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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】P2024165180
(43)【公開日】2024-11-28
(54)【発明の名称】メタン発酵方法
(51)【国際特許分類】
B09B 3/65 20220101AFI20241121BHJP
B09B 3/80 20220101ALI20241121BHJP
B09B 101/85 20220101ALN20241121BHJP
【ＦＩ】
B09B3/65
B09B3/80 ZAB
B09B101:85
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023081104
(22)【出願日】2023-05-16
(71)【出願人】
【識別番号】000103769
【氏名又は名称】オリエンタル白石株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100120868
【弁理士】
【氏名又は名称】安彦 元
(74)【代理人】
【識別番号】100198214
【弁理士】
【氏名又は名称】眞榮城 繁樹
(72)【発明者】
【氏名】金 美貞
(72)【発明者】
【氏名】正司 明夫
(72)【発明者】
【氏名】張 振亜
(72)【発明者】
【氏名】原 田
【テーマコード（参考）】
4D004
【Ｆターム（参考）】
4D004AA12
4D004BA03
4D004CA18
4D004CB05
4D004CB44
4D004CC01
4D004CC12
(57)【要約】
【課題】ＶＳあたりのバイオガス生成量の向上が図られたメタン発酵方法を提供する。
【解決手段】本発明のメタン発酵方法は、発酵原料のうち第１発酵原料を収容する第１収容部１１に収容された第１発酵原料を、第１収容部１１よりも上層に設けられ、発酵原料のうち予めアルカリ廃水で浸漬されたリグノセルロース系バイオマス資源の第２発酵原料を収容する第２収容部１２に供給してメタン発酵させる原料供給工程と、原料供給工程において第２収容部１２に供給された第１発酵原料のうち、少なくとも一部を第１収容部１１へ落下させることにより第２発酵原料と分離する分離工程と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】本発明のメタン発酵方法は、発酵原料のうち第１発酵原料を収容する第１収容部１１に収容された第１発酵原料を、第１収容部１１よりも上層に設けられ、発酵原料のうち予めアルカリ廃水で浸漬されたリグノセルロース系バイオマス資源の第２発酵原料を収容する第２収容部１２に供給してメタン発酵させる原料供給工程と、原料供給工程において第２収容部１２に供給された第１発酵原料のうち、少なくとも一部を第１収容部１１へ落下させることにより第２発酵原料と分離する分離工程と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
発酵原料のうち第１収容部に収容された第１発酵原料を、前記第１収容部よりも上層に設けられ、発酵原料のうち予めアルカリ廃水で浸漬されたリグノセルロース系バイオマス資源からなる第２発酵原料を収容する第２収容部に供給してメタン発酵させる原料供給工程と、
前記原料供給工程において前記第２収容部に供給された前記第１発酵原料のうち、少なくとも一部を前記第１収容部へ落下させることにより前記第２発酵原料と分離する分離工程と、
を有すること
を特徴とするメタン発酵方法。
前記原料供給工程において前記第２収容部に供給された前記第１発酵原料のうち、少なくとも一部を前記第１収容部へ落下させることにより前記第２発酵原料と分離する分離工程と、
を有すること
を特徴とするメタン発酵方法。
【請求項2】
発酵原料のうち第２収容部に収容されたリグノセルロース系バイオマス資源からなる第２発酵原料を、アルカリ廃水で浸漬する原料浸漬工程と、
前記原料浸漬工程で浸漬された前記第２発酵原料を収容する前記第２収容部に、当該第２収容部よりも下層に設けられる第１収容部に収容される第１発酵原料を供給してメタン発酵させる原料供給工程と、
前記原料供給工程において前記第２収容部に供給された前記第１発酵原料のうち、少なくとも一部を前記第１収容部へ落下させることにより前記第２発酵原料と分離する分離工程と、
を有すること
を特徴とするメタン発酵方法。
前記原料浸漬工程で浸漬された前記第２発酵原料を収容する前記第２収容部に、当該第２収容部よりも下層に設けられる第１収容部に収容される第１発酵原料を供給してメタン発酵させる原料供給工程と、
前記原料供給工程において前記第２収容部に供給された前記第１発酵原料のうち、少なくとも一部を前記第１収容部へ落下させることにより前記第２発酵原料と分離する分離工程と、
を有すること
を特徴とするメタン発酵方法。
【請求項3】
前記原料浸漬工程は、前記第２発酵原料を、少なくとも酸素を含む気体を吹き込んだ前記アルカリ廃水で浸漬すること
を特徴とする請求項２に記載のメタン発酵方法。
を特徴とする請求項２に記載のメタン発酵方法。
【請求項4】
前記原料供給工程は、少なくとも酸素を含む気体を吹き込んだ前記第１発酵原料を、前記第２収容部に供給すること
を特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載のメタン発酵方法。
を特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載のメタン発酵方法。
【請求項5】
前記原料供給工程の後、前記メタン発酵により生成された前記第１収容部内の消化液を、前記第２収容部に供給すること
を特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載のメタン発酵方法。
を特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載のメタン発酵方法。
【請求項6】
少なくとも酸素を含む気体を吹き込んだ前記消化液を、前記第２収容部に供給すること
を特徴とする請求項５に記載のメタン発酵方法。
を特徴とする請求項５に記載のメタン発酵方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、リグノセルロース系バイオマス資源を発酵させるために用いるメタン発酵方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、バイオマス資源をエネルギー資源として有効活用するための方法として、メタン発酵技術が研究されている。日本は、家畜用飼料として年４，０００万トンの穀物を諸外国から輸入しており、日本国土に約０．８億トン／年（農水省、２０１６年）の畜産系廃棄物が残留物として生じている。これら有機系廃棄物が有効に再資源化されないまま焼却や埋立てなどによって処理されることで、窒素循環の破綻の一因となり、河川や湖沼、海洋等の環境汚染を引き起こすおそれがある。そのため、バイオマス資源の有効活用は、環境保全の面において極めて重要である。
【0003】
バイオマス資源のうち、リグノセルロース系バイオマス資源は、稲わら、トウモロコシの茎葉、籾殻、麦わら等が含まれ、地球上で最も豊富な炭水化物源として莫大な資源量の確保が可能な非食用資源である。リグノセルロース系バイオマス資源を用いたメタン発酵技術は、例えば酵素糖化（加水分解）及び発酵工程の前に、バイオマス資源の前処理工程が必要とされ、前処理工程によりリグニン等の内部構造が破壊され、分解酵素が基質へ接触しやすくなり、その結果酵素糖化率が向上する。
【0004】
前処理工程は、多様な物理化学的前処理法により実施され、例えばアルカリを用いてリグニンを分解する方法がある。しかしながら、化学薬品としてのアルカリ剤の調達が必要であるため、環境汚染の問題がある。また、リグニンを分解するためには高温処理（例えば３００℃～６００℃）が必要となるため、３５℃～５５℃程度が適温とされるメタン発酵槽とは別に高温処理槽を設けなければならず、発酵装置が大型化する問題がある。
【0005】
特許文献１には、リグノセルロース系バイオマス資源を、水酸化ナトリウムを主要有効成分とする蒸解薬液に浸漬させた後に嫌気性発酵することで、メタンガスを発生させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２００３－２１３５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献１に開示されたメタン発酵方法によれば、リグノセルロース系バイオマスを蒸解薬液に浸漬させることにより、セルロース系繊維を離解させて蒸解物混合液を取得し、通常のメタン発酵プロセスと同様に加水分解、酸生成分解、嫌気性発酵の順に処理することで、メタンガスを発酵させる。これにより、高価な耐熱性材料を必要とするような高温状態を経ることなく、メタンを主成分とする可燃性ガスを生成することができる。しかしながら、特許文献１に開示されたメタン発酵方法によれば、ＶＳ（Volatile Solids：投入する有機物重量）あたりのバイオガス生成量の向上については言及されていない。
【0008】
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、ＶＳあたりのバイオガス生成量の向上が図られたメタン発酵方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
第１発明におけるメタン発酵方法は、発酵原料のうち第１収容部に収容された第１発酵原料を、前記第１収容部よりも上層に設けられ、発酵原料のうち予めアルカリ廃水で浸漬されたリグノセルロース系バイオマス資源からなる第２発酵原料を収容する第２収容部に供給してメタン発酵させる原料供給工程と、前記原料供給工程において前記第２収容部に供給された前記第１発酵原料のうち、少なくとも一部を前記第１収容部へ落下させることにより前記第２発酵原料と分離する分離工程と、を有することを特徴とする。
【0010】
第２発明におけるメタン発酵方法は、発酵原料のうち第２収容部に収容されたリグノセルロース系バイオマス資源からなる第２発酵原料を、アルカリ廃水で浸漬する原料浸漬工程と、前記原料浸漬工程で浸漬された前記第２発酵原料を収容する前記第２収容部に、当該第２収容部よりも下層に設けられる第１収容部に収容される第１発酵原料を供給してメタン発酵させる原料供給工程と、前記原料供給工程において前記第２収容部に供給された前記第１発酵原料のうち、少なくとも一部を前記第１収容部へ落下させることにより前記第２発酵原料と分離する分離工程と、を有することを特徴とする。
【0011】
第３発明におけるメタン発酵方法は、第２発明において、前記原料浸漬工程は、前記第２発酵原料を、少なくとも酸素を含む気体を吹き込んだ前記アルカリ廃水で浸漬することを特徴とする。
【0012】
第４発明におけるメタン発酵方法は、第１発明～第３発明の何れか一つにおいて、前記原料供給工程は、少なくとも酸素を含む気体を吹き込んだ前記第１発酵原料を、前記第２収容部に供給することを特徴とする。
【0013】
第５発明におけるメタン発酵方法は、第１発明～第３発明の何れか一つにおいて、前記原料供給工程の後、前記メタン発酵により生成された前記第１収容部内の消化液を、前記第２収容部に供給することを特徴とする。
【0014】
第６発明におけるメタン発酵方法は、第５発明において、少なくとも酸素を含む気体を吹き込んだ前記消化液を、前記第２収容部に供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【0015】
第１発明、第３発明～第６発明によれば、第１収容部に収容された第１発酵原料を、予めアルカリ廃水で浸漬されたリグノセルロース系バイオマス資源の第２発酵原料を収容する第２収容部に供給してメタン発酵させる原料供給工程と、第２収容部に供給された第１発酵原料のうち、少なくとも一部を第１収容部へ落下させることにより第２発酵原料と分離する分離工程と、を備える。このため、アルカリ廃水で浸漬されたリグノセルロース系バイオマス資源を効率よくメタン発酵させることができる。これにより、ＶＳあたりのバイオガス生成量の向上を図ることができる。また、メタン発酵を促進するために発酵原料等を攪拌する攪拌器を設ける必要がない。これにより、メタン発酵装置の小型化を図ることができる。
【0016】
第２発明～第６発明によれば、第２収容部に収容されたリグノセルロース系バイオマス資源の第２発酵原料をアルカリ廃水で浸漬する原料浸漬工程と、原料浸漬工程で浸漬された第２発酵原料を収容する第２収容部に、第１収容部に収容された第１発酵原料を供給してメタン発酵させる原料供給工程と、第２収容部に供給された第１発酵原料のうち、少なくとも一部を第１収容部へ落下させることにより第２発酵原料と分離する分離工程と、を備える。このため、アルカリ廃水で浸漬されたリグノセルロース系バイオマス資源を効率よくメタン発酵させることができる。これにより、ＶＳあたりのバイオガス生成量の向上を図ることができる。また、第２収容部において、第２発酵原料をアルカリ廃水で浸漬させてメタン発酵するため、メタン発酵槽とは別の前処理容器が不要となる。このため、メタン発酵装置の小型化を図ることができる。
【0017】
特に、第３発明によれば、原料浸漬工程は、第２発酵原料を、少なくとも酸素を含む気体を吹き込んだアルカリ廃水で浸漬する。このため、メタン生成菌が活性化し、メタン生成量の向上により、メタン濃度が純化された、発熱量の高いバイオガスをさらに生成することができる。これにより、バイオガスの有用性向上を図ることができる。
【0018】
特に、第４発明によれば、原料供給工程は、少なくとも酸素を含む気体を吹き込んだ第１発酵原料を第２収容部に供給する。このため、メタン生成菌が活性化し、メタン生成量の向上により、メタン濃度が純化された、発熱量の高いバイオガスをさらに生成することができる。これにより、バイオガスの有用性向上を図ることができる。
【0019】
特に、第５発明によれば、メタン発酵により生成された第１収容部内の消化液を、第２収容部に供給する。すなわち、消化液は、第１収容部よりも上層の第２収容部に供給された後、第１収容部に流下する。このため、アルカリ廃水で浸漬されたリグノセルロース系バイオマス資源をさらに効率よくメタン発酵させることができる。これにより、ＶＳあたりのバイオガス生成量のさらなる向上を図ることができる。
【0020】
特に、第６発明によれば、少なくとも酸素を含む気体を吹き込んだ消化液を第２収容部に供給する。このため、メタン生成菌が活性化し、メタン生成量の向上により、メタン濃度が純化された、発熱量の高いバイオガスをさらに生成することができる。これにより、バイオガスの有用性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、本発明の実施形態としてのメタン発酵装置の一例について、図面を参照しながら詳細に説明をする。なお、各図における構成は、説明のため模式的に記載されており、例えば各構成の大きさや、構成毎における大きさの対比等については、図とは異なってもよい。
【0023】
（第１実施形態：メタン発酵方法）
図１を参照して、本実施形態におけるメタン発酵方法に用いるメタン発酵装置１の一例を説明する。
図１を参照して、本実施形態におけるメタン発酵方法に用いるメタン発酵装置１の一例を説明する。
【0024】
メタン発酵装置１は、メタン発酵槽１０を備える。メタン発酵装置１は、例えばメタン発酵装置１が生成したバイオガスを採集するバイオガス採集タンク３と外部接続される。
【0025】
メタン発酵装置１は、例えば図１に示すように、第１収容部１１と、第１収容部１１よりも上層の第２収容部１２と、第１収容部１１と第２収容部１２との間の分離機構１３を備える。
【0026】
メタン発酵装置１は、第１収容部１１に収容された発酵原料を第１収容部１１から排出する原料排出口１１１と、原料排出口１１１から排出された発酵原料を第２収容部１２に供給する原料供給口１２１と、原料排出口１１１と原料供給口１２１とを接続する第１接続配管２１と、を有する。原料供給口１２１は、例えば第２収容部１２内に均一に発酵原料を供給するために、第２収容部１２に複数設けられてもよい。なお、図示は省略したが、バイオガス排出口１２２、及び原料排出口１１１についても、同様に複数設けられてもよい。
【0027】
＜メタン発酵槽１０＞
メタン発酵槽１０は、槽内のバイオマス資源を発酵原料として発酵させ、バイオガスと消化液とを生成する。メタン発酵槽１０は、例えば内部に分離機構１３が設けられており、分離機構１３によって槽内が複数の区域に分離されている。一部の区域において発酵原料を乾式メタン発酵により発酵させ、他の区域において発酵原料を湿式メタン発酵により発酵させる。
メタン発酵槽１０は、槽内のバイオマス資源を発酵原料として発酵させ、バイオガスと消化液とを生成する。メタン発酵槽１０は、例えば内部に分離機構１３が設けられており、分離機構１３によって槽内が複数の区域に分離されている。一部の区域において発酵原料を乾式メタン発酵により発酵させ、他の区域において発酵原料を湿式メタン発酵により発酵させる。
【0028】
ここで、発酵原料となるバイオマス資源とは、動植物から生まれる資源を指し、本実施形態においては、特に再生可能な有機性資源を含む産業廃棄物を想定している。バイオマス資源としては、例えば動物のふん尿（鶏ふん、牛ふん、豚ふん等）、動植物系残さ（籾殻、食品残さ等）が用いられる。
【0029】
メタン発酵槽１０は、例えば第１収容部１１と、第１収容部１１よりも上層の第２収容部１２と、第１収容部１１と第２収容部１２との間の分離機構１３を有する。
【0030】
＜第１収容部１１＞
第１収容部１１は、メタン発酵槽１０内の発酵原料を湿式メタン発酵により発酵させる区域である。第１収容部１１は、発酵原料の湿式メタン発酵により、バイオガスと消化液とを生成する。第１収容部１１は、第２収容部１２に収容される流動体が、連続的又は断続的に孔１３０を通過して流下することで収容される。このため、第１収容部１１に収容される発酵原料は、湿式メタン発酵に適したＴＳ濃度（固形物濃度）１５％未満に保たれやすい。また、第２収容部１２に収容される流動体の落下（又は液体成分の流下）により、第１収容部１１内が攪拌される。
第１収容部１１は、メタン発酵槽１０内の発酵原料を湿式メタン発酵により発酵させる区域である。第１収容部１１は、発酵原料の湿式メタン発酵により、バイオガスと消化液とを生成する。第１収容部１１は、第２収容部１２に収容される流動体が、連続的又は断続的に孔１３０を通過して流下することで収容される。このため、第１収容部１１に収容される発酵原料は、湿式メタン発酵に適したＴＳ濃度（固形物濃度）１５％未満に保たれやすい。また、第２収容部１２に収容される流動体の落下（又は液体成分の流下）により、第１収容部１１内が攪拌される。
【0031】
メタン発酵装置１は、第１収容部１１に収容される流動体を第２収容部１２に連続的又は断続的に供給する。すなわち、第２収容部１２に収容される発酵資源は、第１収容部１１に収容される流動体と連続的又は断続的に接触することで、攪拌と同様の効果を得ることができる。このため、乾式メタン発酵の従来課題であった流動性の低さを、攪拌装置を用いることなく解消することができる。一方で、第２収容部１２に収容される流動体は、第２収容部１２に収容される発酵資源と繰り返し接触することで、発酵資源のＮＰＫ成分が溶出しやすくなる。このため、湿式メタン発酵の従来課題であった栄養成分の少なさを解消でき、良質なバイオ液肥として活用できる。このように、メタン発酵装置１は、第２収容部１２内の乾式メタン発酵と、第１収容部１１内の湿式メタン発酵を有機的に組み合わせることで、双方の従来課題を解決しつつ、乾式メタン発酵の利点であるメタン生成量の高さを効果的に発揮することができる。
【0032】
＜第２収容部１２＞
第２収容部１２は、メタン発酵槽１０内の発酵原料を乾式メタン発酵により発酵させる区域である。第２収容部１２は、発酵原料の乾式メタン発酵により、バイオガスと消化液とを生成する。
第２収容部１２は、メタン発酵槽１０内の発酵原料を乾式メタン発酵により発酵させる区域である。第２収容部１２は、発酵原料の乾式メタン発酵により、バイオガスと消化液とを生成する。
【0033】
第２収容部１２は、孔１３０が設けられた分離機構１３を介して、第１収容部１１より上層に設けられる。第２収容部１２に収容される流動体は、連続的又は断続的に孔１３０を通過して第１収容部１１に落下する。このため、第２収容部１２に収容される発酵原料は、乾式メタン発酵に適したＴＳ濃度（固形物濃度）１５％以上に保たれやすい。また、流動体を自由落下させることにより流動体と固形体とに分離できるため、第２収容部１２にＴＳ濃度（固形物濃度）１５％未満の発酵原料を収容しても、第２収容部１２内の乾式メタン発酵に差し支えない。
【0034】
＜分離機構１３＞
分離機構１３は、メタン発酵槽１０に収容される発酵原料を、乾式メタン発酵により発酵させる発酵原料と、湿式メタン発酵により発酵させる発酵原料と、に分離する。分離機構１３は、例えばメタン発酵槽１０の内壁に接して設けられる。分離機構１３は、例えば所定の間隔で、第２収容部１２と第１収容部１１とを連通する孔１３０が１以上設けられる。分離機構１３は、第２収容部１２に収容された発酵原料のうち孔１３０の幅よりも小さい固形体、又は流動体を第１収容部１１に落下させることで、発酵原料を分離する。その結果、第２収容部１２内の第２発酵原料５が乾式メタン発酵される。この場合、アルカリ廃水で浸漬されたリグノセルロース系バイオマス資源を効率よくメタン発酵させることができる。これにより、ＶＳあたりのバイオガス生成量の向上を図ることができる。
分離機構１３は、メタン発酵槽１０に収容される発酵原料を、乾式メタン発酵により発酵させる発酵原料と、湿式メタン発酵により発酵させる発酵原料と、に分離する。分離機構１３は、例えばメタン発酵槽１０の内壁に接して設けられる。分離機構１３は、例えば所定の間隔で、第２収容部１２と第１収容部１１とを連通する孔１３０が１以上設けられる。分離機構１３は、第２収容部１２に収容された発酵原料のうち孔１３０の幅よりも小さい固形体、又は流動体を第１収容部１１に落下させることで、発酵原料を分離する。その結果、第２収容部１２内の第２発酵原料５が乾式メタン発酵される。この場合、アルカリ廃水で浸漬されたリグノセルロース系バイオマス資源を効率よくメタン発酵させることができる。これにより、ＶＳあたりのバイオガス生成量の向上を図ることができる。
【0035】
分離機構１３の材質としては、第２収容部１２に収容される発酵原料を支持できる程度の強度を有する素材が用いられ、例えばポリエチレン等の合成樹脂が用いられる。分離機構１３の厚さは、例えば０．１ｍｍ～５０ｍｍである。分離機構１３に設けられる孔１３０の幅は、例えば０．１ｍｍ～５ｍｍである。
【0036】
＜第１接続配管２１＞
第１接続配管２１は、メタン発酵槽１０に接続される。第１接続配管２１は、原料排出口１１１と原料供給口１２１とを接続する。第１接続配管２１には、例えば送水ポンプ２１１が設けられる。送水ポンプ２１１の駆動により、原料排出口１１１から排出された発酵原料は、第１接続配管２１内を流動し、原料供給口１２１に供給される。第１接続配管２１の材質は、例えばポリエチレンパイプが用いられる。
第１接続配管２１は、メタン発酵槽１０に接続される。第１接続配管２１は、原料排出口１１１と原料供給口１２１とを接続する。第１接続配管２１には、例えば送水ポンプ２１１が設けられる。送水ポンプ２１１の駆動により、原料排出口１１１から排出された発酵原料は、第１接続配管２１内を流動し、原料供給口１２１に供給される。第１接続配管２１の材質は、例えばポリエチレンパイプが用いられる。
【0037】
＜第２接続配管２２＞
第２接続配管２２は、第１接続配管２１とは独立して、メタン発酵槽１０に接続される。第２接続配管２２は、バイオガス排出口１２２とバイオガス採集タンク３とを接続する。バイオガス採集タンク３の操作により、バイオガス排出口１２１から排出されたバイオガスは、第２接続配管２２内を流動し、バイオガス採集タンク３内に採集される。第２接続配管２２の材質は、例えば第１接続配管２１と同様のものが用いられる。
第２接続配管２２は、第１接続配管２１とは独立して、メタン発酵槽１０に接続される。第２接続配管２２は、バイオガス排出口１２２とバイオガス採集タンク３とを接続する。バイオガス採集タンク３の操作により、バイオガス排出口１２１から排出されたバイオガスは、第２接続配管２２内を流動し、バイオガス採集タンク３内に採集される。第２接続配管２２の材質は、例えば第１接続配管２１と同様のものが用いられる。
【0038】
＜バイオガス採集タンク３＞
バイオガス採集タンク３は、メタン発酵装置１を構成するメタン発酵槽１０内で生成されたバイオガスを採集するためのタンクである。バイオガス採集タンク３は、第２接続配管２２を介してメタン発酵装置１と外部接続される。バイオガス採集タンク３は、例えばメタン発酵装置１の一部を構成してもよい。
バイオガス採集タンク３は、メタン発酵装置１を構成するメタン発酵槽１０内で生成されたバイオガスを採集するためのタンクである。バイオガス採集タンク３は、第２接続配管２２を介してメタン発酵装置１と外部接続される。バイオガス採集タンク３は、例えばメタン発酵装置１の一部を構成してもよい。
【0039】
バイオガス採集タンク３は、メタン発酵装置１から生成されるバイオガスの採集及び排出のみを行い、バイオガス採集タンク３内でバイオガスの生成は行わない。バイオガス採集タンク３の材質としては、例えば公知のガスホルダーと同等の鋼材、ポリ塩化ビニル等の樹脂材料が用いられる。
【0040】
【0041】
メタン発酵装置１の動作は、例えば図２に示すように、原料供給工程Ｓ１１と、分離工程Ｓ１２と、を備える。
【0042】
＜事前準備＞
事前準備として、例えば図３（ａ）に示すように、第１収容部１１に第１発酵原料４を収容し、第２収容部１２に、予めアルカリ廃水で浸漬された第２発酵原料５を収容する。メタン発酵槽１０内にはメタン生成菌が予め収容され、例えば第１発酵原料４中に存在する。ここで、第１収容部１１に収容される第１発酵原料４を第１発酵原料４ａとする。また、メタン発酵槽１０内を、メタン発酵が促進する嫌気性環境下となるように調整する。
事前準備として、例えば図３（ａ）に示すように、第１収容部１１に第１発酵原料４を収容し、第２収容部１２に、予めアルカリ廃水で浸漬された第２発酵原料５を収容する。メタン発酵槽１０内にはメタン生成菌が予め収容され、例えば第１発酵原料４中に存在する。ここで、第１収容部１１に収容される第１発酵原料４を第１発酵原料４ａとする。また、メタン発酵槽１０内を、メタン発酵が促進する嫌気性環境下となるように調整する。
【0043】
ここで、アルカリ廃水とは、生コンクリート製造工場、コンクリート製品製作工場、工事現場等において、セメント、モルタル、コンクリート等のセメント系組成物の洗浄を行う際に発生する洗浄廃水を指す。この洗浄廃水は、通常、排水を集水する集水槽、浮遊粒子等を除去する濾過槽、金属が含まれる汚泥等を沈殿させる沈殿槽を通過させた後、希硫酸等で上水を中和処理し、放流している。本実施形態におけるアルカリ廃水としては、上述の集水槽、濾過槽及び沈殿槽を通過し、中和槽を通過する前の洗浄廃水を用いる。このため、アルカリ廃水は、ｐＨ１０～１５程度のアルカリ性を有する。また、アルカリ廃水の回収方法としては、例えば沈殿槽から耐薬品性を有する１トン用のポリタンクに取り分けて、浸漬に用いる量だけ、アルカリ耐久性チューブを用いて浸漬容器に投入する。
【0044】
＜第１発酵原料４＞
第１発酵原料４は、第１収容部１１に予め収容される。第１発酵原料４は、第２収容部１２内において湿式メタン発酵される。第１発酵原料４は、例えばバイオマス資源のうち、ＴＳ濃度（固形物濃度）が１５％未満の流動体が用いられる。
第１発酵原料４は、第１収容部１１に予め収容される。第１発酵原料４は、第２収容部１２内において湿式メタン発酵される。第１発酵原料４は、例えばバイオマス資源のうち、ＴＳ濃度（固形物濃度）が１５％未満の流動体が用いられる。
【0045】
＜第２発酵原料５＞
第２発酵原料５は、アルカリ廃水で浸漬された状態で、第２収容部１２に予め収容される。第２発酵原料５は、第２収容部１２内において乾式メタン発酵される。第２発酵原料５は、例えばリグノセルロース系バイオマス資源のうち、ＴＳ濃度（固形物濃度）が１５％以上の固形体が用いられ、例えば籾殻が用いられる。
第２発酵原料５は、アルカリ廃水で浸漬された状態で、第２収容部１２に予め収容される。第２発酵原料５は、第２収容部１２内において乾式メタン発酵される。第２発酵原料５は、例えばリグノセルロース系バイオマス資源のうち、ＴＳ濃度（固形物濃度）が１５％以上の固形体が用いられ、例えば籾殻が用いられる。
【0046】
＜原料供給工程Ｓ１１＞
原料供給工程Ｓ１１において、メタン発酵装置１は、例えば図３（ｂ）に示すように、送水ポンプ２１１を動作させて第１発酵原料４を第１収容部１１から排出する。ここで、第１収容部１１から排出される第１発酵原料４を第１発酵原料４ｂとする。第１発酵原料４ｂは、原料排出口１１１を通過して第１収容部１１から排出された後、第１接続配管２１内を流動して原料供給口１２１を通過し、第２収容部１２に供給される。第１発酵原料４ｂは、例えば第２収容部１２に収容される第２発酵原料５の上方から、第２発酵原料５に接触するように供給される。ここで、第２収容部１２に供給される第１発酵原料４を第１発酵原料４ｃとする。
原料供給工程Ｓ１１において、メタン発酵装置１は、例えば図３（ｂ）に示すように、送水ポンプ２１１を動作させて第１発酵原料４を第１収容部１１から排出する。ここで、第１収容部１１から排出される第１発酵原料４を第１発酵原料４ｂとする。第１発酵原料４ｂは、原料排出口１１１を通過して第１収容部１１から排出された後、第１接続配管２１内を流動して原料供給口１２１を通過し、第２収容部１２に供給される。第１発酵原料４ｂは、例えば第２収容部１２に収容される第２発酵原料５の上方から、第２発酵原料５に接触するように供給される。ここで、第２収容部１２に供給される第１発酵原料４を第１発酵原料４ｃとする。
【0047】
第１発酵原料４ｃと接触した第２発酵原料５は、メタン生成菌の作用によりメタン発酵が促進される。その結果、第２収容部１２内においてバイオガス及び消化液が生成される。第２発酵原料５から生じたバイオガスは、ガス排出口１２２を通過し、第２接続配管２２を流動してバイオガス採集タンク３に収容される。
【0048】
＜分離工程Ｓ１２＞
分離工程Ｓ１２において、メタン発酵装置１は、例えば図３（ｃ）に示すように、第１発酵原料４ｃの少なくとも一部を、分離機構１３に設けられた孔１３０を通過させて、第２収容部１２よりも下層に設けられた第１収容部１１に落下させる。ここで、第２収容部１２から孔１３０を通過して第１収容部１１に落下する第１発酵原料４を第１発酵原料４ｄとする。その結果、第２収容部１２内の第２発酵原料５が乾式メタン発酵される。この場合、アルカリ廃水で浸漬されたリグノセルロース系バイオマス資源を効率よくメタン発酵させることができる。これにより、ＶＳあたりのバイオガス生成量の向上を図ることができる。また、メタン発酵を促進するために発酵原料等を攪拌する攪拌器を設ける必要がない。これにより、メタン発酵装置の小型化を図ることができる。なお、本実施形態のバイオガス生成量の具体的な効用については、後述の実施例において実験データに基づいて説明する。
分離工程Ｓ１２において、メタン発酵装置１は、例えば図３（ｃ）に示すように、第１発酵原料４ｃの少なくとも一部を、分離機構１３に設けられた孔１３０を通過させて、第２収容部１２よりも下層に設けられた第１収容部１１に落下させる。ここで、第２収容部１２から孔１３０を通過して第１収容部１１に落下する第１発酵原料４を第１発酵原料４ｄとする。その結果、第２収容部１２内の第２発酵原料５が乾式メタン発酵される。この場合、アルカリ廃水で浸漬されたリグノセルロース系バイオマス資源を効率よくメタン発酵させることができる。これにより、ＶＳあたりのバイオガス生成量の向上を図ることができる。また、メタン発酵を促進するために発酵原料等を攪拌する攪拌器を設ける必要がない。これにより、メタン発酵装置の小型化を図ることができる。なお、本実施形態のバイオガス生成量の具体的な効用については、後述の実施例において実験データに基づいて説明する。
【0049】
また、第２発酵原料５から生じた消化液は、第１発酵原料４ｄと同様に、分離機構１３に設けられた孔１３０を通過して、第２収容部１２よりも下方に位置する第１収容部１１に流下する。第１収容部１１に流下した消化液は、第１発酵原料４ａとともに、又は第１発酵原料４ａの代わりに、原料排出口１１１を通過して第１収容部１１から排出され、第１接続配管２１内を流動して原料供給口１２１を通過し、第２収容部１２に供給される。
【0050】
すなわち、第１収容部１１において生成される消化液は、第１収容部１１よりも上層の第２収容部１２に供給された後、第１収容部１１に流下する。この場合、アルカリ廃水で浸漬されたリグノセルロース系バイオマス資源をさらに効率よくメタン発酵させることができる。これにより、ＶＳあたりのバイオガス生成量のさらなる向上を図ることができる。また、第１収容部１１において生成される消化液は、第２収容部１２に収容される第２発酵原料５及び第２発酵原料５の発酵による生成物との接触により、溶出したＮＰＫ成分をより多く含み得る。この場合、ＮＰＫ成分の含有量が向上し、より良質なバイオ液肥として活用することができる。これにより、液肥施用に伴う労力が省力化されるなど、液肥の有用性向上を図ることができる。なお、消化液を第２収容部１２に供給して循環させる場合のバイオガス生成量の具体的な効用については、後述の実施例において実験データに基づいて説明する。
【0051】
上述した各工程を実施し、本実施形態におけるメタン発酵装置１の動作は終了する。なお、メタン発酵装置１では、例えば上述した各工程を繰り返し実施してもよい。
【0052】
なお、メタン発酵装置１は、メタン生成菌の活動速度に対して各発酵原料４、５が過剰に存在する場合、すなわち有機物負荷が過剰である場合、メタン発酵に伴いメタン発酵槽１０内が酸性に偏り、メタン発酵の好適な中性環境又は弱アルカリ性環境（例えばｐＨが６．５～８．２の間）から酸性環境となる、いわゆる酸敗現象が生じるおそれがある。これは、メタン発酵の中間反応プロセスである有機酸生成プロセスに起因する。メタン発酵槽１０内が酸性環境（例えばｐＨが５以下）となる場合、メタン生成菌の活性が低下し、メタン発酵が阻害されるおそれがある。このため、メタン発酵装置１を動作する際、メタン発酵槽１０内のｐＨを測定し、必要に応じて図示しない供給口からアルカリ性のｐＨ調整剤をメタン発酵装置１に供給することで、メタン発酵槽１０内を、メタン発酵の好適な環境に保つように調整することが好ましい。
【0053】
ｐＨ調整剤としては、例えば石灰や水酸化カルシウム等が用いられる。ｐＨ調整剤を供給することにより、メタン発酵槽１０内は例えばｐＨ７～８程度の弱アルカリ性の環境に調整される。これにより、有機酸生成プロセスの速度が適度に抑制され、メタン発酵槽１０内をメタン発酵の好適な環境に保つことができる。
【0054】
ｐＨ調整剤の供給方法としては、例えば第１収容部１１への供給、第２収容部１２への供給、及び第１接続配管２１への供給の何れかの方法で実施される。
【0055】
第２収容部１２へｐＨ調整剤を供給する場合、ｐＨ調整剤は、例えば第２収容部１２に設けられる図示しない供給口を通過して、第２収容部１２に供給される。このとき、第２収容部１２中の乾式メタン発酵により生じた消化液が還元される。例えば、消化液中の酢酸が、ｐＨ調整剤中のカルシウム成分と反応して弱アルカリ性の酢酸カルシウムが生成される。これにより、メタン発酵槽１０内のｐＨが上昇し、メタン発酵の好適な環境に保たれやすい。
【0056】
第１収容部１１へｐＨ調整剤を供給する場合、ｐＨ調整剤は、例えば第１収容部１１に設けられる図示しない供給口を通過して第１収容部１１に供給される。このとき、第１収容部１１中の湿式メタン発酵により生じた消化液が還元される。これにより、メタン発酵槽１０内のｐＨが上昇し、メタン発酵の好適な環境に保たれやすい。
【0057】
第１接続配管２１へｐＨ調整剤を供給する場合、ｐＨ調整剤は、例えば第１接続配管２１に接続される図示しないｐＨ調整剤供給装置を介して第１接続配管２１に供給される。このとき、第１接続配管２１中を流動する消化液が還元される。これにより、メタン発酵槽１０内のｐＨが上昇し、メタン発酵の好適な環境に保たれやすい。また、ｐＨ調整剤は、例えば第１接続配管２１内を流動する第１発酵原料４と混合され、第１発酵原料４とともに第２収容部１２に供給されてもよい。このとき、第２収容部１２中の乾式メタン発酵により生じた消化液が還元される。
【0058】
また、第２発酵原料５は、アルカリ性を有するアルカリ廃水で浸漬されているため、後述のｐＨ調整剤を用いる量の低減を図ることができる。これにより、バイオマスエネルギーの生成コストの低減を図ることができる。
【0059】
なお、メタン発酵装置１の動作終了後に、第２収容部１２を大気開放し、第２収容部１２内に残った第２発酵原料５の発酵残さを曝気することで、当該発酵残さを堆肥として使用することができる。これにより、メタン発酵装置１から生じる廃棄物の減量化を図ることができる。
【0060】
本実施形態によれば、第１収容部１１に収容された第１発酵原料４を、予めアルカリ廃水で浸漬されたリグノセルロース系バイオマス資源の第２発酵原料５を収容する第２収容部１２に供給してメタン発酵させる原料供給工程Ｓ１１と、第２収容部１２に供給された第１発酵原料４のうち、少なくとも一部を第１収容部１１へ落下させることにより第２発酵原料５と分離する分離工程Ｓ１２と、を備える。このため、アルカリ廃水で浸漬されたリグノセルロース系バイオマス資源を効率よくメタン発酵させることができる。これにより、ＶＳあたりのバイオガス生成量の向上を図ることができる。また、メタン発酵を促進するために発酵原料等を攪拌する攪拌器を設ける必要がない。これにより、メタン発酵装置の小型化を図ることができる。
【0061】
本実施形態によれば、分離工程Ｓ１２のあと、発酵原料から生成した第１収容部１１内の消化液を、第２収容部１２に供給してメタン発酵させる。すなわち、第１収容部１１において生成される消化液は、第１収容部１１よりも上層の第２収容部１２に供給された後、第１収容部１１に流下する。このため、アルカリ廃水で浸漬されたリグノセルロース系バイオマス資源をさらに効率よくメタン発酵させることができる。これにより、ＶＳあたりのバイオガス生成量のさらなる向上を図ることができる。
【0062】
（第２実施形態：メタン発酵方法）
図４を参照して、本実施形態におけるメタン発酵方法に用いるメタン発酵装置１の一例を説明する。本実施形態は、メタン発酵装置１が気泡発生装置６をさらに備える点で、第１実施形態とは異なる。なお、上述の内容と同様の構成については、説明を省略する。
図４を参照して、本実施形態におけるメタン発酵方法に用いるメタン発酵装置１の一例を説明する。本実施形態は、メタン発酵装置１が気泡発生装置６をさらに備える点で、第１実施形態とは異なる。なお、上述の内容と同様の構成については、説明を省略する。
【0063】
メタン発酵装置１は、気泡発生装置６をさらに備える。
【0064】
＜気泡発生装置６＞
気泡発生装置６は、メタン発酵槽１０と接続される。気泡発生装置６は、例えば第１接続配管２１を介して、メタン発酵槽１０と接続される。
気泡発生装置６は、メタン発酵槽１０と接続される。気泡発生装置６は、例えば第１接続配管２１を介して、メタン発酵槽１０と接続される。
【0065】
気泡発生装置６は、少なくとも酸素を含む気体を流動体に吹き込むことにより、酸素ナノバブル水を生成する。気泡発生装置６は、例えば第１接続配管２１内を流動する流動体又に気泡を吹き込む。気泡発生装置６は、例えば第１接続配管２１内を流動する第１発酵原料４又は消化液に気泡を吹き込むことにより、酸素ナノバブル水（酸素ナノバブル含有第１発酵原料又は酸素ナノバブル含有消化液）を生成する。
【0066】
気泡発生装置６による酸素ナノバブル水の生成方法は、例えば酸素や空気等の気体を加圧して、第２発酵原料５又は消化液中に過飽和で溶解させ、急減圧により、液中にマイクロバブルとナノバブルを発生させ、マイクロバブル浮上分離後、ナノバブルのみ液中に残留させることにより実現し得る。ただし、酸素ナノバブル水は、ナノオーダー（１μｍ以下）の直径の酸素ガスの微細気泡を含有する水のことを指しており、ナノオーダーの酸素ガスの微細気泡に加え、マイクロオーダー（１～１００μｍ）の微細酸素ガスを含有するマイクロナノバブル水としてもよい。また、気泡発生装置６は、酸素ナノバブル又は空気ナノバブルの何れか一方或いはその両方を含む少なくともナノサイズの微細気泡として酸素を含有する酸素ナノバブル水を生成してもよい。酸素ナノバブル水の具体例としては、直径２００ｎｍ以下の気泡のうち平均直径５０ｎｍ～１００ｎｍの気泡が９割程度含まれ、気泡の濃度が２×１０８個／Ｌ～６×１０９個／Ｌである。
【0067】
酸素ナノバブル水の生成方式としては、例えば酸素気体と水を混合し、高速で旋回させることで酸素の気泡を作る「旋回流方式」、酸素気体に圧力をかけ、水中に溶け込ませて、一気に開放することで酸素の気泡を作る「加圧溶解方式」、オリフィス等の微細孔へ酸素気体に圧力をかけて通すことで酸素の気泡を作る「微細孔方式」、超音波でキャビテーションを起こして水中の酸素気体を膨張させて酸素の気泡を作る「超音波方式」、突起物が設けられた気液流路内において気体を旋回させ粉砕して気泡を作る「スタティックミキサー式」、気液流路内に急激な圧力変化を形成して気泡を作る「エゼクター式」又は「ベンチュリ―式」等が例示される。なお、酸素ナノバブル水の生成方式は、特に限定されるものではなく、マイクロオーダー（１～１００μｍ）の微細酸素ガスを含有するマイクロナノバブル水を生成できる手段であればよい。
【0068】
酸素をナノバブル状の微細な気泡とすることにより、通常の蒸留水よりもＴ１緩和時間（核磁化によって水の運動（核スピン）が活発になってから静かな状態に戻るまでの時間）の向上、すなわち運動性が高められ、メタン発酵槽１０に収容される物質の移動性が高まる。これにより、メタン発酵槽１０内において酸素ナノバブル水、各発酵原料４、５、消化液及びバイオガスが接触しやすくなり、メタン発酵がより促進され得る。
【0069】
次に、図５を参照して、本実施形態におけるメタン発酵装置１を用いたメタン発酵方法の一例を説明する。
【0070】
＜事前準備＞
事前準備として、例えば図５（ａ）に示すように、メタン発酵槽１０に接続された気泡発生装置６を予め起動し、第１接続配管２１１内を流動する流動体に気泡を吹き込めるように調整する。
事前準備として、例えば図５（ａ）に示すように、メタン発酵槽１０に接続された気泡発生装置６を予め起動し、第１接続配管２１１内を流動する流動体に気泡を吹き込めるように調整する。
【0071】
＜原料供給工程Ｓ１１＞
原料供給工程Ｓ１１において、メタン発酵装置１は、例えば図５（ｂ）に示すように、送水ポンプ２１１を動作させて第１収容部１１から第１発酵原料４を排出する（第１発酵原料４ｂ）。第１発酵原料４ｂは、原料排出口１１１を通過して第１収容部１１から排出された後、第１接続配管２１内を流動して、第１接続配管２１に接続された気泡発生装置６により、少なくとも酸素を含む気体を吹き込む。その結果、第１発酵原料４ｂから第１発酵原料４ｂ’が生成される。ここで、第１発酵原料４ｂ’は、例えば酸素ナノバブル水である。
原料供給工程Ｓ１１において、メタン発酵装置１は、例えば図５（ｂ）に示すように、送水ポンプ２１１を動作させて第１収容部１１から第１発酵原料４を排出する（第１発酵原料４ｂ）。第１発酵原料４ｂは、原料排出口１１１を通過して第１収容部１１から排出された後、第１接続配管２１内を流動して、第１接続配管２１に接続された気泡発生装置６により、少なくとも酸素を含む気体を吹き込む。その結果、第１発酵原料４ｂから第１発酵原料４ｂ’が生成される。ここで、第１発酵原料４ｂ’は、例えば酸素ナノバブル水である。
【0072】
第１発酵原料４ｂ’は、原料供給口１２１を通過し、第２収容部１２に供給される。第１発酵原料４ｂ’は、例えば第２収容部１２に収容される第２発酵原料５の上方から、第２発酵原料５に接触するように供給される。ここで、第２収容部１２に供給される第１発酵原料４を第１発酵原料４ｃ’とする。第１発酵原料４ｃ’は、例えば第１発酵原料４ｂ’と同様の酸素ナノバブル水である。
【0073】
第１発酵原料４ｃ’と接触した第２発酵原料５は、メタン生成菌の作用によりメタン発酵が促進される。その結果、第２発酵原料５が乾式メタン発酵され、第２収容部１２内においてバイオガス及び消化液が発生する。第２発酵原料５から生じたバイオガスは、ガス排出口１２２を通過し、第２接続配管２２を流動してバイオガス採集タンク３に収容される。
【0074】
第１発酵原料４ｃ’は、例えば図５（ｃ）に示すように、少なくとも一部が、分離機構１３に設けられた孔１３０を通過して、第２収容部１２よりも下層に設けられた第１収容部１１に落下する。ここで、第２収容部１２から孔１３０を通過して第１収容部１１に落下する第１発酵原料４を第１発酵原料４ｄ’とする。第１発酵原料４ｄ’は、例えば第１発酵原料４ｂ’と同様の酸素ナノバブル水である。また、第２発酵原料５から生じた消化液は、第１発酵原料４ｄ’と同様に、分離機構１３に設けられた孔１３０を通過して、第２収容部１２よりも下層に設けられた第１収容部１１に落下する。第１収容部１１に落下した消化液は、第１発酵原料４ａとともに、又は第１発酵原料４ａの代わりに、原料排出口１１１を通過して第１収容部１１から排出され、第１接続配管２１内を流動して、第１接続配管２１に接続された気泡発生装置６により、少なくとも酸素を含む気体を吹き込む。その結果、消化液から酸素ナノバブル含有消化液が生成される。生成された酸素ナノバブル含有消化液は、原料供給口１２１を通過し、第２収容部１２に供給される。
【0075】
すなわち、少なくとも酸素を含む気体を第１発酵原料４に吹き込むことにより、酸素ナノバブル水を生成する気泡発生装置をさらに備え、第２収容部１２は、酸素ナノバブル水が供給される。この場合、メタン生成菌が活性化し、メタン生成量の向上により、メタン濃度が純化された、発熱量の高いバイオガスをさらに生成することができる。これにより、バイオガスのさらなる有用性向上を図ることができる。酸素ナノバブル水の効用については、後述の実験において実験データに基づいて述べる。
【0076】
なお、本実施形態においては、気泡発生装置６を用いて、第２収容部１２に供給される第１発酵原料４から酸素ナノバブル水を生成し、第２収容部１２に供給する例を説明したが、これに限定されない。気泡発生装置６は、例えば第１収容部１１又は第２収容部１２に供給されるｐＨ調整剤に、少なくとも酸素を含む気体を吹き込むことにより酸素ナノバブル水を生成し、第１収容部１１又は第２収容部１２に供給してもよい。
【0077】
また、予め酸素ナノバブル水に浸漬させた第２発酵原料５を用いる方法によっても、同様にメタン生成量が向上する効果を奏することができる。この場合も同様に、メタン生成菌が活性化し、メタン濃度が純化された発熱量の高いバイオガスをさらに生成することができる。これにより、バイオガスの有用性向上を図ることができる。
【0078】
また、気泡発生装置６は、例えば第２収容部１２に供給される消化液に、少なくとも酸素を含む気体を吹き込むことにより酸素ナノバブル水を生成し、第２収容部１２に供給してもよい。この場合、メタン生成菌が活性化し、メタン生成量の向上により、メタン濃度が純化された、発熱量の高いバイオガスをさらに生成することができる。これにより、バイオガスの有用性向上を図ることができる。
【0079】
本実施形態によれば、原料供給工程Ｓ１１は、少なくとも酸素を含む気体を吹き込んだ第１発酵原料４’を第２収容部１２に供給する。このため、メタン生成菌が活性化し、メタン生成量の向上により、メタン濃度が純化された、発熱量の高いバイオガスをさらに生成することができる。これにより、バイオガスの有用性向上を図ることができる。
【0080】
本実施形態によれば、少なくとも酸素を含む気体を吹き込んだ消化液を第２収容部１２に供給する。このため、メタン生成菌が活性化し、メタン生成量の向上により、メタン濃度が純化された、発熱量の高いバイオガスをさらに生成することができる。これにより、バイオガスの有用性向上を図ることができる。
【0081】
（第３実施形態：メタン発酵方法）
図６～図７を参照して、本実施形態におけるメタン発酵方法の一例を説明する。本実施形態は、メタン発酵方法が原料浸漬工程Ｓ１３をさらに有する点で、第１実施形態とは異なる。なお、上述の内容と同様の構成については、説明を省略する。
図６～図７を参照して、本実施形態におけるメタン発酵方法の一例を説明する。本実施形態は、メタン発酵方法が原料浸漬工程Ｓ１３をさらに有する点で、第１実施形態とは異なる。なお、上述の内容と同様の構成については、説明を省略する。
【0082】
メタン発酵装置１の動作は、例えば図６に示すように、原料浸漬工程Ｓ１３をさらに備える。原料浸漬工程Ｓ１３は、原料供給工程Ｓ１１の前に実施される。原料浸漬工程Ｓ１３において、メタン発酵装置１は、例えば原料供給工程Ｓ１１において第２収容部１２に第１発酵原料４を供給する方法と同様の方法により、第２収容部１２にアルカリ廃水７を供給する。
【0083】
＜事前準備＞
事前準備として、例えば図７（ａ）に示すように、第１収容部１１にアルカリ廃水７を収容し、第２収容部１２に、アルカリ廃水７で浸漬する前の第２発酵原料５’を収容する。すなわち、第２収容部１２を、第２発酵原料５’を浸漬するための浸漬部１２’として用いる。ここで、第１収容部１１に収容されるアルカリ廃水７を第１発酵原料７ａとする。
事前準備として、例えば図７（ａ）に示すように、第１収容部１１にアルカリ廃水７を収容し、第２収容部１２に、アルカリ廃水７で浸漬する前の第２発酵原料５’を収容する。すなわち、第２収容部１２を、第２発酵原料５’を浸漬するための浸漬部１２’として用いる。ここで、第１収容部１１に収容されるアルカリ廃水７を第１発酵原料７ａとする。
【0084】
＜アルカリ廃水７＞
アルカリ廃水７は、第１収容部１１に予め収容される。アルカリ廃水７は、セメント、モルタル、コンクリート等の洗浄を行う際に発生する洗浄廃水が用いられる。また、アルカリ廃水７の回収方法としては、例えば沈殿槽から耐薬品性を有する１トン用のポリタンクに取り分けて、浸漬に用いる量だけ、アルカリ耐久性チューブを用いて第１収容部１１に投入する。
アルカリ廃水７は、第１収容部１１に予め収容される。アルカリ廃水７は、セメント、モルタル、コンクリート等の洗浄を行う際に発生する洗浄廃水が用いられる。また、アルカリ廃水７の回収方法としては、例えば沈殿槽から耐薬品性を有する１トン用のポリタンクに取り分けて、浸漬に用いる量だけ、アルカリ耐久性チューブを用いて第１収容部１１に投入する。
【0085】
＜第２発酵原料５’＞
第２発酵原料５’は、アルカリ廃水７で浸漬されていない状態で、第２収容部１２に予め収容される。第２発酵原料５’は、第２収容部１２内においてアルカリ廃水７で浸漬されることで、アルカリ廃水７で浸漬された第２発酵原料５となる。第２発酵原料５’は、例えばリグノセルロース系バイオマス資源のうち、ＴＳ濃度（固形物濃度）が１５％以上の固形体が用いられ、例えば籾殻が用いられる。
第２発酵原料５’は、アルカリ廃水７で浸漬されていない状態で、第２収容部１２に予め収容される。第２発酵原料５’は、第２収容部１２内においてアルカリ廃水７で浸漬されることで、アルカリ廃水７で浸漬された第２発酵原料５となる。第２発酵原料５’は、例えばリグノセルロース系バイオマス資源のうち、ＴＳ濃度（固形物濃度）が１５％以上の固形体が用いられ、例えば籾殻が用いられる。
【0086】
＜原料浸漬工程Ｓ１３＞
原料浸漬工程Ｓ１３において、メタン発酵装置１は、例えば図７（ｂ）に示すように、送水ポンプ２１１を動作させてアルカリ廃水７を第１収容部１１から排出する。ここで、第１収容部１１から排出されるアルカリ廃水７をアルカリ廃水７ｂとする。アルカリ廃水７ｂは、原料排出口１１１を通過して第１収容部１１から排出された後、第１接続配管２１内を流動して原料供給口１２１を通過し、第２収容部１２に供給される。アルカリ廃水７ｂは、例えば第２収容部１２に収容される第２発酵原料５’の上方から、第２発酵原料５’に接触するように供給される。ここで、第２収容部１２に供給されるアルカリ廃水７をアルカリ廃水７ｃとする。
原料浸漬工程Ｓ１３において、メタン発酵装置１は、例えば図７（ｂ）に示すように、送水ポンプ２１１を動作させてアルカリ廃水７を第１収容部１１から排出する。ここで、第１収容部１１から排出されるアルカリ廃水７をアルカリ廃水７ｂとする。アルカリ廃水７ｂは、原料排出口１１１を通過して第１収容部１１から排出された後、第１接続配管２１内を流動して原料供給口１２１を通過し、第２収容部１２に供給される。アルカリ廃水７ｂは、例えば第２収容部１２に収容される第２発酵原料５’の上方から、第２発酵原料５’に接触するように供給される。ここで、第２収容部１２に供給されるアルカリ廃水７をアルカリ廃水７ｃとする。
【0087】
アルカリ廃水７ｃと接触した第２発酵原料５’は、アルカリ廃水７ｃの一部が浸透する。メタン発酵装置１は、例えば図７（ｃ）に示すように、アルカリ廃水７ｃの少なくとも一部を、分離機構１３に設けられた孔１３０を通過させて、第２収容部１２よりも下層に設けられた第１収容部１１に落下させる。ここで、第２収容部１２から孔１３０を通過して第１収容部１１に落下するアルカリ廃水７をアルカリ廃水７ｄとする。第１収容部１１に流下したアルカリ廃水７ｄは、アルカリ廃水７ａとともに、又はアルカリ廃水７ａの代わりに、原料排出口１１１を通過して第１収容部１１から排出され、第１接続配管２１内を流動して原料供給口１２１を通過し、第２収容部１２に供給される。
【0088】
上述のとおりアルカリ廃水７の循環を繰り返すことにより、第２発酵原料５’はアルカリ廃水７で浸漬され、第２発酵原料５となる。その後、原料浸漬工程Ｓ１３で浸漬された第２発酵原料５を収容する第２収容部１２に、第１収容部１１に収容された第１発酵原料４を供給してメタン発酵させる原料供給工程Ｓ１１を実施し、さらに、第２収容部１２に供給された第１発酵原料４のうち、少なくとも一部を第１収容部１１へ落下させることにより第２発酵原料５と分離する分離工程Ｓ１２を実施する。この場合、アルカリ廃水７で浸漬されたリグノセルロース系バイオマス資源を効率よくメタン発酵させることができる。これにより、ＶＳあたりのバイオガス生成量の向上を図ることができる。また、第２収容部１２において、第２発酵原料５’をアルカリ廃水７で浸漬させてメタン発酵するため、メタン発酵槽１０とは別の前処理容器が不要となる。このため、メタン発酵装置１の小型化を図ることができる。
【0089】
また、原料浸漬工程Ｓ１３において、浸漬前の第２発酵原料５’を、上述の気泡発生装置６により少なくとも酸素を含む気体を吹き込んだアルカリ廃水７で浸漬してもよい。この場合、メタン生成菌が活性化し、メタン生成量の向上により、メタン濃度が純化された、発熱量の高いバイオガスをさらに生成することができる。これにより、バイオガスの有用性向上を図ることができる。
【0090】
なお、後述の実施例においては、基質ごとのアルカリ廃水７の浸漬時間を調整するために浸漬後の原料をアルカリ廃水７から取り出す例を説明しているが、これに限定されない。例えば、原料浸漬工程Ｓ１３終了後は、アルカリ廃水７を、原料排出口１１１を通過してメタン発酵槽１０から排出してもよく、排出せずにメタン発酵のｐＨ調整剤としてそのまま使用してもよい。
【0091】
本実施形態によれば、第２収容部１２に収容されたリグノセルロース系バイオマス資源の第２発酵原料５’をアルカリ廃水７で浸漬する原料浸漬工程Ｓ１３と、原料浸漬工程Ｓ１３で浸漬された第２発酵原料５を収容する第２収容部１２に、第１収容部１１に収容された第１発酵原料４を供給してメタン発酵させる原料供給工程Ｓ１１と、第２収容部１２に供給された第１発酵原料４のうち、少なくとも一部を第１収容部１１へ落下させることにより第２発酵原料５と分離する分離工程Ｓ１２と、を備える。このため、アルカリ廃水７で浸漬されたリグノセルロース系バイオマス資源を効率よくメタン発酵させることができる。これにより、ＶＳあたりのバイオガス生成量の向上を図ることができる。また、第２収容部１２において、第２発酵原料５をアルカリ廃水７で浸漬させてメタン発酵するため、メタン発酵槽１０とは別の前処理容器が不要となる。このため、メタン発酵装置１の小型化を図ることができる。
【0092】
本実施形態によれば、原料浸漬工程Ｓ１３は、第２発酵原料５’を、少なくとも酸素を含む気体を吹き込んだアルカリ廃水７で浸漬する。このため、メタン生成菌が活性化し、メタン生成量の向上により、メタン濃度が純化された、発熱量の高いバイオガスをさらに生成することができる。これにより、バイオガスの有用性向上を図ることができる。
【実施例0093】
以下に、上述した実施形態のメタン発酵装置１を用いた場合のメタン発酵方法の効果に関する実験結果を説明する。
【0094】
＜実施例１：浸漬方法ごとのバイオガス生成量の比較＞
本実験では、投入したＶＳ（有機物濃度）１ｇあたりバイオガス生成量（ｍＬ／ｇ－ＶＳ）を、第２発酵原料５’の浸漬方法ごとに比較することにより、バイオガス生成量が多い好適な浸漬方法を確認した。浸漬方法としては、浸漬用水（浸漬に用いる液体）を複数用意し、それぞれ第２発酵原料５を浸漬した。浸漬用水としては、アルカリ廃水７と、水道水と、アルカリ水と、を用いた。第２発酵原料５’としては、未粉砕の籾殻と、ミキサーにより粉砕した籾殻と、を用いた。また、気泡発生装置６を用いて浸漬用水に空気を吹き込んで空気ナノバブルを生成する場合のバイオガス生成量についても確認した。
本実験では、投入したＶＳ（有機物濃度）１ｇあたりバイオガス生成量（ｍＬ／ｇ－ＶＳ）を、第２発酵原料５’の浸漬方法ごとに比較することにより、バイオガス生成量が多い好適な浸漬方法を確認した。浸漬方法としては、浸漬用水（浸漬に用いる液体）を複数用意し、それぞれ第２発酵原料５を浸漬した。浸漬用水としては、アルカリ廃水７と、水道水と、アルカリ水と、を用いた。第２発酵原料５’としては、未粉砕の籾殻と、ミキサーにより粉砕した籾殻と、を用いた。また、気泡発生装置６を用いて浸漬用水に空気を吹き込んで空気ナノバブルを生成する場合のバイオガス生成量についても確認した。
【0095】
未粉砕の籾殻を用いる場合の第２発酵原料５については、空気ナノバブルを生成したアルカリ廃水７で２４時間浸漬した未粉砕の籾殻の第２発酵原料５を示す「pretreated URH-AHMCAW（Uncrushed Rice Husk Air-High Mobility Cement Alkaline Wastewater）」、空気ナノバブルを生成したアルカリ水（０．１％水酸化カルシウム溶液）で２４時間浸漬した未粉砕の籾殻の第２発酵原料５を示す「pretreated URH-AHMAW（Uncrushed Rice Husk Air-High Mobility Alkaline Water）」、空気ナノバブルを生成した水道水で２４時間浸漬した未粉砕の籾殻の第２発酵原料５を示す「pretreated URH-AHMTW（Uncrushed Rice Husk Air-High Mobility Tap Water）」、アルカリ廃水７で２４時間浸漬した未粉砕の籾殻の第２発酵原料５を示す「pretreated URH-CAW（Uncrushed Rice Husk Cement Alkaline Wastewater）」、アルカリ水で２４時間浸漬した未粉砕の籾殻の第２発酵原料５を示す「pretreated URH-AW（Uncrushed Rice Husk Alkaline Water）」、水道水で２４時間浸漬した未粉砕の籾殻の第２発酵原料５を示す「pretreated URH-TW（Uncrushed Rice Husk Tap Water）」、以上を用いた。
【0096】
アルカリ廃水７としては、使用後のコンクリートミキサー内の洗浄廃水を、集水槽、濾過槽、及び沈殿槽を通過させた後で、中和槽を通過する前の廃水を用いた。
【0097】
本実験で用いるアルカリ廃水７をイオンクロマトグラフィーにより調べたところ、アルカリ廃水７中の微量元素組成は、Ｔｉが３７．８７ｍｇ／Ｌ、Ｓｒが１．２１ｍｇ／Ｌ、Ｌｉが０．３１ｍｇ／Ｌ、Ａｌが０．２６ｍｇ／Ｌ、Ｃｒが０．０２ｍｇ／Ｌであった。なお、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｐｂは、検出限界以下であった。このうち、Ｔｉ、Ｓｒ、Ｌｉは、メタン発酵に用いる従来のアルカリ水には含まれない成分と考えられる。「Combinations of alkaline hydrogen peroxide and lithium chloride/N,N-dimethylacetamide pretreatments of corn stalk for improved biomethanation, Environmental Research Volume 186, July 2020, 109563」に記載のAliら（2020）の研究では、ＬｉＣｌをリグノセルロースの前処理に使用することで、リグニン分解力が高くなり、その基質でメタン発酵を行うと、メタン生産が改善されたと報告されている。このことから、前処理されたリグノセルロース系バイオマスを用いる場合、メタン発酵の初期段階において微生物や酵素の成長が促進され、加水分解速度や酸分解生成速度が促進されたと考える。このため、Ｌｉ成分を含むアルカリ廃水７が、バイオガス生産量向上、メタンガス生成速度向上及びメタン濃度の向上に寄与しているものと考えられる。
【0098】
また、本実験で用いるアルカリ廃水７中の主なイオン成分は、Ｎａ+が０．００２～０．００３％、Ｋ+が０．００２～０．０１％、Ｃａ2+が０．０５～０．２％、Ｃｌ-が０．００１％、ＳＯ４2-が０．０３～０．１％であった。
【0099】
アルカリ水としては、市販の９９．９％水酸化カルシウム試薬を調製して０．１％水酸化カルシウム溶液を用いた。
【0100】
具体的な浸漬方法としては、メタン発酵装置１とは別の浸漬容器に、籾殻と浸漬用水との重量比が１：１とになるように投入し、容器のふたを閉めた。その後、浸漬温度３５℃にセットしたインキュベーターに置き、浸漬時間２４ｈの間放置した。浸漬時間経過後、浸漬容器内の液体を別の容器に取り出し、浸漬容器内の籾殻を浸漬後の第２発酵原料５として用いた。
【0101】
メタン発酵の条件は、ＴＳ濃度１５％程度、発酵温度３５℃、発酵期間５５日間とした。また、メタン発酵槽１０内がｐＨ７～８となるように、アルカリ廃水７を投入して調整した。また、浸漬後の第２発酵原料５と、鶏ふんと、消化汚泥（種菌）と、の重量比を３：１：０．８で調整した。なお、本実験で用いる鶏ふんとしては、第２発酵原料５を基質とした場合のバイオガス生成量を計測するために、約２か月間室温で放置し、自然分解によりＴＳ（固形物濃度）とＶＳ（有機物濃度）と、Ｃ／Ｎ比とを極力低下させものを使用した。
【0102】
気泡発生装置６としては、ｐＨ１０以上のアルカリ廃水７に対応可能な公知のナノバブル発生装置を用いた。気泡発生装置６で液体に空気を吹き込むことにより、ナノバブル水を生成した。
【0103】
【0104】
未粉砕の籾殻と、各浸漬用水とを組み合わせた基質（Substrates）ごとのバイオガス生成量（Cumulative biogas production）は、図８のとおりである。また、図８に関して、メタン発酵５５日後のＶＳ１ｇあたりバイオガス生成量の具体的な数値を［表１］に示す。
【0105】
【表1】
【0106】
本実験によれば、空気ナノバブルが生成された浸漬用水で浸漬した基質である「pretreated URH-AHMCAW（本発明例１）」、「pretreated URH-AHMAW（比較例１）」、及び「pretreated URH-AHMTW（比較例２）」のバイオガス生成量の方が、空気ナノバブルを含まない浸漬用水で浸漬した基質である「pretreated URH-CAW（本発明例２）」、「pretreated URH-AW（比較例３）」及び「pretreated URH-TW（比較例４）」のバイオガス生成量よりも多い傾向にあった。空気ナノバブルを含む浸漬用水で浸漬した基質においては、アルカリ廃水７で浸漬した本発明例１の基質の方が、アルカリ水で浸漬した比較例１、及び水道水で浸漬した比較例２の基質よりも、バイオガス生成量が多い傾向にあった。また、空気ナノバブルを含まない浸漬用水で浸漬した基質においては、アルカリ廃水７で浸漬した本発明例２の基質の方が、アルカリ水で浸漬した比較例３、及び水道水で浸漬した比較例４の基質よりも、バイオガス生成量が多い傾向にあった。
【0107】
また、本実験によれば、メタン発酵５５日後のＶＳ１ｇあたりバイオガス生成量は、本発明例１が９９ｍＬ、比較例１が８３ｍＬ、比較例２が７７ｍＬであった。すなわち、ＶＳ１ｇあたりのバイオガス生成量は、空気ナノバブルを含むアルカリ廃水７で浸漬した第２発酵原料５を用いる場合、空気ナノバブルを含むアルカリ水で浸漬した第２発酵原料５を用いる場合と比べて約１９％増加し、空気ナノバブルを含む水道水で浸漬した第２発酵原料５を用いる場合と比べて約２９％増加する。
【0108】
また、本実験によれば、メタン発酵５５日後のＶＳ１ｇあたりのバイオガス生成量は、本発明例２が７５ｍＬ、比較例３が７３ｍＬ、比較例４が６８ｍＬであった。すなわち、ＶＳ１ｇあたりのバイオガス生成量は、アルカリ廃水７で浸漬した第２発酵原料５を用いる場合、気泡発生装置６により空気を吹き込まなくとも、アルカリ水で浸漬した第２発酵原料５を用いる場合と比べて約３％増加し、水道水で浸漬した第２発酵原料５を用いる場合と比べて約１０％増加する。また、気泡発生装置６により空気を吹き込んだアルカリ廃水７で浸漬した第２発酵原料５を用いる場合、空気を吹き込まないアルカリ廃水７で浸漬した第２発酵原料５を用いる場合と比べて約３２％増加する。
【0109】
粉砕後の籾殻と、各浸漬用水とを組み合わせた基質（Substrates）ごとのバイオガス生成量（Cumulative biogas production）は、図９のとおりである。また、図９に関して、メタン発酵５５日後のＶＳ１ｇあたりバイオガス生成量の具体的な数値を［表２］に示す。なお、「increase rate（増加率）」とは、［表１］において未粉砕の原料を同様の浸漬方法で浸漬した基質を用いた場合のバイオガス生成量に対する、本実施例のバイオガス生成量の増加率を示している。
【0110】
【表2】
【0111】
本実験によれば、バイオガス生成量が最も多い基質は、空気ナノバブルを含むアルカリ廃水７で浸漬した「pretreated CRH-AHMCAW（本発明例３）」であった。未粉砕の籾殻の場合と異なり、空気ナノバブルを含む「pretreated CRH-AHMAW（比較例５）」及び「pretreated CRH-AHMTW（比較例６）」と、空気ナノバブルを含まない「pretreated CRH-CAW（本発明例４）」、「pretreated CRH-AW（比較例７）」及び「pretreated CRH-TW（比較例８）」と、のバイオガス生成量が同程度であった。
【0112】
また、本実験によれば、メタン発酵５５日後のＶＳ１ｇあたりのバイオガス生成量は、本発明例３が１０２ｍＬ、比較例５が８８ｍＬ、比較例６が８８ｍＬ、本発明例４が８６ｍＬ、比較例７が８５ｍＬ、比較例８が９０ｍＬであった。何れにおいても、未粉砕の第２発酵原料５を用いる場合と比べてバイオガス生成量が増加した。しかしながら、粉砕後の第２発酵原料５を用いた比較例５～８のバイオガス生成量は、未粉砕の第２発酵原料５を用いた本発明例１のバイオガス生成量よりも低い値であった。ここで、未粉砕の籾殻を基質とする本発明例１は、粉砕後の籾殻を基質とする比較例５、比較例６、本発明例４、比較例７。及び比較例８よりもバイオガス生成量が多い。すなわち、空気ナノバブルを含むアルカリ廃水７で浸漬することで、第２発酵原料５を粉砕することを要しない。このため、第２発酵原料５を粉砕するための粉砕機を用いる必要がない。これにより、メタン発酵装置１の小型化を図ることができる。
【0113】
以上の実験結果によれば、本発明は、アルカリ廃水７で浸漬されたリグノセルロース系バイオマス資源を効率よくメタン発酵させることができ、ＶＳあたりのバイオガス生成量の向上を図ることができる。
【0114】
＜実施例２：消化液を循環させる場合の浸漬方法ごとのバイオガス生成量の比較＞
次に、実施例１と同様の基質のうち未粉砕の基質を用いて、メタン発酵により生じた消化液を第１収容部１１と第２収容部１２との間で循環させる場合について、投入したＶＳ１ｇあたりバイオガス生成量（ｍＬ／ｇ－ＶＳ）を測定し、実施例１と比較した。
次に、実施例１と同様の基質のうち未粉砕の基質を用いて、メタン発酵により生じた消化液を第１収容部１１と第２収容部１２との間で循環させる場合について、投入したＶＳ１ｇあたりバイオガス生成量（ｍＬ／ｇ－ＶＳ）を測定し、実施例１と比較した。
【0115】
浸漬方法としては、メタン発酵装置１に備わる第２収容部１２に、籾殻と浸漬用水との重量比が１：１とになるように投入した。その後、浸漬温度３５℃となるようにメタン発酵槽１０内の温度を調整し、籾殻投入から１２時間後に、第２収容部１２から分離機構１３を介して第１収容部１１に落下した浸漬用水を含む、第１収容部１１内の液体の約８割を、第２収容部１２に圧送し、さらに１２時間放置した。すなわち、浸漬時間は実施例１と同様に２４時間とした。また、第２発酵原料５について、浸漬用水で浸漬しない未粉砕の籾殻の第２発酵原料５を示す「Untreated URH（Uncrushed Rice Husk）」を追加した。その他の条件は、実施例１と同様とした。
【0116】
本実験の結果として、メタン発酵５５日後のＶＳ１ｇあたりバイオガス生成量の具体的な数値を［表３］に示す。なお、「increase rate（増加率）」とは、実施例１において同様の基質を用いた場合のバイオガス生成量に対する本実施例のバイオガス生成量の増加率を示している。
【0117】
【表3】
【0118】
本実験によれば、メタン発酵５５日後のＶＳ１ｇあたりバイオガス生成量は、本発明例５が１２３ｍＬであった。これは、第２発酵原料５を浸漬しない比較例１３のバイオガス生成量と比較して約８４％の増加に相当する。また、ＶＳ１ｇあたりのバイオガス生成量は、空気ナノバブルを含むアルカリ廃水７で浸漬した第２発酵原料５について消化液を循環させて発酵させる場合（本発明例５）、空気ナノバブルを含むアルカリ廃水７で浸漬した第２発酵原料５について消化液を循環させずに発酵させる場合（本発明例１）と比べて約２４．２％増加した。また、アルカリ廃水７で浸漬した第２発酵原料５について消化液を循環させて発酵させる場合（本発明例６）、アルカリ廃水７で浸漬した第２発酵原料５について消化液を循環させずに発酵させる場合（本発明例２）と比べて約２０．０％増加した。同様に、アルカリ廃水７以外の浸漬用水で浸漬した第２発酵原料５について消化液を循環させて発酵させる比較例９～１３についても、消化液を循環させずに発酵させる比較例１～４と比べてバイオガス生成量が増加した。
【0119】
また、本実験の結果として、生成したバイオガス中のメタンガス濃度について、メタン発酵日数別の推移に関する具体的な数値を［表４］に示す。
【0120】
【表4】
【0121】
本実験によれば、本発明例５のメタンガス濃度は、Ｄａｙ１５時点で８０％超まで濃縮されており、比較例９～１３及び本発明例６よりも高い濃度を維持している。また、本発明例６のメタンガス濃度は、Ｄａｙ２５時点で約８０％まで濃縮されており、比較例１１～１３よりも高い濃度を維持している。すなわち、空気ナノバブルを含むアルカリ廃水７で浸漬した第２発酵原料５を用いる場合（本発明例５）、メタンガス濃度は、空気ナノバブルを含むアルカリ水で浸漬した第２発酵原料５を用いる場合（比較例９）、空気ナノバブルを含む水道水で浸漬した第２発酵原料５を用いる場合（比較例１０）、空気ナノバブルを含まない浸漬用水で浸漬した第２発酵原料５を用いる場合（本発明例６、比較例１１～１２）、及び浸漬用水で浸漬しない第２発酵原料５を用いる場合（比較例１３）と比べて高い傾向にあることがわかった。また、空気ナノバブルを含まない場合においても同様に、アルカリ廃水７で浸漬した第２発酵原料５を用いる場合（本発明例６）、メタンガス濃度は、アルカリ水で浸漬した第２発酵原料５を用いる場合（比較例１１）、水道水で浸漬した第２発酵原料５を用いる場合（比較例１２）及び浸漬用水で浸漬しない第２発酵原料５を用いる場合（比較例１３）と比べて高い傾向にあることがわかった。
【0122】
以上の実験結果によれば、本発明は、アルカリ廃水７で浸漬されたリグノセルロース系バイオマス資源をさらに効率よくメタン発酵させることができ、ＶＳあたりのバイオガス生成量のさらなる向上を図ることができる。また、メタンガス濃度が高められ、バイオガスの有用性向上を図ることができる。
【0123】
＜実施例３：浸漬方法ごとの加水分解速度の比較＞
次に、実施例１と同様の基質のうち未粉砕の基質を用いて、メタン発酵の発酵速度を測定し、基質ごとに比較した。実験条件は、実施例１と同様とした。
次に、実施例１と同様の基質のうち未粉砕の基質を用いて、メタン発酵の発酵速度を測定し、基質ごとに比較した。実験条件は、実施例１と同様とした。
【0124】
メタン発酵速度の評価方法としては、メタン発酵２日後と７日後とで、「Soluble carbohydrates（可溶性炭水化物）」と「Volatile Fatty Acid（揮発性有機酸）」の生成量を測定した結果に基づき、メタン発酵の工程のうち加水分解の速度と酸生成工程の速度とを比較した。可溶性炭水化物についてはフェノール硫酸法に従い分光光度計を用いて測定し、揮発性有機酸についてはＧＣ／ＦＩＤ（ガスクロマトグラフィー）で測定し、測定結果を炭素ベースに換算した。なお、可溶性炭水化物は、浸漬させた籾殻をメタン発酵の炭素源として基質に用いる場合に、加水分解速度が速いほど、短期間で多量に溶出する。また、揮発性有機酸は、可溶性炭水化物が酸生成工程を経て分解された酢酸であり、発酵が進むほど多量に生成される。
【0125】
本実験の結果として、メタン発酵２日後と７日後の可溶性炭水化物生成量及び揮発性有機酸生成量の具体的な数値を［表５］に示す。
【0126】
【表5】
【0127】
本実験によれば、本発明例７の可溶性炭水化物生成量及び揮発性有機酸生成量は、Ｄａｙ２において比較例１４及び比較例１５よりも高い。また、本発明例８の可溶性炭水化物生成量及び揮発性有機酸生成量は、Ｄａｙ２において比較例１６及び比較例１７よりも高い。すなわち、空気ナノバブルを含むアルカリ廃水７で浸漬した第２発酵原料５を用いる場合（本発明例７）、メタン発酵速度は、空気ナノバブルを含むアルカリ水で浸漬した第２発酵原料５を用いる場合（比較例１４）、空気ナノバブルを含む水道水で浸漬した第２発酵原料５を用いる場合（比較例１５）、空気ナノバブルを含まない浸漬用水で浸漬した第２発酵原料５を用いる場合（本発明例８、比較例１６）、及び浸漬用水で浸漬しない第２発酵原料５を用いる場合（比較例１７）と比べて高い傾向にあることがわかった。また、空気ナノバブルを含まない場合においても同様に、アルカリ廃水７で浸漬した第２発酵原料５を用いる場合（本発明例８）、メタン発酵速度は、水道水で浸漬した第２発酵原料５を用いる場合（比較例１６）及び浸漬用水で浸漬しない第２発酵原料５を用いる場合（比較例１７）と比べて高い傾向にあることがわかった。
【0128】
以上の実験結果によれば、本発明は、アルカリ廃水７で浸漬されたリグノセルロース系バイオマス資源をメタン発酵させることにより、短期間でより多くのバイオガスを生成することができる。これにより、バイオガスの生成効率の向上を図ることができる。
【0129】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0130】
１ メタン発酵装置
１０ メタン発酵槽
１１ 第１収容部
１１１ 消化液排出口
１１２ バイオガス供給口
１２ 第２収容部
１２１ 消化液供給口
１２２ バイオガス排出口
１３ 分離機構
１３０ 孔
２１ 第１接続配管
２１１ 送水ポンプ
２２ 第２接続配管
３ バイオガス採集タンク
４ 第１発酵原料
５ 第２発酵原料
６ 気泡発生装置
Ｓ１１ 原料供給工程
Ｓ１２ 分離工程
Ｓ１３ 原料浸漬工程
１０ メタン発酵槽
１１ 第１収容部
１１１ 消化液排出口
１１２ バイオガス供給口
１２ 第２収容部
１２１ 消化液供給口
１２２ バイオガス排出口
１３ 分離機構
１３０ 孔
２１ 第１接続配管
２１１ 送水ポンプ
２２ 第２接続配管
３ バイオガス採集タンク
４ 第１発酵原料
５ 第２発酵原料
６ 気泡発生装置
Ｓ１１ 原料供給工程
Ｓ１２ 分離工程
Ｓ１３ 原料浸漬工程
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】