in the subsequent step. On the other hand, if the solids concentration exceeds 20.0%, there is a risk of it being difficult to pump out the mixture. Furthermore, by pre-diluting the lignocellulosic biomass with rumen fluid or rumen microbial culture fluid to a solids concentration that can be transported by pump or the like and storing the diluted solution in the storage tank 10, there is no need to add water to the lignocellulosic biomass for dilution. This allows the treatment solution to be adjusted to an appropriate solids concentration even in facilities with limited available water. Furthermore, since there is no need to use tap water for dilution, water costs can be reduced. The storage step may be performed statically or with stirring, but stirring is preferred to more appropriately adjust the solids concentration of the mixed solution. The mixed solution with the adjusted solids concentration is supplied to the decomposition/hydrogen fermentation tank 20 or the pretreatment tank 21. In the storage step, it is sufficient to adjust the solids concentration to within the above-mentioned range, so temperature control or pH adjustment within the storage tank 10 is not required. The method for mixing lignocellulosic biomass with at least one of rumen fluid and rumen microbial culture solution is not particularly limited. At least one of rumen fluid and rumen microbial culture solution may be supplied to the storage tank 10, or may be supplied to a path for supplying lignocellulosic biomass to the storage tank 10. Furthermore, at least one of rumen fluid and rumen microbial culture solution may be supplied from the gas phase within the storage tank 10, or from the bottom, or may be sprayed onto the lignocellulosic biomass in a shower-like manner. Supplying at least one of rumen fluid and rumen microbial culture solution to the storage tank 10 from the gas phase or the bottom can simplify the device configuration. Supplying at least one of rumen fluid and rumen microbial culture solution to a path for supplying lignocellulosic biomass to the storage tank 10 or spraying it onto the lignocellulosic biomass in a shower-like manner allows the lignocellulosic biomass, at least one of rumen fluid and rumen microbial culture solution, and the lignocellulosic biomass to be uniformly mixed.
(前処理(分解)工程)
前処理工程において、リグノセルロース系バイオマス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、フルクトース等の還元糖(ヘキソース(六単糖))に変換される。
(Pretreatment (decomposition) process)
In the pretreatment process, the lignocellulose contained in lignocellulosic biomass is partially decomposed by lignin-degrading enzymes produced by lignocellulose-degrading bacteria, loosening the rigid structure of the lignocellulose. The lignocellulose is then decomposed into cellulose and hemicellulose by endoglucanases, exoglucanases, xylanases, etc., respectively, and converted into reducing sugars (hexoses (six monosaccharides)) such as glucose and fructose.
前処理工程を、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。 To achieve anaerobic conditions during the pretreatment process, 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 around -250 mV. Because rumen microorganisms (lignocellulose-degrading bacteria) are anaerobic, if the ORP exceeds a predetermined level (approaching 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, or DTT, or adding organic matter to consume oxygen through the action of facultative anaerobic bacteria, can be taken. The pretreatment process can also be carried out in a closed system under a nitrogen or carbon dioxide atmosphere.
前処理工程は、完全混合系で前処理(加水分解、還元糖生成)が行われる。また、前処理工程における反応系の温度は、50~60℃、より好ましくは55℃程度になるよう温度センサー等を利用して制御する。50~60℃の条件下とすることで菌の活性が低下し、還元糖が更に分解されて有機酸になる反応は抑制される。混合液のpHは、5.5~6.0、より好ましくは5.7に調整する。水理学的滞留時間は、4~36時間、より好ましくは24時間程度である。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。 The pretreatment process (hydrolysis and production of reducing sugars) is carried out in a completely mixed system. The temperature of the reaction system in the pretreatment process is controlled using a temperature sensor or other device to maintain it at 50-60°C, preferably around 55°C. Keeping the temperature at 50-60°C reduces bacterial activity, suppressing the reaction in which reducing sugars are further decomposed into organic acids. The pH of the mixed liquid is adjusted to 5.5-6.0, preferably 5.7. The hydraulic residence time is 4-36 hours, more preferably around 24 hours. The reaction in the pretreatment process can be carried out statically or with stirring, but stirring is preferred to speed up the progress of the pretreatment process.
前処理工程は、リグノセルロース系バイオマスを分解処理し、水素発酵処理の基質となる還元糖を生成する機能に特化されており、水素発酵工程と役割が分かれている。そのため、運転制御や管理が行いやすいという利点がある。 The pretreatment process is specialized in the decomposition of lignocellulosic biomass and the production of reducing sugars, which serve as the substrate for hydrogen fermentation, and its role is separate from that of the hydrogen fermentation process. This has the advantage of making operation control and management easier.
(水素発酵工程)
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。発酵工程では、前処理工程で生成されたグルコース、フルクトース等の還元糖(ヘキソース(六単糖))を基質として、水素発酵処理が行われる。水素発酵反応が進むと、還元糖が分解されて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、代謝過程でバイオ水素ガスと二酸化炭素が約1:1で生産され、酢酸等の有機酸や水素と二酸化炭素が生産される。
(Hydrogen fermentation process)
The hydrogen fermentation process is carried out under anaerobic conditions, similar to the pretreatment process using lignocellulose-degrading bacteria. In the fermentation process, reducing sugars (hexoses (six monosaccharides)) such as glucose and fructose produced in the pretreatment process are used as substrates for hydrogen fermentation. As the hydrogen fermentation reaction progresses, the reducing sugars are broken down to produce pyruvic acid and other compounds, and as the reaction progresses further, volatile fatty acids (VFAs) such as acetic acid, propionic acid, butyric acid, and valeric acid are produced. Furthermore, biohydrogen gas and carbon dioxide are produced in an approximately 1:1 ratio during the metabolic process, and organic acids such as acetic acid, as well as hydrogen and carbon dioxide, are also produced.
水素発酵は50~60℃、より好ましくは55℃程度で行われる。また、水素発酵は、pH5.5~6.0、より好ましくは5.7程度で行われる。水理学的滞留時間は、24~168時間、より好ましくは120時間程度である。 Hydrogen fermentation is carried out at a temperature of 50-60°C, preferably around 55°C. Hydrogen fermentation is also carried out at a pH of 5.5-6.0, preferably around 5.7. The hydraulic retention time is 24-168 hours, preferably around 120 hours.
(分解・水素発酵工程)
分解・水素発酵工程は、上記の前処理(分解)工程と水素発酵工程を一つの槽(分解・水素発酵槽20)内で行う工程である。分解・水素発酵工程は50~60℃、より好ましくは55℃程度で行われる。また、分解・水素発酵工程は、pH5.5~6.0、より好ましくは5.7程度で行われる。水理学的滞留時間は、24~168時間、より好ましくは72時間程度である。分解・水素発酵工程は、リグノセルロース系バイオマスの分解処理と水素発酵処理が一つの槽で行われるため、設備コストを削減することができる。
(Decomposition and hydrogen fermentation process)
The decomposition and hydrogen fermentation process is a process in which the above-mentioned pretreatment (decomposition) process and hydrogen fermentation process are carried out in a single tank (decomposition and hydrogen fermentation tank 20). The decomposition and hydrogen fermentation process is carried out at 50 to 60°C, more preferably at about 55°C. The decomposition and hydrogen fermentation process is also carried out at a pH of 5.5 to 6.0, more preferably at about 5.7. The hydraulic retention time is 24 to 168 hours, more preferably about 72 hours. Because the decomposition and hydrogen fermentation process involves the decomposition treatment and hydrogen fermentation treatment of lignocellulosic biomass in a single tank, it is possible to reduce equipment costs.
(第1メタン発酵(汚泥消化)工程)
第2、5実施形態における第1メタン発酵(汚泥消化)工程では、下水汚泥を原料として、メタン発酵(消化)処理が行われる。第1メタン発酵(汚泥消化)工程は、水素発酵工程と同様に、嫌気性条件下で行われる。第1メタン発酵(汚泥消化)工程において生成する消化ガスの組成はメタンが60~70容量%、二酸化炭素が30~40容量%、その他微量の窒素、酸素、硫化水素、及び水等が含まれる。消化ガスは、メタン約60容量%、二酸化炭素約40容量%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。
(First methane fermentation (sludge digestion) process)
In the first methane fermentation (sludge digestion) step in the second and fifth embodiments, a methane fermentation (digestion) process is carried out using sewage sludge as a raw material. The first methane fermentation (sludge digestion) step is carried out under anaerobic conditions, similar to the hydrogen fermentation step. The digestion gas produced in the first methane fermentation (sludge digestion) step is composed of 60 to 70% by volume of methane, 30 to 40% by volume of carbon dioxide, and trace amounts of nitrogen, oxygen, hydrogen sulfide, water, and the like. The digestion gas is composed of approximately 60% by volume of methane and approximately 40% by volume of carbon dioxide, and may be used as fuel as is, or may be used as high-concentration methane gas after removing the carbon dioxide.
下水汚泥(有機性廃棄物)の消化処理は、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、20~45℃、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50~60℃、さらに好ましくは55℃程度で行われる。また、メタン発酵は、pH6.5~8.5、より好ましくはpH6.8~7.6で行われる。 Sewage sludge (organic waste) can be digested using either wet methane fermentation or dry methane fermentation. It can also be either mesophilic or thermophilic methane fermentation. Mesophilic fermentation is carried out for 20 to 30 days, more preferably 23 to 27 days, and even more preferably about 25 days. Thermophilic fermentation is carried out for 10 to 20 days, more preferably 13 to 17 days, and even more preferably about 15 days. Mesophilic methane fermentation is carried out at 20 to 45°C, more preferably 30 to 37°C or lower, and even more preferably about 37°C. Thermophilic fermentation is carried out at 40 to 60°C, more preferably 50 to 60°C, and even more preferably about 55°C. Methane fermentation is carried out at a pH of 6.5 to 8.5, and more preferably 6.8 to 7.6.
(第2メタン発酵工程)
第3、6実施形態における第2メタン発酵工程では、水素発酵液に含まれる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。第2メタン発酵工程は、水素発酵工程と同様に、嫌気性条件下で行われる。第2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容量%、二酸化炭素が30~40容量%、その他微量の窒素、酸素、硫化水素、及び水等が含まれる。バイオメタンガスは、メタン約60容量%、二酸化炭素約40容量%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。
(Second methane fermentation process)
In the second methane fermentation step in the third and sixth embodiments, methane fermentation is carried out using volatile fatty acids such as acetic acid contained in the hydrogen fermentation liquor, hydrogen, and carbon dioxide as substrates. The second methane fermentation step is carried out under anaerobic conditions, similar to the hydrogen fermentation step. The biogas produced in the second methane fermentation step is composed of 60 to 70% by volume of methane, 30 to 40% by volume of carbon dioxide, and trace amounts of nitrogen, oxygen, hydrogen sulfide, water, and the like. Biomethane gas is composed of approximately 60% by volume of methane and approximately 40% by volume of carbon dioxide, and may be used as fuel as is, or may be used as high-concentration methane gas after removing the carbon dioxide.
第2メタン発酵工程は、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、15~30日間、より好ましくは15~25日間、さらに好ましくは20日間程度、高温発酵の場合、10~20日間、より好ましくは15~20日間、さらに好ましくは15日間程度処理が行われる。メタン発酵は、中温発酵の場合、20~45℃、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50~60℃、さらに好ましくは55℃程度で行われる。また、メタン発酵は、pH6.5~8.5、より好ましくはpH6.8~7.6で行われる。 The second methane fermentation step may be either wet methane fermentation or dry methane fermentation. It may also be either mesophilic or thermophilic methane fermentation. In the case of mesophilic fermentation, the treatment is carried out for 15 to 30 days, more preferably 15 to 25 days, and even more preferably about 20 days. In the case of thermophilic fermentation, the treatment is carried out for 10 to 20 days, more preferably 15 to 20 days, and even more preferably about 15 days. In the case of mesophilic fermentation, methane fermentation is carried out at 20 to 45°C, more preferably 30 to 37°C or lower, and even more preferably about 37°C. In the case of thermophilic fermentation, it is carried out at 40 to 60°C, more preferably 50 to 60°C, and even more preferably about 55°C. Furthermore, methane fermentation is carried out at a pH of 6.5 to 8.5, and more preferably a pH of 6.8 to 7.6.
上記の第1メタン発酵工程及び第2メタン発酵工程で得られたメタン発酵液には、窒素源が多く含まれる。ルーメン微生物に含まれるリグノセルロース分解微生物は、分解・水素発酵槽20または前処理槽21内でリグノセルロース系バイオマスを分解して還元糖を生成させる過程において、窒素を消費する。そのため、メタン発酵液を、予め貯留槽10や培養槽40、前処理槽21に供給しておくことで、分解・水素発酵槽20または前処理槽21内でのリグノセルロース分解活性を維持または向上させることができる。また、別途窒素源を添加する必要がないため、コストを削減することができる。 The methane fermentation liquid obtained in the first and second methane fermentation processes contains a large amount of nitrogen source. The lignocellulose-degrading microorganisms contained in the rumen microorganisms consume nitrogen in the process of decomposing lignocellulose-based biomass to produce reducing sugars in the decomposition/hydrogen fermentation tank 20 or pretreatment tank 21. Therefore, by supplying the methane fermentation liquid to the storage tank 10, culture tank 40, or pretreatment tank 21 in advance, the lignocellulose decomposition activity in the decomposition/hydrogen fermentation tank 20 or pretreatment tank 21 can be maintained or improved. Furthermore, since there is no need to add a separate nitrogen source, costs can be reduced.
本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。上記の実施形態の各構成を適宜組み合わせたり、上記の実施形態に種々の変更を加えたりすることが可能である。例えば、上記の実施形態は、次のように変更可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments. It is possible to combine the various components of the above-described embodiments as appropriate, and to make various modifications to the above-described embodiments. For example, the above-described embodiments can be modified as follows:
上記実施形態では、リグノセルロース系バイオマスを破砕・粉砕する粉砕機50を備える例を説明したが、粉砕機50は必須ではない。 In the above embodiment, an example was described in which a crusher 50 was provided to crush and pulverize lignocellulosic biomass, but the crusher 50 is not required.
上記実施形態では、水素発酵処理システム101、102、107、108、第1メタン発酵(消化)槽30を備えた水素発酵処理システム103、104、109、110、及び第2メタン発酵槽31を備えた水素・メタン二段発酵を行う水素発酵処理システム105、106、111、112について説明したが、第1メタン発酵(消化)槽30と第2メタン発酵槽31とを備えた水素発酵処理システムとしてもよい。 In the above embodiments, hydrogen fermentation treatment systems 101, 102, 107, 108, hydrogen fermentation treatment systems 103, 104, 109, 110 equipped with a first methane fermentation (digestion) tank 30, and hydrogen fermentation treatment systems 105, 106, 111, 112 equipped with a second methane fermentation tank 31 and performing two-stage hydrogen and methane fermentation were described. However, a hydrogen fermentation treatment system equipped with a first methane fermentation (digestion) tank 30 and a second methane fermentation tank 31 may also be used.
上記実施形態では、リグノセルロース系バイオマスを貯留槽10、培養槽40に供給する例を説明したが、リグノセルロース系バイオマスを前処理槽21に直接供給してもよい。リグノセルロース系バイオマスを前処理槽21に直接供給することで、還元糖や分子量の小さい易分解性有機性廃棄物の生産量をさらに向上させることができる。この場合、前処理槽21内の前処理液の固形物濃度(TS)が3.0~20.0%、より好ましくは5.0~10.0%となるように調整する。 In the above embodiment, an example was described in which lignocellulosic biomass was supplied to the storage tank 10 and the culture tank 40, but lignocellulosic biomass may also be supplied directly to the pretreatment tank 21. By supplying lignocellulosic biomass directly to the pretreatment tank 21, the production volume of reducing sugars and easily decomposable organic waste with a small molecular weight can be further improved. In this case, the solids concentration (TS) of the pretreatment liquid in the pretreatment tank 21 is adjusted to 3.0 to 20.0%, more preferably 5.0 to 10.0%.
上記実施形態では、メタン発酵液を培養槽40に供給する例を説明したが、前処理槽21内で得られた前処理液を培養槽40に供給してもよい。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40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、還元糖や、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。 In the above embodiment, an example was described in which the methane fermentation liquid was supplied to the culture tank 40, but the pretreated liquid obtained in the pretreatment tank 21 may also be supplied to the culture tank 40. The pretreated liquid contains undecomposed or partially decomposed lignocellulose, as well as substances that serve as nitrogen and phosphorus sources. Therefore, supplying the pretreated liquid to the culture tank 40 further promotes the growth and proliferation of lignocellulose-decomposing bacteria in the culture liquid, and further hydrolysis increases the production of reducing sugars and easily decomposable organic waste with a small molecular weight.
上記実施形態では、水素発酵液を第2メタン発酵槽31に供給する例を説明したが、水素発酵液を第2メタン発酵槽31の有無にかかわらず下水汚泥等の有機性廃棄物と混合して第1メタン発酵(消化)槽30へ供給してもよい。水素発酵液には、メタン発酵の基質となる揮発性脂肪酸が含まれるため、水素発酵液が有するエネルギーをメタンガス(ガスエネルギー)として回収することができる。 In the above embodiment, an example was described in which the hydrogen fermentation liquid was supplied to the second methane fermentation tank 31, but the hydrogen fermentation liquid may also be mixed with organic waste such as sewage sludge and supplied to the first methane fermentation (digestion) tank 30, regardless of whether the second methane fermentation tank 31 is present. Because the hydrogen fermentation liquid contains volatile fatty acids that serve as a substrate for methane fermentation, the energy contained in the hydrogen fermentation liquid can be recovered as methane gas (gas energy).
本発明の水素発酵処理システム、及び水素発酵処理方法は、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バイオ水素ガスやバイオメタンガスを生成する用途において利用可能である。 The hydrogen fermentation treatment system and method of the present invention can be used to decompose organic waste, including industrial waste such as municipal waste, including used paper and waste paper, and lignocellulosic industrial waste, including food waste, agricultural and forestry waste, and construction waste, and to produce biohydrogen gas or biomethane gas using the decomposed product as a raw material.
10:貯留槽
20:分解・水素発酵槽
21:前処理槽
22:水素発酵槽
30:第1メタン発酵(消化)槽
31:第2メタン発酵槽
40:培養槽
101~112:水素発酵処理システム
10: Storage tank 20: Decomposition/hydrogen fermentation tank 21: Pretreatment tank 22: Hydrogen fermentation tank 30: First methane fermentation (digestion) tank 31: Second methane fermentation tank 40: Culture tanks 101-112: Hydrogen fermentation treatment system
Claims (12)
前記貯留槽から供給された前記混合液の分解処理及び水素発酵処理を行う分解・水素発酵槽と、
を備えることを特徴とする水素発酵処理システム。 a storage tank for storing a mixed liquid containing at least one of rumen fluid and a rumen microbial culture solution cultured in a culture tank and lignocellulosic biomass;
a decomposition/hydrogen fermentation tank that performs decomposition treatment and hydrogen fermentation treatment on the mixed liquid supplied from the storage tank;
A hydrogen fermentation treatment system comprising:
前記第1メタン発酵槽内のメタン発酵液を前記貯留槽及び前記培養槽の少なくとも一つに供給することを特徴とする請求項1に記載の水素発酵処理システム。 The system further includes a first methane fermentation tank for subjecting organic waste to methane fermentation treatment;
2. The hydrogen fermentation treatment system according to claim 1, wherein the methane fermentation liquid in the first methane fermentation tank is supplied to at least one of the storage tank and the culture tank.
前記第2メタン発酵槽内のメタン発酵液を前記貯留槽及び前記培養槽の少なくとも一つに返送することを特徴とする請求項1又は2に記載の水素発酵処理システム。 Further provided is a second methane fermentation tank for performing methane fermentation using the hydrogen fermentation liquid in the decomposition/hydrogen fermentation tank as a raw material,
3. The hydrogen fermentation treatment system according to claim 1, wherein the methane fermentation liquid in the second methane fermentation tank is returned to at least one of the storage tank and the culture tank.
前記貯留槽から供給された前記混合液を分解処理する前処理槽と、
前記前処理槽内の前処理液を水素発酵処理する水素発酵槽と、
を備えることを特徴とする水素発酵処理システム。 a storage tank for storing a mixed liquid containing at least one of rumen fluid and a rumen microbial culture solution cultured in a culture tank and lignocellulosic biomass;
a pretreatment tank for decomposing the mixed liquid supplied from the storage tank;
a hydrogen fermentation tank for subjecting the pretreated liquid in the pretreatment tank to hydrogen fermentation;
A hydrogen fermentation treatment system comprising:
前記第1メタン発酵槽内のメタン発酵液を前記貯留槽、前記培養槽、及び前記前処理槽の少なくとも一つに供給することを特徴とする請求項4に記載の水素発酵処理システム。 The system further includes a first methane fermentation tank for subjecting organic waste to methane fermentation treatment;
5. The hydrogen fermentation treatment system according to claim 4, wherein the methane fermentation liquid in the first methane fermentation tank is supplied to at least one of the storage tank, the culture tank, and the pretreatment tank.
前記第2メタン発酵槽内のメタン発酵液を前記貯留槽、前記培養槽、及び前記前処理槽の少なくとも一つに返送することを特徴とする請求項4又は5に記載の水素発酵処理システム。 Further provided is a second methane fermentation tank for performing methane fermentation using the hydrogen fermentation liquid in the hydrogen fermentation tank as a raw material,
6. The hydrogen fermentation treatment system according to claim 4, wherein the methane fermentation liquid in the second methane fermentation tank is returned to at least one of the storage tank, the culture tank, and the pretreatment tank.
前記貯留工程から供給された前記混合液の分解処理及び水素発酵処理を行う分解・水素発酵工程と、
を備えることを特徴とする水素発酵処理方法。 a storage step of storing a mixed liquid containing at least one of rumen fluid and a rumen microorganism culture solution cultured in a culture tank and lignocellulosic biomass in a storage tank;
a decomposition/hydrogen fermentation process in which the mixed liquid supplied from the storage process is decomposed and subjected to hydrogen fermentation;
A hydrogen fermentation treatment method comprising:
前記第1メタン発酵工程で得られたメタン発酵液を前記貯留槽及び前記培養槽の少なくとも一つに供給することを特徴とする請求項7に記載の水素発酵処理方法。 The method further includes a first methane fermentation step of subjecting organic waste to methane fermentation treatment,
8. The hydrogen fermentation treatment method according to claim 7, wherein the methane fermentation liquid obtained in the first methane fermentation step is supplied to at least one of the storage tank and the culture tank.
前記第2メタン発酵工程で得られたメタン発酵液を前記貯留槽及び前記培養槽の少なくとも一つに返送することを特徴とする請求項7又は8に記載の水素発酵処理方法。 The hydrogen fermentation liquid obtained in the decomposition/hydrogen fermentation step is used as a raw material for methane fermentation.
9. The hydrogen fermentation treatment method according to claim 7, wherein the methane fermentation liquid obtained in the second methane fermentation step is returned to at least one of the storage tank and the culture tank.
前記貯留工程から供給された前記混合液を前処理槽で分解処理する前処理工程と、
前記前処理工程で得られた前処理液を水素発酵槽で水素発酵処理する水素発酵工程と、
を備えることを特徴とする水素発酵処理方法。 a storage step of storing a mixed liquid containing at least one of rumen fluid and a rumen microorganism culture solution cultured in a culture tank and lignocellulosic biomass in a storage tank;
a pretreatment step of decomposing the mixed liquid supplied from the storage step in a pretreatment tank;
a hydrogen fermentation step in which the pretreated liquid obtained in the pretreatment step is subjected to hydrogen fermentation in a hydrogen fermenter;
A hydrogen fermentation treatment method comprising:
前記第1メタン発酵工程で得られたメタン発酵液を前記貯留槽、前記培養槽、及び前記前処理槽の少なくとも一つに供給することを特徴とする請求項10に記載の水素発酵処理方法。 The method further includes a first methane fermentation step of subjecting organic waste to methane fermentation treatment,
11. The hydrogen fermentation treatment method according to claim 10, wherein the methane fermentation liquid obtained in the first methane fermentation step is supplied to at least one of the storage tank, the culture tank, and the pretreatment tank.
前記第2メタン発酵工程で得られたメタン発酵液を前記貯留槽、前記培養槽、及び前記前処理槽の少なくとも一つに返送することを特徴とする請求項10又は11に記載の水素発酵処理方法。 The hydrogen fermentation process further includes a second methane fermentation process in which methane fermentation is performed using the hydrogen fermentation liquid obtained in the hydrogen fermentation process as a raw material.
12. The hydrogen fermentation treatment method according to claim 10, wherein the methane fermentation liquid obtained in the second methane fermentation step is returned to at least one of the storage tank, the culture tank, and the pretreatment tank.
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