特開 2024-86396 メタンの製造方法及びメタンの製造装置

(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】P2024086396

(43)【公開日】2024-06-27

(54)【発明の名称】メタンの製造方法及びメタンの製造装置

(51)【国際特許分類】

   C12P 5/02 20060101AFI20240620BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20240620BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20240620BHJP

   C12M 1/107 20060101ALI20240620BHJP

   C02F 11/04 20060101ALI20240620BHJP

   C10L 3/10 20060101ALI20240620BHJP

【ＦＩ】

C12P5/02

C25B1/04 ZAB

C25B9/00 A

C12M1/107

C02F11/04 A

C10L3/10

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022201503

(22)【出願日】2022-12-16

(71)【出願人】

【識別番号】591030651

【氏名又は名称】水ｉｎｇ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000523

【氏名又は名称】アクシス国際弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】森田 智之

(72)【発明者】

【氏名】築井 良治

(72)【発明者】

【氏名】岩本 拓也

【テーマコード（参考）】

4B064

4D059

4K021

【Ｆターム（参考）】

4B064AB03

4B064CA01

4B064CE20

4B064DA16

4D059AA01

4D059AA02

4D059AA03

4D059BA15

4D059BA18

4D059BA27

4D059BA44

4D059CA11

4D059CA14

4K021AA01

4K021BA02

4K021DC03

(57)【要約】

【課題】バイオガスからエネルギーとして利用可能なメタンを安定的に得ることが可能なメタンの製造方法及びメタンの製造装置を提供する。
【解決手段】有機性廃棄物を嫌気性消化槽５内で嫌気性処理し、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを発生させる嫌気性処理工程と、バイオガス中の二酸化炭素を分離装置２内でバイオガスから分離し、バイオガス中のメタン濃度を高める分離工程と、バイオガス中の二酸化炭素をバイオメタネーションリアクタ１内に導入し、微生物の存在下で水素と反応させ、二酸化炭素をメタンに変換し、バイオガス中のメタン濃度を高めるバイオメタネーション工程とを備え、嫌気性消化槽５の後段に分離装置２とバイオメタネーションリアクタと１を並列に接続し、分離工程又はバイオメタネーション工程によって、バイオガスからメタンを主成分とする処理ガスを製造するメタンの製造方法である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

有機性廃棄物を嫌気性消化槽内で嫌気性処理し、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを発生させる嫌気性処理工程と、
前記バイオガス中の前記二酸化炭素を分離装置内で前記バイオガスから分離し、前記バイオガス中のメタン濃度を高める分離工程と、
前記バイオガスをバイオメタネーションリアクタ内に導入し、前記バイオガス中の前記二酸化炭素を微生物の存在下で水素と反応させ、前記二酸化炭素をメタンに変換し、前記バイオガス中のメタン濃度を高めるバイオメタネーション工程と
を備え、
前記嫌気性消化槽の後段に前記分離装置と前記バイオメタネーションリアクタとを並列に接続し、前記分離工程又は前記バイオメタネーション工程の少なくともいずれかによって、前記バイオガスからメタンを主成分とする処理ガスを製造することを特徴とするメタンの製造方法。

【請求項2】

前記バイオメタネーション工程で得られるメタン含有ガス中に残留する前記水素及び前記二酸化炭素からメタンを生成させる仕上げメタネーション工程を更に有することを特徴とする請求項１に記載のメタンの製造方法。

【請求項3】

前記バイオメタネーション工程で得られるメタン含有ガスを前記分離装置へ供給し、前記メタン含有ガス中の前記二酸化炭素を分離する仕上げ分離工程を更に有することを特徴とする請求項１に記載のメタンの製造方法。

【請求項4】

前記バイオメタネーションリアクタ内に、再生可能エネルギーから得られる電力を用いた水の電気分解により得られる水素を導入する工程を有することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のメタンの製造方法。

【請求項5】

前記再生可能エネルギーから得られる電力又は前記水素の価格に基づいて、前記バイオメタネーションリアクタ又は前記分離装置への前記バイオガスの供給を切り替えることを特徴とする請求項４に記載のメタンの製造方法。

【請求項6】

有機性廃棄物を嫌気性処理し、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを発生させる嫌気性消化槽と、
前記嫌気性消化槽の後段に接続され、前記バイオガス中の前記二酸化炭素を微生物の存在下で水素と反応させ、前記二酸化炭素をメタンに変換し、前記バイオガス中のメタン濃度を高めるバイオメタネーションリアクタと、
前記嫌気性消化槽の後段に前記バイオメタネーションリアクタと並列に接続され、前記バイオガス中の前記二酸化炭素を前記バイオガスから分離し、前記バイオガス中のメタン濃度を高める分離装置と、
前記分離装置及び前記バイオメタネーションリアクタで処理されたメタンを主成分とする処理ガスを貯蔵可能な処理ガスホルダと
を備えることを特徴とするメタンの製造装置。

【請求項7】

前記バイオメタネーションリアクタ又は前記分離装置への前記バイオガスの供給を切り替える切替手段を備える請求項６に記載のメタンの製造装置。

【請求項8】

前記バイオメタネーションリアクタに接続され、前記バイオメタネーションリアクタで得られるメタン含有ガス中に残留する前記水素及び前記二酸化炭素からメタンを生成させる仕上げメタネーションリアクタを更に備えることを特徴とする請求項６又は７に記載のメタンの製造装置。

【請求項9】

前記バイオメタネーションリアクタで得られるメタン含有ガスを前記分離装置へ供給する供給手段を更に備えることを特徴とする請求項６又は７に記載のメタンの製造装置。

【請求項10】

前記バイオメタネーションリアクタに供給する前記水素が、再生可能エネルギーから得られる電力を用いた水の電気分解により得られる水素を含み、前記水素の価格に基づいて、前記バイオガスの前記バイオメタネーションリアクタ又は前記分離装置への供給を制御する制御手段を備える請求項６又は７に記載のメタンの製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、メタンの製造方法及びメタンの製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

下水汚泥、食品廃棄物、生ごみ、紙ごみ、家畜ふん尿、草木等のバイオマスを原料として嫌気性消化処理を行い、メタンと二酸化炭素とを含有するバイオガスを生成し、廃棄物量を削減するとともに、メタンの形態でエネルギーを回収できる技術が知られている。バイオマスから回収したメタンは、化石燃料に由来しないカーボンニュートラルなエネルギー源であるため、地球温暖化を防止する観点からもバイオマスの嫌気性消化処理は重要な技術の一つである。

【0003】

嫌気性消化処理によって生成するバイオガスにはメタンと二酸化炭素とが含まれるが、バイオガス中のメタンは、発電やボイラの燃料成分として活用されている。また、バイオガス中のメタンを精製することにより、都市ガスの原料、都市ガス導管への直接注入、天然ガス自動車の燃料などに活用される。

【0004】

そのような背景もあり、近年、バイオガス中の二酸化炭素と水素とからメタンを製造するメタネーション技術が注目されている。メタネーションで使用される水素は、再生可能エネルギー由来の余剰電力を使い、水の電気分解によって製造することが多い。

【0005】

例えば、特開２０２０－３３２８４号公報（特許文献１）には、再生可能エネルギー設備で生成した電気を利用し、水電解装置により生成したＨ₂と、火力発電や製鉄プラント等から排出・回収されたＣＯ₂とを用いて、メタンを製造するメタネーション反応装置の例が記載されている。特表２０２２－５０６７５６号公報（特許文献２）には、二酸化炭素含有排出物及び／または排ガスを利用して、生物起源メタンを生成する方法に関する発明が記載されている。

【0006】

特開２０１６－１０８３８２号公報（特許文献３）には、メタン発酵によりバイオガスを発生するメタン発酵槽と、メタン発酵槽に接続され、メタン発酵槽で発生したバイオガスに含まれる二酸化炭素をメタンに変換する第１のメタネーション反応器とを備えるバイオガス製造システムの例が記載されている。特開２０２０－０４５４３０号公報（特許文献４）には、再生可能エネルギー発電装置の余剰電力を用いて、水素と酸素とを製造する水電解装置と、水電解装置にて製造した水素とシステム内で生成する二酸化炭素とを合成して、メタン等の炭化水素燃料を製造するメタネーション設備とを備えた再生可能エネルギー利用システムの例が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０２０－３３２８４号公報

【特許文献2】特表２０２２－５０６７５６号公報

【特許文献3】特開２０１６－１０８３８２号公報

【特許文献4】特開２０２０－０４５４３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

メタネーション技術は、触媒を用いた化学的メタネーション反応を利用したものと、微生物を利用した生物的メタネーション（以下「バイオメタネーション」という）とに分類される。化学的メタネーションは、硫化水素、シロキサン等の不純物を含むバイオガスを処理する場合には、その不純物の濃度が低い場合であってもメタン化触媒が劣化し、処理性能が低下することがある。一方、バイオメタネーションは、バイオメタネーションに用いられる微生物がバイオガス中の不純物に対して耐性を有するため、バイオガスをそのまま原料として使用することができる。そのため、バイオメタネーションは、化学的メタネーションに比べて、バイオガスを原料としたメタネーションに適している。さらに、化学的メタネーションは、高温条件下（３００～５５０℃）の反応であるのに対し、バイオメタネーションは低温条件下（３０～７０℃）での反応であるため設備を簡略化できる点で有利である。

【0009】

しかしながら、バイオガスを原料としたバイオメタネーションにおいては、以下のような課題を有する。

【0010】

バイオメタネーションで使用する水素は、典型的には、再生可能エネルギーの余剰電力を使い、水の電気分解によって製造される。しかしながら、再生可能エネルギーの余剰電力及び供給量は、季節や時間帯によって変動する。そのため、バイオメタネーションを実施することが効率的ではない季節や時間帯も存在する。

【0011】

バイオガスは、原料とするバイオマスの種類、有機物濃度、供給量及びバイオマスを処理する嫌気性消化処理装置の運転状態によってガス中の成分濃度が変化する。そのような原料を用いてバイオメタネーションを実施することによりバイオメタネーションで得られるガスの成分濃度も変動する。

【0012】

バイオメタネーションは、メタン生成菌を含む微生物群によって二酸化炭素と水素とをメタンに変換するが、メタン生成菌の活性は、水素負荷、ｐＨ、ＯＲＰ、窒素濃度、リン濃度、微量元素等の運転条件によって影響を受けやすい。そのため、バイオメタネーションは、化学的メタネーションに比べると、得られるガスの成分変動が生じやすい。

【0013】

バイオメタネーションで製造した処理ガスを都市ガス導管等に注入する場合、処理ガスのメタン濃度及び水素濃度等のガス性状の要求水準が高いため、処理ガスのガス性状がこの要求水準に満たない場合がある。

【0014】

上記課題を鑑み、本発明は、バイオガスからエネルギーとして利用可能なメタンを安定的に得ることが可能なメタンの製造方法及びメタンの製造装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、バイオガスから二酸化炭素を分離する分離工程と、バイオガスのバイオメタネーション工程とを並列処理することが可能なメタンの製造装置を用いて、分離工程又はバイオメタネーション工程によってメタンを製造することが有用であるとの知見を得た。

【0016】

以上の知見に基づき、本発明は一側面において、有機性廃棄物を嫌気性消化槽内で嫌気性処理し、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを発生させる嫌気性処理工程と、バイオガス中の二酸化炭素を分離装置内でバイオガスから分離し、バイオガス中のメタン濃度を高める分離工程と、バイオガスをバイオメタネーションリアクタ内に導入し、バイオガス中の二酸化炭素を、微生物の存在下で水素と反応させ、二酸化炭素をメタンに変換し、バイオガス中のメタン濃度を高めるバイオメタネーション工程とを備え、嫌気性消化槽の後段に分離装置とバイオメタネーションリアクタとを並列に接続し、分離工程又はバイオメタネーション工程の少なくともいずれかによって、バイオガスからメタンを主成分とする処理ガスを製造するメタンの製造方法である。

【0017】

本発明の実施の形態に係るメタンの製造方法は一実施態様において、バイオメタネーション工程で得られるメタン含有ガス中に残留する水素及び二酸化炭素からメタンを生成させる仕上げメタネーション工程を更に有する。

【0018】

本発明の実施の形態に係るメタンの製造方法は別の一実施態様において、バイオメタネーション工程で得られるメタン含有ガスを分離装置へ供給し、メタン含有ガス中の二酸化炭素を分離する仕上げ分離工程を更に有する。

【0019】

本発明の実施の形態に係るメタンの製造方法は更に別の一実施態様において、バイオメタネーションリアクタ内に、再生可能エネルギーから得られる電力を用いた水の電気分解により得られる水素を導入する工程を有する。

【0020】

本発明の実施の形態に係るメタンの製造方法は更に別の一実施態様において、再生可能エネルギーから得られる電力又は水素の価格に基づいて、バイオメタネーションリアクタ又は分離装置へのバイオガスの供給を切り替える。

【0021】

本発明は別の一側面において、有機性廃棄物を嫌気性処理し、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを発生させる嫌気性消化槽と、嫌気性消化槽の後段に接続され、バイオガス中の二酸化炭素を微生物の存在下で水素と反応させ、二酸化炭素をメタンに変換し、バイオガス中のメタン濃度を高めるバイオメタネーションリアクタと、嫌気性消化槽の後段にバイオメタネーションリアクタと並列に接続され、バイオガス中の二酸化炭素をバイオガスから分離し、バイオガス中のメタン濃度を高める分離装置と、分離装置及びバイオメタネーションリアクタで処理されたメタンを主成分とする処理ガスを貯蔵可能な処理ガスホルダとを備えるメタンの製造装置である。

【0022】

本発明の実施の形態に係るメタンの製造装置は一実施態様において、バイオメタネーションリアクタ又は分離装置へのバイオガスの供給を切り替える切替手段を備える。

【0023】

本発明の実施の形態に係るメタンの製造装置は別の一実施態様において、バイオメタネーションリアクタに接続され、バイオメタネーションリアクタで得られるメタン含有ガス中に残留する水素及び二酸化炭素からメタンを生成させる仕上げメタネーションリアクタを更に備える。

【0024】

本発明の実施の形態に係るメタンの製造装置は更に別の一実施態様において、バイオメタネーションリアクタで得られるメタン含有ガスを分離装置へ供給する供給手段を更に備える。

【0025】

本発明の実施の形態に係るメタンの製造装置は更に別の一実施態様において、バイオメタネーションリアクタに供給する水素が、再生可能エネルギーから得られる電力を用いた水の電気分解により得られる水素を含み、水素の価格に基づいて、バイオガスのバイオメタネーションリアクタ又は分離装置への供給を制御する制御手段を備える。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、バイオガスからエネルギーとして利用可能なメタンを安定的に得ることが可能なメタンの製造方法及びメタンの製造装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の第１の実施の形態に係るメタンの製造装置の一例を示す概略図である。

【図2】本発明の第１の実施の形態の変形例に係るメタンの製造装置の一例を示す概略図である。

【図3】本発明の第２の実施の形態に係るメタンの製造装置の一例を示す概略図である。

【図4】本発明の第３の実施の形態に係るメタンの製造装置の一例を示す概略図である。

【図5】本発明の第４の実施の形態に係るメタンの製造装置の一例を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

図面を参照しながら本発明の実施の形態を以下に説明する。以下の図面の記載においては、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。なお、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものではない。

【0029】

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るメタンの製造装置は、図１に示すように、有機性廃棄物を嫌気性処理し、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを発生させる嫌気性消化槽５と、バイオガス中の二酸化炭素をバイオガスから分離し、バイオガス中のメタン濃度を高める分離装置２と、バイオガスを導入し、バイオガス中の二酸化炭素を微生物の存在下で水素と反応させ、二酸化炭素をメタンに変換し、バイオガス中のメタン濃度を高めるバイオメタネーションリアクタ１とを備え、嫌気性消化槽５の後段に、分離装置２とバイオメタネーションリアクタ１とが並列に接続されている。

【0030】

嫌気性消化槽５は、下水汚泥、浄化槽汚泥、し尿、食品廃棄物、生ごみ、紙ごみ、家畜ふん尿、草木等の有機物を含む物質（以下「有機性廃棄物」という）を微生物の働きによって嫌気性消化処理することにより、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを発生させる。嫌気性消化槽５における具体的な処理は特に限定されず、一般的な嫌気性消化槽を用いることができる。例えば、嫌気性消化槽５への投入汚泥濃度を例えば４ｗｔ％以上、典型的には６～１０ｗｔ％程度の高濃度とすることによって、嫌気性消化処理の効率化を図るとともに、嫌気性消化槽５の装置の小型化を図り、装置の小型化により加温に必要なエネルギーを小さくすることができる。

【0031】

嫌気性消化槽５で発生したバイオガスには、メタン及び二酸化炭素の他に、硫化水素等の硫黄系ガス成分が微量に含まれている。嫌気性消化槽５には脱硫装置５３が接続されている。脱硫装置５３は、バイオガス中の硫黄系ガス成分を除去する。硫黄系ガス成分を除去した後のバイオガスは、脱硫装置５３に接続されたガスホルダ５４に貯留される。

【0032】

分離装置２としては、バイオガスから二酸化炭素を選択的に除去できる装置であれば特に限定されない。このような分離装置２としては、例えば、化学吸収法、物理吸収法、膜分離法、物理吸着法、深冷分離法等を利用した二酸化炭素除去のためのガス分離装置が利用できる。中でも、気体分子径の調整により複数のガス成分の分離が可能な分離膜を備え、分離膜を用いてバイオガス中の二酸化炭素を選択的に分離する膜分離装置は、装置を簡略化できる点で好ましい。

【0033】

分離膜としては、特に制限されないが、シリカ、アルミナ等の無機材料膜、或いは、過フッ素化ポリマーや芳香族ポリイミド等の高分子膜が用いられる。そして、これら分離膜を、中空糸膜状または平膜状として充填した膜モジュール等を使用することによって、取り扱いが簡易でコンパクトな装置が得られる。

【0034】

分離装置２で分離された二酸化炭素は、分離装置２の分離ガス側の配管に接続され、分離装置２とバイオメタネーションリアクタ１との間を接続する循環手段３によって、バイオメタネーションリアクタ１内に供給されるように構成されていてもよい。バイオガスから分離された二酸化炭素を循環手段３を介してバイオメタネーションリアクタ１内へ循環することにより、バイオガス中の二酸化炭素を利用してメタンが合成できる。これにより、二酸化炭素の大気への排出量を低減し、脱炭素化が促進できる。

【0035】

分離装置２の前段、即ち、ガスホルダ５４と分離装置２との間には、ガス精製装置２７が設けられている。ガス精製装置２７は、分離装置２内でバイオガスから二酸化炭素を分離する際に問題となる種々の不純物を除去する装置である。例えば、バイオガスに含まれるシロキサンは、分離装置２として分離膜を使用した際に分離膜の劣化を生じさせる恐れがある。分離装置２の前段にガス精製装置２７が配置されることにより、分離装置２の劣化を抑制しながら分離装置２を長期間安定的に使用できる。

【0036】

ガス精製装置２７の詳細は特に制限されないが、典型的には、活性炭、ゼオライト、モレキュラーシービングカーボン（機能性活性炭）等の吸着剤を用いた物理吸着法を利用した吸着装置が用いられる。或いは、バイオガスに含まれる微量成分を補足するための有機膜、無機膜、金属膜、又はこれらを組み合わせたフィルタ等を用いてもよい。分離装置２で不純物が除去されたメタン含有ガスは処理ガス精製装置７へ供給される。

【0037】

バイオメタネーションリアクタ１は、バイオガスに含まれる二酸化炭素を水素と反応させて、以下の式（１）に示すメタネーション反応によってメタンを得る。
ＣＯ₂＋４Ｈ₂→ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ ・・・（１）

【0038】

バイオメタネーションリアクタ１に供給される水素源は、典型的には、再生可能エネルギーで得られる電力によって水を電気分解することによって得られる水素（以下「グリーン水素」ともいう）等を用いることができる。バイオメタネーションリアクタ１に、再生可能エネルギーから得られる電力を用いた水の電気分解により得られるグリーン水素を導入し、バイオガスに含まれる二酸化炭素と反応させることにより、メタンが合成できる。

【0039】

バイオメタネーションリアクタ１内には、微生物として古細菌である水素資化メタン生成菌（以下「メタン生成菌」ともいう）等を収容する。処理温度は、３０～８０℃とし、圧力条件は、大気圧下～１．０ＭＰａ程度とし、バイオガスと水素とを、バイオメタネーションリアクタ１内へ注入する。メタネーション反応後のメタンを主成分とするメタン含有ガスは、バイオメタネーションリアクタ１の上部から出口ガスとして排出させる。バイオメタネーションリアクタ１内でのガス滞留時間を調整することにより、出口ガスのメタン濃度が目標値になるように調整できる。バイオメタネーションリアクタ１内へ収容する微生物としては、微生物を担体上に固定化した固定化担体等を用いてもよいし、下水処理場等で発生する汚泥等を一部使用してもよい。

【0040】

バイオメタネーションリアクタ１のリアクタ方式には、完全混合型、気泡塔型、固定床型、散水ろ床型等を用いることができる。完全混合型のリアクタは、リアクタ下部にバイオガスと水素を供給する散気装置、リアクタ内部を混合する撹拌機等を備える。完全混合型のリアクタでは、固定化担体を用いてもよい。気泡塔型のリアクタは、上に長い気泡塔、気泡塔底部にバイオガスと水素を供給する散気装置を備える。気泡塔型のリアクタでは、固定化担体を用いてもよいし、気泡を分散させる撹拌翼や多孔板を備えてもよい。固定床型のリアクタでは、リアクタ内部に微生物が固定化される充填床を備え、リアクタ下部からバイオガスと水素を供給する。散水ろ床型のリアクタでは、微生物が固定化される充填床を備え、リアクタ上部からリアクタ内部液（メタン生成菌や栄養源を含む汚泥）を散水して、リアクタ下部からバイオガスと水素を供給する。散水ろ床型のリアクタでは、リアクタ上部からバイオガスと水素を供給する場合もある。

【0041】

バイオメタネーションリアクタ１には、メタン生成菌の増殖・活性を増強・維持するため、窒素源（各種窒素化合物）、リン源（各種リン化合物）、ミネラル成分（カルシウム、マグネシウム等を含む化合物）、金属成分（鉄、亜鉛、コバルト、マンガン、ニッケル等を含む化合物）を供給してもよい。窒素源、リン源、ミネラル成分、金属成分の代替として、下水処理で発生する排水・汚泥等を用いてもよい。

【0042】

バイオメタネーションリアクタ１にバイオガスと水素を供給すると、メタン生成菌を含む汚泥の状態や運転条件によってはリアクタ内部液が発泡する場合がある。リアクタ内部液が発泡すると、リアクタの圧力上昇や、リアクタ後段の装置類にリアクタ内部液がオーバーフローするなどのトラブルが生じる。これらのトラブルを防ぐため、バイオメタネーションリアクタ１に消泡剤を注入することが好ましい。

【0043】

バイオメタネーションリアクタ１の内部液の濃度は、蒸発残留物（ＴＳ）濃度を５ｇ／：Ｌ～５０ｇ／Ｌに維持することがより好ましい。ＴＳ濃度を適正な範囲に維持して内部液の濃度を高くすることにより、メタン生成菌の濃度を高く保持しながらバイオメタネーションリアクタ１の容積を小さくできる。一方で、バイオメタネーションリアクタ１内の内部液の濃度が過度に高くなると、内部液の混合不良、撹拌動力の増加、バイオガス・水素の分散不良による反応速度の低下等の問題が生じることがある。これらの問題を回避しながら、リアクタ容積を削減するためには、ＴＳ濃度を５ｇ／Ｌ～５０ｇ／Ｌ、より好ましくは１０ｇ／Ｌ～５０ｇ／Ｌ、更に好ましくは１０ｇ／Ｌ～４０ｇ／Ｌとする。

【0044】

バイオメタネーションリアクタ１の内部液の濃度を高く維持するために、バイオメタネーションリアクタ１に内部液を濃縮する濃縮装置を設けてもよい。濃縮装置としては、遠心濃縮機、ベルト濃縮機、スクリュー濃縮機、膜分離装置等を使用することができる。濃縮時には高分子凝集剤を使用してもよい。

【0045】

バイオメタネーションリアクタ１内で得られるメタン含有ガス中のメタン濃度は９０ｗｔ％以上となるように調整されることが好ましく、より好ましくは９５ｗｔ％以上、更に好ましくは９６ｗｔ％以上、より更に好ましくは９７ｗｔ％以上となるように調整される。メタン含有ガス中のメタン濃度の調整のために、バイオメタネーションリアクタ１は、１又は複数段並列又は直列に接続してもよい。バイオメタネーションリアクタ１内で得られるメタン含有ガスは処理ガス精製装置７へ供給される。バイオメタネーションリアクタ１で得られるメタン含有ガス中のメタン、残留水素、残留二酸化炭素等の気体成分の濃度を測定可能な計測器１１の測定結果に基づいて、バイオメタネーションリアクタ１で得られるメタン含有ガス中の濃度を調整できる。

【0046】

処理ガス精製装置７は、処理ガスに含まれるシロキサン、アンモニア、硫化水素等の副生成物、水分、異物等を取り除くための精製装置である。処理ガス精製装置７の具体例は特に限定されないが、例えば、不純物（副生成物）を吸着除去するための活性炭等を備えた吸着装置、硫化水素等を除去する脱硫装置、ガス中の異物を取り除くためのフィルタ、水分を取り除くための除湿装置等を備えることができる。処理ガス精製装置７は、複数段並列又は直列に接続されていてもよい。

【0047】

処理ガス精製装置７で得られた処理ガス及び分離装置２から得られるメタン含有ガスは、処理ガスホルダ８へ貯留される。処理ガスホルダ８に貯留された処理ガスは、例えば、都市ガス原料として使用される。或いは、処理ガスは、都市ガス導管へ注入されてもよいし、天然ガス車燃料として使用されてもよいし、その他種々の目的に利用可能である。

【0048】

制御手段３０は、ガスホルダ５４内に貯留されるバイオガスの分離装置２又はバイオメタネーションリアクタ１への供給を制御する。水電解装置６で水から生成されるグリーン水素は、再生可能エネルギーの余剰電力から得られるため、季節や時間帯によって価格が変化する場合がある。そのため、グリーン水素の価格が高い場合においては、グリーン水素を用いて、バイオメタネーションリアクタ１内でメタネーションを行うことが経済的に不利となる場合がある。

【0049】

制御手段３０は、再生可能エネルギーの発電状況又はグリーン水素の価格に応じて、バイオガスのバイオメタネーションリアクタ１への供給量を少なくするか、或いは供給を停止させて、ガスホルダ５４内に貯留されたバイオガスを優先的に分離装置２へ供給するように、バイオガスの供給量を制御する。即ち、再生可能エネルギーで得られる余剰電力が設定値よりも小さい場合、或いは、グリーン水素の価格が設定値よりも高い場合、或いはグリーン水素の生成量が設定値よりも少ない場合には、制御手段３０が、バイオガスを分離装置２へ送ってバイオガス中のメタン濃度を高濃度化し、高濃度化したメタン含有ガスから所定のメタン濃度の処理ガスを生成させる。

【0050】

一方、再生可能エネルギーで得られる余剰電力が設定値以上である場合、或いは、グリーン水素の価格が設定値以下である場合、或いはグリーン水素の生成量が設定値以上の場合には、制御手段３０が、バイオガスをバイオメタネーションリアクタ１へ送ってバイオガス中のメタン濃度を高濃度化し、高濃度化したメタン含有ガスから所定のメタン濃度の処理ガスを生成させる。これにより、バイオガスから再生化エネルギーの電力で得られたグリーン水素を用いてエネルギーとして利用可能なメタンを安定的に得ることができる。

【0051】

制御手段３０は、目的に応じて、バイオメタネーションリアクタ１及び分離装置２の両方に対し、再生可能エネルギーの発電状況又はグリーン水素の価格に応じて、所定の供給量比を定めて同時にバイオガスを供給してもよいし、バイオメタネーションリアクタ１又は分離装置２の一方のみにバイオガスを供給してもよい。

【0052】

例えば、再生可能エネルギーの発電状況やグリーン水素の価格に関わらず、処理ガス供給量を増加させる必要がある場合、或いは、嫌気性消化槽５でのバイオガス発生量が増加した場合等には、制御手段３０が、バイオメタネーションリアクタ１及び分離装置２の両方に対して所定の流量比で同時にバイオガスを供給することで、システム全体としてのバイオガスの処理量を増大させてより効率のよい処理が行える。その際のバイオガスの供給量比は、再生可能エネルギーの発電状況やグリーン水素の価格とともに、バイオメタネーションリアクタ１の処理性能と分離装置２の処理性能を加味して決定することが好ましい。

【0053】

また、制御手段３０は、嫌気性消化槽５からのバイオガスの性状に基づいて、ガスホルダ５４から供給するバイオガスをバイオメタネーションリアクタ１に供給するか、分離装置２に供給するかを決定してもよい。

【0054】

図２に示すように、水電解装置６の後段に水素貯蔵器６１が更に接続されていてもよい。水素貯蔵器６１は、水電解装置６によって生成されたグリーン水素を貯留しておくための容器である。例えば、再生可能エネルギーで得られる余剰電力量が多く、グリーン水素が安価に生成できる時間帯に水電解装置６によりグリーン水素を多量に生成させておき、水素貯蔵器６１へ貯蔵し、バイオメタネーションリアクタ１へ供給することで、バイオメタネーションリアクタ１を経済的に利用できる。また、水電解装置６で得られるグリーン水素の発生量が少ない場合でも、水素貯蔵器６１内にグリーン水素を貯蔵しておくことで、バイオメタネーションリアクタ１へ一定流量の水素を常時安定して供給できる。

【0055】

図１及び図２に示すメタンの製造装置を用いて第１の実施の形態に係るメタンの製造方法が実施できる。即ち、第１の実施の形態に係るメタンの製造方法は、有機性廃棄物を嫌気性消化槽５内で嫌気性処理し、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを発生させる嫌気性処理工程と、バイオガス中の二酸化炭素を分離装置２内でバイオガスから分離し、バイオガス中のメタン濃度を高める分離工程と、バイオガス中の二酸化炭素をバイオメタネーションリアクタ１内に導入し、微生物の存在下で水素と反応させ、二酸化炭素をメタンに変換し、バイオガス中のメタン濃度を高めるバイオメタネーション工程とを備え、嫌気性消化槽５の後段に分離装置２とバイオメタネーションリアクタ１とを並列に接続し、分離工程又はバイオメタネーション工程の少なくともいずれかによって、バイオガスからメタンを主成分とする処理ガスを製造することを含む。

【0056】

第１の実施の形態に係るメタンの製造装置及びメタンの製造方法によれば、嫌気性消化槽５の後段に、分離装置２とバイオメタネーションリアクタ１とが並列に接続されているため、再生可能エネルギーの電力の供給量・価格に応じて、複数のメタン製造方法を使い分けることができる。再生可能エネルギーの電力の供給量が多い、または価格が低い場合は、水電解装置６によってグリーン水素を製造し、このグリーン水素とバイオガス中の二酸化炭素からバイオメタネーションによってメタンを主成分とする処理ガスを製造する。一方、再生可能エネルギーの電力の供給量が少ない、または再生可能エネルギーの電力価格が高い場合は、バイオガス中の二酸化炭素を分離して、メタンを主成分とする処理ガスを製造できる。これにより、バイオガスからエネルギーとして利用可能なメタンを安定的に得ることが可能となる。

【0057】

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係るメタンの製造装置は、図３に示すように、バイオメタネーションリアクタ１に接続され、バイオメタネーションリアクタ１で得られるメタン含有ガス中に残留する水素及び二酸化炭素からメタンを生成させる仕上げメタネーションリアクタ４を更に備える点が図１に示すメタンの製造装置と異なる。

【0058】

仕上げメタネーションリアクタ４は、メタン含有ガス中のメタン濃度を更に高める処理を行うことが可能な装置であれば特に限定されない。仕上げメタネーションリアクタ４では、バイオメタネーションリアクタ１と同様に、メタン生成菌等の微生物の存在下で二酸化炭素をメタンに変換する処理を行ってもよいし、触媒法を用いた化学的メタネーションを行ってもよい。

【0059】

仕上げメタネーションリアクタ４では、メタン含有ガス中に残存する二酸化炭素をメタンに変換する程度の処理を行えばよいため、バイオメタネーションリアクタ１よりも、滞留時間を短くでき、簡易な処理で済む。そのため、仕上げメタネーションリアクタ４としては、バイオメタネーションリアクタ１よりも簡易な処理を行うための小型のリアクタ等が利用できる。

【0060】

季節や供給する原料ガスの状況等により、バイオメタネーションリアクタ１内の微生物の状態によっては、メタネーションが十分に行われず、メタン含有ガス中のメタン濃度が向上しない場合もある。第２の実施の形態に係るメタンの製造装置によれば、バイオメタネーションリアクタ１内の処理効率が低下した場合においても、仕上げメタネーションリアクタ４において、バイオガスから高濃度のメタンを含むメタン含有ガスを生成させることができるため、バイオメタネーションリアクタ１内における微生物の活性状態に関わらず、メタン含有ガス中のメタン濃度が常に一定以上となるように、メタン濃度を安定的に供給できる。これにより、エネルギーとして利用可能な一定濃度以上のメタンを継続的且つ安定的に得ることが可能となる。

【0061】

仕上げメタネーションリアクタ４には、分離装置２で分離される二酸化炭素を仕上げメタネーションリアクタ４に循環させる循環手段３が接続されていてもよい。これにより、仕上げメタネーションリアクタ４内で生成されるメタンの生成量を増大できる。仕上げメタネーションリアクタ４で得られるメタン含有ガスのメタン濃度、残留水素や残留二酸化炭素等のメタン以外の不純物の濃度を計測するための計測器４１が、仕上げメタネーションリアクタ４の出口ガスの配管等に接続されていてもよい。第２の実施の形態に係るメタンの製造装置が、計測器４１を備えることにより、計測器４１の測定結果に応じて、バイオメタネーションリアクタ１や仕上げメタネーションリアクタ４の負荷を調整することができる。その結果、常に一定濃度以上のメタン濃度を有する処理ガスを継続的に得ることができる。

【0062】

第２の実施の形態に係るメタンの製造方法は、図３に示すメタンの製造装置を用いて実施できる。即ち、第２の実施の形態に係るメタンの製造方法は、バイオメタネーション工程で得られるメタン含有ガス中に残留する水素及び二酸化炭素からメタンを生成させる仕上げメタネーション工程を更に有する。

【0063】

メタンを都市ガス導管に直接注入する場合、メタンの下限濃度、水素の上限濃度などの要求水準が厳しくメタンを高濃度化するとともに水素を所定値以上に低減させておく必要がある。第２の実施の形態に係るメタンの製造装置及びメタンの製造方法によれば、仕上げメタネーションリアクタ４において、バイオメタネーションリアクタ１の含有ガスに残留する二酸化炭素からメタンを合成できるため、得られるメタン含有ガス中のメタン濃度を高濃度に調整しやすくできる。また、仕上げメタネーション工程により、バイオメタネーションリアクタ１の含有ガスに残留する水素も処理できるため、濃度要求基準が厳しい都市ガス等にも供給できる。また、最初のバイオメタネーション工程が高温で実施される場合、処理ガスの冷却機能を担うことができる。

【0064】

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係るメタンの製造装置は、図４に示すように、バイオメタネーションリアクタ１で得られるメタン含有ガスを分離装置２へ供給する供給手段２０を更に備える。バイオメタネーションリアクタ１で得られるメタン含有ガスは、バイオメタネーションリアクタ１の後段に仕上げメタネーションリアクタ４と並列に接続された脱硫装置２３に供給される。脱硫装置２３は、メタン含有ガス中の硫化水素等の硫黄系ガス成分を除去する。硫黄系ガス成分が除去されたメタン含有ガスは、脱硫装置２３に接続されたガス精製装置２７を介して分離装置２に供給され、分離装置２内でメタン含有ガス中に残存する二酸化炭素及び水素が分離される。二酸化炭素及び水素が除去された後のメタン含有ガスは処理ガスホルダ８内に貯留される。

【0065】

第３の実施の形態に係るメタンの製造方法は、図４に示すメタンの製造装置を用いて実施できる。即ち、第３の実施の形態に係るメタンの製造方法は、バイオメタネーション工程で得られるメタン含有ガスを分離装置２へ供給し、メタン含有ガス中の二酸化炭素を分離する仕上げ分離工程を更に有する。

【0066】

上記の通り、バイオガスの性状やバイオメタネーション工程の運転条件によって、バイオメタネーション工程で得られるメタン含有ガスの性状は変動する。この変動が小幅であれば、図３の仕上げメタネーション工程で対応できる。しかしながら、仕上げメタネーション工程では対応できないほど、メタン含有ガスの性状が大幅に変動することがある。

【0067】

第３の実施の形態に係るメタンの製造装置及びメタンの製造方法によれば、バイオメタネーションリアクタ１で得られたメタン含有ガス中の硫黄化合物等を脱硫装置２３で除去した後、分離装置２内で二酸化炭素及び水素等のバイオガス中のメタン以外の不純物を取り除く処理を行う。これにより、処理ガスホルダ８に収容される処理ガス中のメタン濃度を常時高濃度に維持できる。

【0068】

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係るメタンの製造装置は、図５に示すように、ガスホルダ５４内に収容されたバイオガスの、バイオメタネーションリアクタ１又は分離装置２へのバイオガスの供給を切り替える切替手段１５と、バイオメタネーションリアクタ１で得られたメタン含有ガスの仕上げメタネーションリアクタ４又は分離装置２へのバイオガスの供給を切り替える切替手段２５を備える。

【0069】

切替手段１５、２５としては、機械式切替弁、電磁式切替弁、空気式切替弁等の種々の切替装置を用いることができる。切替手段１５、２５は制御手段３０に接続されている。制御手段３０は、嫌気性消化槽５で発生するバイオガスのメタン濃度、二酸化炭素濃度、不純物濃度等を含むバイオガスの性状、ガスホルダ内のメタンの貯留量、再生可能エネルギーの電気代又は水電解装置６で得られるグリーン水素の価格、バイオメタネーションリアクタ１で得られるメタン含有ガスのメタン濃度、残存二酸化炭素の濃度、残存水素濃度等に基づいて、切替手段１５、２５による供給流路の切替を制御する。

【0070】

第４の実施の形態に係るメタンの製造装置によれば、嫌気性消化槽５で発生するバイオガスの性状又はバイオメタネーションリアクタ１で得られるメタン含有ガスの性状に基づいて、処理ガス中のメタン濃度を高濃度化するために好適な処理を、切替手段１５、２５により切り替えることができる。これにより、処理ガス中のメタン濃度を目的に応じて高濃度化することが可能で、かつ、エネルギーとして利用可能なメタンを安定的且つ効率的に得ることができる。制御手段３０は、嫌気性消化槽５からのバイオガスの性状及びバイオメタネーションリアクタ１からのメタン含有ガスの性状に基づいて、バイオガスの供給ルートを切替制御できるため、嫌気性消化槽５、バイオメタネーションリアクタ１のいずれかにおいて処理の不具合が生じた場合でも処理を効率化して高い濃度のメタンを得ることができる。

【0071】

本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で構成要素を相互に組み合わせ、変形して具体化できることは勿論である。

【0072】

例えば、上述の実施の形態では、制御手段３０が、再生可能エネルギーの発電状況又はグリーン水素の価格に応じて、バイオガスの供給量を制御する例を説明したが、制御手段３０はシステム内の種々の状況に応じて、バイオガスの供給量を制御してもよい。例えば、制御手段３０は、バイオメタネーションリアクタ１及びその周辺装置のメンテナンス期間中や故障中には、分離装置２側にバイオガスを供給するようにしてもよい。逆に、分離装置２及びその周辺装置のメンテナンス期間中や故障中においては、制御手段３０が、バイオメタネーションリアクタ１側にバイオガスを供給するようにしてもよい。

【0073】

また、図１～図５の例では、分離装置２で得られるメタン含有ガスを処理ガスホルダ８へ供給する例を示しているが、メタン含有ガス中に含まれる不純物濃度や求められるメタン含有ガスのメタン濃度に応じて、分離装置２から処理ガス精製装置７を経由させて処理ガス精製装置７で更に精製処理を行い、その後に処理ガスホルダ８へ供給することもまた可能である。

【0074】

更に、本実施形態では、バイオメタネーションリアクタ１と仕上げメタネーションリアクタ４とを備える図３に示すシステムにおいては、大部分のメタネーション反応は、バイオメタネーションリアクタ１で行うことを想定している。そのため、バイオメタネーションリアクタ１の内部液中のメタン生成菌の濃度を仕上げメタネーションリアクタ４の内部液中のメタン生成菌の濃度よりも高く（例えば、内部液のＴＳ濃度として１０～５０ｇ／Ｌ）維持することで、より効率のよい処理が行える。一方、仕上げメタネーションリアクタ４の内部液のメタン生成菌の濃度は、バイオメタネーションリアクタ１の内部液のメタン生成菌の濃度よりも低く維持する（例えば、内部液のＴＳ濃度として５～２０ｇ／Ｌ）ことが好ましい。これによりメタン生成菌の濃度を各リアクタで好適な範囲に調整して効率のよい処理が行える。

【0075】

更に、図３に示すように、バイオメタネーションリアクタ１と仕上げメタネーションリアクタ４とを設けるシステムでは、バイオメタネーションリアクタ１を仕上げメタネーションリアクタ４よりも高温（例えば、５０～８０℃）に維持し、仕上げメタネーションリアクタ４を低温（例えば、３０～５０℃）に維持することが好ましい。これにより、処理ガスの冷却機能も兼ねることもできる。

【0076】

更に、制御手段３０は、図３～５に示す計測器１１、２１、４１の計測結果に基づいて、バイオガス及び水素の供給量、切替手段１５、２５を用いた供給流路の切替を行うことで、バイオガスから高濃度のメタンを効率的かつ安定的に得ることができる。例えば、計測器１１は、バイオメタネーションリアクタ１から排出されるメタン含有ガス中のメタン、残留水素、及び残留二酸化炭素の少なくともいずれかの濃度を測定し、測定結果を制御手段３０へ出力する。制御手段３０は、計測器１１の測定結果の出力に基づいて、バイオメタネーションリアクタ１に供給するバイオガスや水素の量を調整する。

【0077】

計測器２１は、分離装置２で不純物が除去されたメタン含有ガス中のメタン、残留水素、及び残留二酸化炭素の少なくともいずれかの濃度を測定し、測定結果を制御手段３０へ出力する。制御手段３０は、計測器２１の測定結果の出力に基づいて、分離装置２に供給するバイオガスの供給量又は分離装置２の運転条件を調整する。例えば、分離装置２が複数台又は複数種配置される場合には、計測器２１の測定結果に応じて処置に適した装置及び処理条件が選択されるように、分離装置２の運転条件を調整することができる。

【0078】

計測器４１は、仕上げメタネーションリアクタ４から排出されるメタン含有ガス中のメタン、残留水素、及び残留二酸化炭素の少なくともいずれかの濃度を測定し、測定結果を制御手段３０へ出力する。制御手段３０は、計測器１１の測定結果の出力に基づいて、バイオメタネーションリアクタ１に供給するバイオガスや水素の量を調整する。図５に示す制御手段３０は、計測器４１の計測結果に応じて、切替手段１５、２５を制御し、分離装置２へのバイオガス又はメタン含有ガスの供給量を制御する。これにより、再生可能エネルギー電気を用いて得られた水素とバイオガスを有効に利用しながら、エネルギーとして利用可能なメタンを安定的に得ることが可能となる。

【符号の説明】

【0079】

１…バイオメタネーションリアクタ
２…分離装置
３…循環手段
４…仕上げメタネーションリアクタ
５…嫌気性消化槽
６…水電解装置
７…処理ガス精製装置
８…処理ガスホルダ
１１、２１、４１…計測器
１５…切替手段
２０…供給手段
２３…脱硫装置
２５…切替手段
２７…ガス精製装置
３０…制御手段
５３…脱硫装置
５４…ガスホルダ
６１…水素貯蔵器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】