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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024106791
(43)【公開日】2024-08-08
(54)【発明の名称】水素発酵処理システムおよび水素発酵処理方法
(51)【国際特許分類】
B09B 3/65 20220101AFI20240801BHJP
C12P 1/04 20060101ALI20240801BHJP
【ＦＩ】
B09B3/65 ZAB
C12P1/04
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023011229
(22)【出願日】2023-01-27
(71)【出願人】
【識別番号】000192590
【氏名又は名称】株式会社神鋼環境ソリューション
(71)【出願人】
【識別番号】504157024
【氏名又は名称】国立大学法人東北大学
(74)【代理人】
【識別番号】110001841
【氏名又は名称】弁理士法人ＡＴＥＮ
(72)【発明者】
【氏名】竹▲崎▼ 潤
(72)【発明者】
【氏名】赤司 昭
(72)【発明者】
【氏名】李 玉友
【テーマコード（参考）】
4B064
4D004
【Ｆターム（参考）】
4B064AA03
4B064CA02
4B064CC06
4B064CD24
4B064DA16
4D004AA12
4D004BA03
4D004CA18
4D004CB01
4D004CB04
4D004DA03
4D004DA06
(57)【要約】
【課題】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。
【解決手段】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液の分解処理及び水素発酵処理を行う分解・水素発酵槽１０を備える。
【選択図】図１
【解決手段】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液の分解処理及び水素発酵処理を行う分解・水素発酵槽１０を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
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液の分解処理及び水素発酵処理を行う分解・水素発酵槽を備えることを特徴とする水素発酵処理システム。
【請求項2】
前記分解・水素発酵槽において、５０～６０℃で前記分解処理及び前記水素発酵処理を行う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。
【請求項3】
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メタン発酵槽をさらに備え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。
【請求項4】
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。
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。
【請求項5】
前記前処理槽において、５０～６０℃で前記分解処理を行い、
前記水素発酵槽において、５０～６０℃で前記水素発酵処理を行う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。
前記水素発酵槽において、５０～６０℃で前記水素発酵処理を行う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。
【請求項6】
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メタン発酵槽をさらに備え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。
【請求項7】
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・水素発酵工程を備えることを特徴とする水素発酵処理方法。
【請求項8】
前記分解・水素発酵工程において、５０～６０℃で前記分解処理及び前記水素発酵処理を行うことを特徴とする請求項７に記載の水素発酵処理方法。
【請求項9】
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メタン発酵工程をさらに備え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。
【請求項10】
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液を分解処理する前処理工程と、
前記前処理工程から供給された前処理液を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。
前記前処理工程から供給された前処理液を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。
【請求項11】
前記前処理工程において、５０～６０℃で前記分解処理を行い、
前記水素発酵工程において、５０～６０℃で前記水素発酵処理を行うことを特徴とする請求項１０に記載の水素発酵処理方法。
前記水素発酵工程において、５０～６０℃で前記水素発酵処理を行うことを特徴とする請求項１０に記載の水素発酵処理方法。
【請求項12】
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メタン発酵工程をさらに備え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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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）。
【0004】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１３－１３８９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
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。一方、別の方法として、薬品や酵素を用いて、リグノセルロース系バイオマスを前処理することにより還元糖を生成させ、水素発酵の基質として利用することとも考えられるが、この方法においては、処理工程が煩雑であることに加えて、薬品や酵素を使用するための試薬コストや設備コストが高額になるといった問題があった。
【0007】
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。
【課題を解決するための手段】
【0008】
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の分解処理及び水素発酵処理を行う分解・水素発酵槽を備える。
【0009】
上記構成によれば、分解・水素発酵槽で、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と混合して分解処理し、水素発酵となる還元糖を生成させることで、次に続く、水素発酵反応が効率的に進行するため、水素ガスの生成量を向上させることができる。また、リグノセルロース系バイオマスを還元糖に分解するための反応処理時間を短縮することができるため、分解・水素発酵槽の容積を小さくすることができる。
【0010】
また、本発明の水素発酵処理システムにおいて、前記分解・水素発酵槽において、５０～６０℃で前記分解処理と前記水素発酵処理とを行うように構成されていてもよい。
【0011】
上記構成によれば、リグノセルロース系バイオマスの分解処理がより効率的に行われ、水素発酵の基質となる還元糖の生産量が向上するとともに、次に続く、水素発酵反応がより効率的に進行するため、水素ガスの生成量をさらに向上させることができる。
【0012】
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メタン発酵槽をさらに備えるように構成されていてもよい。
【0013】
上記構成によれば、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。
【0014】
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。
【0015】
上記構成によれば、前処理槽で、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と混合して予め分解処理し、水素発酵の基質となる還元糖を生成させておくことで、後段の水素発酵槽での水素発酵反応が効率的に進行するため、水素ガスの生成量を向上させることができる。また、リグノセルロース系バイオマスを還元糖に分解するための反応処理時間を短縮することができるため、水素発酵槽の容積を小さくすることができる。さらに、水素発酵槽と役割が分かれているため、運転制御や管理が行いやすいという利点がある。
【0016】
また、本発明の水素発酵処理システムにおいて、前記前処理槽において、５０～６０℃で前記分解処理を行い、前記水素発酵槽において、５０～６０℃で前記水素発酵処理を行うように構成されていてもよい。
【0017】
上記構成によれば、前処理槽でのリグノセルロース系バイオマスの分解処理がより効率的に行われ、水素発酵の基質となる還元糖の生産量が向上するとともに、後段の水素発酵槽での水素発酵反応がより効率的に進行するため、水素ガスの生成量をさらに向上させることができる。
【0018】
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メタン発酵槽をさらに備えるように構成されていてもよい。
【0019】
上記構成によれば、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。
【0020】
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の分解処理及び水素発酵処理を行う分解・水素発酵工程を備える。
【0021】
上記構成によれば、分解・水素発酵工程で、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と混合して分解処理し、水素発酵となる還元糖を生成させることで、次に続く、水素発酵反応が効率的に進行するため、水素ガスの生成量を向上させることができる。また、リグノセルロース系バイオマスを還元糖に分解するための反応処理時間を短縮することができるため、分解・水素発酵工程が行われる分解・水素発酵槽の容積を小さくすることができる。
【0022】
また、本発明の水素発酵処理方法において、前記分解・水素発酵工程において、５０～６０℃で前記分解処理及び前記水素発酵処理を行うように構成されていてもよい。
【0023】
上記構成によれば、リグノセルロース系バイオマスの分解処理がより効率的に行われ、水素発酵の基質となる還元糖の生産量が向上するとともに、次に続く、水素発酵反応がより効率的に進行するため、水素ガスの生成量をさらに向上させることができる。
【0024】
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メタン発酵工程をさらに備えるように構成されていてもよい。
【0025】
上記構成によれば、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。
【0026】
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分解処理する前処理工程と、前記前処理工程において得られた前処理液を水素発酵処理する水素発酵工程と、を備える。
【0027】
上記構成によれば、前処理工程で、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と混合して予め分解処理し、還元糖を生成させておくことで、後段の水素発酵工程での水素発酵反応が効率的に進行するため、水素ガスの生成量を向上させることができる。また、リグノセルロース系バイオマスを還元糖に分解するための反応処理時間を短縮することができるため、水素発酵工程が行われる水素発酵槽の容積を小さくすることができる。さらに、前処理工程は、水素発酵工程と役割が分かれているため、運転制御や管理が行いやすいという利点がある。
【0028】
また、本発明の水素発酵処理方法において、前記前処理工程において、５０～６０℃で前記分解処理を行い、前記水素発酵工程において、５０～６０℃で前記水素発酵処理を行うように構成されていてもよい。
【0029】
上記構成によれば、前処理工程でのリグノセルロース系バイオマスの分解処理がより効率的に行われ、水素発酵の基質となる還元糖の生産量が向上するとともに、後段の水素発酵工程での水素発酵反応がより効率的に進行するため、水素ガスの生成量をさらに向上させることができる。
【0030】
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メタン発酵工程をさらに備えるように構成されていてもよい。
【0031】
上記構成によれば、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。
【発明の効果】
【0032】
本発明によれば、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と混合して分解処理し、水素発酵の基質となる還元糖を生成させることで、次に続く、水素発酵反応が効率的に進行するため、水素ガスの生成量を向上させることができる。また、リグノセルロース系バイオマスを還元糖に分解するための反応処理時間を短縮することができるため、水素発酵槽の容積を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】第１実施形態に係る水素発酵処理システムの概略構成を示す図である。
【図2】第２実施形態に係る水素発酵処理システムの概略構成を示す図である。
【図3】第３実施形態に係る水素発酵処理システムの概略構成を示す図である。
【図4】第４実施形態に係る水素発酵処理システムの概略構成を示す図である。
【図5】ルーメン微生物によるセルロース分解活性測定試験の結果を示す図である。
【図6】ルーメン微生物によるセルロース分解活性測定試験の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0034】
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。
【0035】
以下、図１～４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。
【0036】
（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、分解・水素発酵槽１０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、分解・水素発酵槽１０に供給される。
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、分解・水素発酵槽１０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、分解・水素発酵槽１０に供給される。
【0037】
（分解・水素発酵槽）
図１（ａ）の分解・水素発酵槽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）の分解・水素発酵槽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。分解・水素発酵槽１０において、ルーメン液や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を含む混合液の固形物濃度（ＴＳ：Ｔｏｔａｌ Ｓｏｌｉｄｓ）が３．０～２０．０％となるように調整されることが好ましい。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が、濃度計を用いずに例えば、手動（混合液を採取して秤量し、乾燥前後の質量差から固形物濃度を計算するなど）で混合液の固形物濃度を測定するようにしてもよい。また、分解・水素発酵槽１０において、槽内の混合液の温度管理のための温度計を設けることが好ましい。さらに、混合液のｐＨ調整のためのｐＨ計を設けることが好ましい。また、分解・水素発酵槽１０には、混合液を攪拌するための攪拌機が設けられていてもよい（不図示）。なお、分解・水素発酵槽１０の前段に、ルーメン液や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とを混合して貯留しておく、貯留槽を設置してもよい（不図示）。また、分解・水素発酵槽１０には、リグノセルロース系バイオマスの分解処理や水素発酵のための薬品や酵素を添加する必要はないが、添加を妨げるものではなく、適宜薬品や酵素を添加してもよい。
図１（ａ）の分解・水素発酵槽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）の分解・水素発酵槽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。分解・水素発酵槽１０において、ルーメン液や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を含む混合液の固形物濃度（ＴＳ：Ｔｏｔａｌ Ｓｏｌｉｄｓ）が３．０～２０．０％となるように調整されることが好ましい。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が、濃度計を用いずに例えば、手動（混合液を採取して秤量し、乾燥前後の質量差から固形物濃度を計算するなど）で混合液の固形物濃度を測定するようにしてもよい。また、分解・水素発酵槽１０において、槽内の混合液の温度管理のための温度計を設けることが好ましい。さらに、混合液のｐＨ調整のためのｐＨ計を設けることが好ましい。また、分解・水素発酵槽１０には、混合液を攪拌するための攪拌機が設けられていてもよい（不図示）。なお、分解・水素発酵槽１０の前段に、ルーメン液や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とを混合して貯留しておく、貯留槽を設置してもよい（不図示）。また、分解・水素発酵槽１０には、リグノセルロース系バイオマスの分解処理や水素発酵のための薬品や酵素を添加する必要はないが、添加を妨げるものではなく、適宜薬品や酵素を添加してもよい。
【0038】
分解・水素発酵槽１０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バイオ水素ガスが生成される。具体的には、分解・水素発酵槽１０内において、混合液を、５０～６０℃、ｐＨ５．５～６．０の条件下、水理学的滞留時間（ＨＲＴ）４８～１２０時間、より好ましくは９６時間程度、分解処理及び水素発酵処理することで、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、水素ガスが生成される。水素発酵後の処理液（水素発酵液）には、酢酸等の揮発性脂肪酸が含まれる。分解・水素発酵槽１０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。分解処理及び水素発酵処理に寄与する、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。
【0039】
分解・水素発酵槽１０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１０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１０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１０には、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１０から排出される水素発酵後汚泥は固液分離機３０により固液分離され、濃縮されてもよい。固液分離後の濃縮汚泥は、肥料や建築資材等として利用することができる。また、固液分離脱離液は、液体肥料として利用することができる。
【0040】
水素発酵が進行すると、分解・水素発酵槽１０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１０の中から取り出され、分解・水素発酵槽１０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。
【0041】
【0042】
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、分解・水素発酵槽１０に安定供給される。
【0043】
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。
【0044】
（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、分解・水素発酵槽１０から構成されているが、分解・水素発酵槽１０の後段にメタン発酵槽２０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。
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、分解・水素発酵槽１０から構成されているが、分解・水素発酵槽１０の後段にメタン発酵槽２０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。
【0045】
（メタン発酵槽）
図２（ａ）（ｂ）に示すメタン発酵槽２０は、前段の分解・水素発酵槽１０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。メタン発酵槽２０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２０～２５日間、さらに好ましくは２０日間程度、高温発酵の場合、１５～２５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、メタン発酵槽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。なお、メタン発酵槽２０には、分解・水素発酵槽１０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）。また、メタン発酵槽２０に供給される水素発酵液は、分解・水素発酵槽１０から排出された水素発酵液をそのまま供給してよいが、水素発酵液と、下水汚泥や家畜糞尿、生ごみ等の易分解性の有機性廃棄物とを混合して供給してもよい。メタン発酵槽２０に供給される水素発酵液、または水素発酵液と有機性廃棄物との混合物の固形物濃度は特に限定されないが、３．０～１０．０％とするのが好ましい。さらに、メタン発酵槽２０から排出されたメタン発酵液、またはメタン発酵液を固液分離機３０で固液分離して得られた固液分離脱離液を、リグノセルロース分解微生物の窒素源として培養槽４０へ供給してもよい。
図２（ａ）（ｂ）に示すメタン発酵槽２０は、前段の分解・水素発酵槽１０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。メタン発酵槽２０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２０～２５日間、さらに好ましくは２０日間程度、高温発酵の場合、１５～２５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、メタン発酵槽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。なお、メタン発酵槽２０には、分解・水素発酵槽１０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）。また、メタン発酵槽２０に供給される水素発酵液は、分解・水素発酵槽１０から排出された水素発酵液をそのまま供給してよいが、水素発酵液と、下水汚泥や家畜糞尿、生ごみ等の易分解性の有機性廃棄物とを混合して供給してもよい。メタン発酵槽２０に供給される水素発酵液、または水素発酵液と有機性廃棄物との混合物の固形物濃度は特に限定されないが、３．０～１０．０％とするのが好ましい。さらに、メタン発酵槽２０から排出されたメタン発酵液、またはメタン発酵液を固液分離機３０で固液分離して得られた固液分離脱離液を、リグノセルロース分解微生物の窒素源として培養槽４０へ供給してもよい。
【0046】
分解・水素発酵槽１０から供給された水素発酵液をメタン発酵槽２０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、メタン発酵槽２０の中から取り出され、メタン発酵槽２０や分解・水素発酵槽１０、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。
【0047】
（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を行い、バイオ水素ガスを製造するシステムである。図３に示す水素発酵処理システム１０５、１０６は、主に、前処理槽１１と、水素発酵槽１２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、前処理槽１１に供給される。
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を行い、バイオ水素ガスを製造するシステムである。図３に示す水素発酵処理システム１０５、１０６は、主に、前処理槽１１と、水素発酵槽１２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、前処理槽１１に供給される。
【0048】
（前処理槽）
図１（ａ）の前処理槽１１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）の前処理槽１１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。前処理槽１１において、ルーメン液や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を含む混合液の固形物濃度（ＴＳ：Ｔｏｔａｌ Ｓｏｌｉｄｓ）が３．０～２０．０％となるように調整されることが好ましい。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が、濃度計を用いずに例えば、手動（混合液を採取して秤量し、乾燥前後の質量差から固形物濃度を計算するなど）で混合液の固形物濃度を測定するようにしてもよい。また、前処理槽１１において、槽内の混合液の温度管理のための温度計を設けることが好ましい。さらに、混合液のｐＨ調整のためのｐＨ計を設けることが好ましい。また、前処理槽１１には、混合液を攪拌するための攪拌機が設けられていてもよい（不図示）。なお、前処理槽１１の前段に、ルーメン液や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とを混合して貯留しておく、貯留槽を設置してもよい（不図示）。
図１（ａ）の前処理槽１１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）の前処理槽１１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。前処理槽１１において、ルーメン液や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を含む混合液の固形物濃度（ＴＳ：Ｔｏｔａｌ Ｓｏｌｉｄｓ）が３．０～２０．０％となるように調整されることが好ましい。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が、濃度計を用いずに例えば、手動（混合液を採取して秤量し、乾燥前後の質量差から固形物濃度を計算するなど）で混合液の固形物濃度を測定するようにしてもよい。また、前処理槽１１において、槽内の混合液の温度管理のための温度計を設けることが好ましい。さらに、混合液のｐＨ調整のためのｐＨ計を設けることが好ましい。また、前処理槽１１には、混合液を攪拌するための攪拌機が設けられていてもよい（不図示）。なお、前処理槽１１の前段に、ルーメン液や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とを混合して貯留しておく、貯留槽を設置してもよい（不図示）。
【0049】
前処理槽１１内において、混合液を、５０～６０℃、ｐＨ５．５～６．０の条件下、水理学的滞留時間（ＨＲＴ）４～３６時間、より好ましくは２４時間程度、分解処理することで、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が行われる。還元糖を多く含む前処理液は、後段の水素発酵槽１２に供給され、水素発酵処理が行われる。前処理槽１１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。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。前処理槽１１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１２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。また、前処理槽１１には、リグノセルロース系バイオマスの分解処理のための薬品や酵素を添加する必要はないが、添加を妨げるものではなく、適宜薬品や酵素を添加してもよい。
【0050】
（水素発酵槽）
水素発酵槽１２では、前処理槽１１から供給された前処理液を、５０～６０℃、ｐＨ５．５～６．０の条件下、水理学的滞留時間（ＨＲＴ）２４～１２０時間、より好ましくは９６時間程度、水素発酵処理することで、水素ガスが生成される。具体的には、水素発酵槽１２に、前処理槽１１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１２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１２から排出される水素発酵後汚泥は固液分離機３０により固液分離され、濃縮されてもよい。固液分離後の濃縮汚泥は、肥料や建築資材等として利用することができる。また、固液分離脱離液は、液体肥料として利用することができる。また、水素発酵槽１２には、水素発酵のための薬品や酵素を添加する必要はないが、添加を妨げるものではなく、適宜薬品や酵素を添加してもよい。
水素発酵槽１２では、前処理槽１１から供給された前処理液を、５０～６０℃、ｐＨ５．５～６．０の条件下、水理学的滞留時間（ＨＲＴ）２４～１２０時間、より好ましくは９６時間程度、水素発酵処理することで、水素ガスが生成される。具体的には、水素発酵槽１２に、前処理槽１１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１２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１２から排出される水素発酵後汚泥は固液分離機３０により固液分離され、濃縮されてもよい。固液分離後の濃縮汚泥は、肥料や建築資材等として利用することができる。また、固液分離脱離液は、液体肥料として利用することができる。また、水素発酵槽１２には、水素発酵のための薬品や酵素を添加する必要はないが、添加を妨げるものではなく、適宜薬品や酵素を添加してもよい。
【0051】
水素発酵が進行すると、水素発酵槽１２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１２の中から取り出され、前処理槽１１や水素発酵槽１２、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。
【0052】
（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４実施形態は、図３に示す水素発酵処理システム１０５、１０６と同様に、主に、前処理槽１１と、水素発酵槽１２とから構成されているが、水素発酵槽１２の後段にメタン発酵槽２０を備え、水素・メタン二段発酵を行う点で、第３実施形態とは異なる。
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４実施形態は、図３に示す水素発酵処理システム１０５、１０６と同様に、主に、前処理槽１１と、水素発酵槽１２とから構成されているが、水素発酵槽１２の後段にメタン発酵槽２０を備え、水素・メタン二段発酵を行う点で、第３実施形態とは異なる。
【0053】
図４（ａ）（ｂ）に示す本実施形態のメタン発酵槽２０として、図２（ａ）（ｂ）に示すメタン発酵槽２０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。加えてメタン、発酵槽２０から排出されたメタン発酵液、またはメタン発酵液を固液分離機３０で固液分離して得られた固液分離脱離液を、リグノセルロース分解微生物の窒素源として培養槽４０だけでなく前処理槽１１へ供給してもよい。水素発酵後の処理液（水素発酵液）には、メタン発酵の基質となる酢酸等の揮発性脂肪酸が含まれる。そのため、水素発酵槽１２から供給された水素発酵液をメタン発酵槽２０の中でメタン発酵処理すると、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、メタン発酵槽２０の中から取り出され、メタン発酵槽２０や前処理槽１１、水素発酵槽１２、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。
【0054】
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。
【0055】
（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。
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。
【0056】
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。
【0057】
（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。
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。
【0058】
（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。
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
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、３．０～２０．０％、より好ましくは１０．０～１５．０％となるように調整する。固形物濃度（ＴＳ）が３．０％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。
【0062】
（前処理（分解）工程）
前処理（分解）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を含む混合液の分解処理が行われる。前処理（分解）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ことが好ましい。
前処理（分解）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を含む混合液の分解処理が行われる。前処理（分解）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ことが好ましい。
【0063】
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。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。
【0064】
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。
【0065】
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。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。
【0066】
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。
【0067】
（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。
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。
【0068】
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、２４～１２０時間、より好ましくは９６時間程度である。
【0069】
（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１０）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、４８～１２０時間、より好ましくは９６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。
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１０）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、４８～１２０時間、より好ましくは９６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。
【0070】
（メタン発酵工程）
メタン発酵工程では、前段の水素発酵工程で得られた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。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。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。
メタン発酵工程では、前段の水素発酵工程で得られた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。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。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。
【0071】
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、２０～３０日間、より好ましくは２０～２５日間、さらに好ましくは２０日間程度、高温発酵の場合、１５～２５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。また、メタン発酵工程に供給される水素発酵液は、分解・水素発酵工程から排出された水素発酵液をそのまま供給してよいが、水素発酵液と、下水汚泥や家畜糞尿、生ごみ等の易分解性の有機性廃棄物とを混合して供給する混合工程を設けてもよい。メタン発酵工程に供給される水素発酵液、または水素発酵液と有機性廃棄物との混合物の固形物濃度は特に限定されないが、３．０～１０．０％とするのが好ましい。さらに、メタン発酵工程から排出されたメタン発酵液、またはメタン発酵液を固液分離工程で固液分離して得られた固液分離脱離液を、リグノセルロース分解微生物の窒素源として培養工程や前処理工程へ供給してもよい。
【実施例0072】
ルーメン微生物によるセルロース分解活性測定試験を行った。
【0073】
（試験例１）
基質として、カルボキシメチルセルロース（水溶性セルロース）（シグマ・アルドリッチ、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩・低粘度、カタログ番号：Ｃ５６７８）を、牛の第一胃から採取したルーメン液（ｐＨ６．８）と混合し、固形物濃度１％の混合液を得た。混合液を１５０ｍＬ容バイアル瓶に収容し、ゴム栓で密閉した後、気相部分を窒素ガスで置換し、嫌気条件下で７２時間、３９℃で振とう培養した。培養開始直後（０時間培養）と７２時間培養後の処理液中の還元糖濃度および揮発性脂肪酸濃度を測定した。各処理液中の還元糖濃度は、ソモギ・ネルソン法により分析した。また、各処理液中の揮発性脂肪酸濃度は、公益社団法人日本下水道協会下水試験方法に記載の試験方法に準拠して測定した。
基質として、カルボキシメチルセルロース（水溶性セルロース）（シグマ・アルドリッチ、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩・低粘度、カタログ番号：Ｃ５６７８）を、牛の第一胃から採取したルーメン液（ｐＨ６．８）と混合し、固形物濃度１％の混合液を得た。混合液を１５０ｍＬ容バイアル瓶に収容し、ゴム栓で密閉した後、気相部分を窒素ガスで置換し、嫌気条件下で７２時間、３９℃で振とう培養した。培養開始直後（０時間培養）と７２時間培養後の処理液中の還元糖濃度および揮発性脂肪酸濃度を測定した。各処理液中の還元糖濃度は、ソモギ・ネルソン法により分析した。また、各処理液中の揮発性脂肪酸濃度は、公益社団法人日本下水道協会下水試験方法に記載の試験方法に準拠して測定した。
【0074】
（試験例２）
牛の第一胃から採取したルーメン液のｐＨを５．７とし、５５℃で振とう培養したこと以外は、試験例１と同様の条件で混合液を培養し、培養開始直後（０時間培養）と培養開始から７２時間後の処理液中の還元糖濃度および揮発脂肪酸濃度を測定した。
牛の第一胃から採取したルーメン液のｐＨを５．７とし、５５℃で振とう培養したこと以外は、試験例１と同様の条件で混合液を培養し、培養開始直後（０時間培養）と培養開始から７２時間後の処理液中の還元糖濃度および揮発脂肪酸濃度を測定した。
【0075】
図５に各処理液中の還元糖濃度の分析結果、図６に各処理液中の揮発性脂肪酸濃度の分析結果を示す。図５に示されるように、試験例１、２において、培養開始から７２時間後の各処理液中の還元糖濃度は、培養開始直後（０時間）の各処理液中の還元糖濃度と比較して、試験例１では約８倍増加しており、試験例２では、約１７倍増加していた。また、図６に示されるように、試験例１、２において、培養開始から７２時間後の各処理液中の揮発性脂肪酸濃度は、培養開始直後（０時間）の各処理液中の揮発性脂肪酸濃度と比較して、試験例１では約１．２倍に増加しており、試験例２ではほとんど増加していないことが確認された。
【0076】
これらの分析結果において、試験例２の条件（５５℃、ｐＨ５．７）で混合液を処理した場合、試験例１の条件（３９℃、ｐＨ６．８）で混合液を処理した場合よりも、培養開始から７２時間後の処理液中の還元糖濃度が大幅に高くなった理由として、試験例２の条件（５５℃、ｐＨ５．７）では、還元糖が消費されずに処理液中に蓄積されていることが推測される。つまり、試験例２の条件（５５℃、ｐＨ５．７）において、ルーメン液によってセルロースは還元糖に分解される一方で、還元糖から揮発性脂肪酸への変換は抑制されることが明らかとなった。
【0077】
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。
【0078】
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。また、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は、リグノセルロース系バイオマスの供給ラインに直接供給してもよい。
【0079】
上記実施形態では、発酵汚泥を固液分離する固液分離機３０を備える例を説明したが、固液分離機３０は必須ではない。
【0080】
上記実施形態では、前処理槽１１内で得られた前処理液を後段の水素発酵槽１２に供給する例を説明したが、前処理槽１１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。
【産業上の利用可能性】
【0081】
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。
【符号の説明】
【0082】
１０：分解・水素発酵槽
１１：前処理槽
１２：水素発酵槽
２０：メタン発酵槽
１０１～１０８：水素発酵処理システム
１１：前処理槽
１２：水素発酵槽
２０：メタン発酵槽
１０１～１０８：水素発酵処理システム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
