メタン生成方法及びメタン生成装置
【課題】 有機物を含んだ廃棄物を有用にメタンとして回収することができる技術を得るとともに、この回収にあたって比較的低品位の廃熱を有用に利用することができるメタンの生成方法及び装置を得る。
【解決手段】 第１工程で、超好熱水素細菌により有機物を二酸化炭素、水素、有機酸に分解生成し、第２工程で、第１工程で生成される生成物から超好熱メタン細菌によりメタンを生成する。
【解決手段】 第１工程で、超好熱水素細菌により有機物を二酸化炭素、水素、有機酸に分解生成し、第２工程で、第１工程で生成される生成物から超好熱メタン細菌によりメタンを生成する。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、集合住宅、病院、工場、発電所、廃熱を発生する工場、ゴミ焼却設備、ゴミ発電設備といった設備から発生する有機物を含んだ廃棄物及び廃熱、さらには食品工場等から発生する有機物を含んだ排水、バイオマス等の草木の利用技術に関し、さらに詳細には、このような有機物を利用して、メタンを生成するメタン生成方法及びメタン生成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】今日、産業廃棄物（特に農作物からの廃棄物）及び排水の処理にあっては、曝気による汚泥処理もしくは常温メタン細菌によるメタン醗酵法が採用され、これらの方法で減量した後、焼却もしくは埋め立て、海洋廃棄されている。逆に、微生物的な処理によりメタンを生成する方法としては、図５に示すように、高分子有機物をハイドロリティックバクテリアにより低分子有機物に分解するとともに、生成された低分子有機物をアシディファイングバクテリア、さらには酢酸細菌により有機酸と水素に分解して（この工程においては、有機物の一部が脂肪酸を経て分解される）、その後、有機酸と水素から常温メタン細菌によりメタンを生成する。この工程は、所謂、常温嫌気性醗酵法と呼ばれ、一般の浄化槽等で自然に進行している反応に近いものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、後にも、表１をもとに説明するように、このような工程を経る手法は、投入される有機物の量に対して回収できるメタンの量が少なく、さらにその反応にも時間を要するという問題があった。又、表１の常温メタン醗酵の項に示すように、炭素の物質収支を見ると、その大半が環境中に、二酸化炭素、汚泥として廃棄されることとなり、炭素の物質収支割合が低いものであった。従って、その工業的な実用化に際しては、改善の余地がある。また、将来的なエネルギーの枯渇及び温室効果ガスに代表される地球環境問題の解決策として、比較的温度の低い（例えば７０℃以上１１０℃以下）低品位の廃熱、有機物を含有する廃棄物の有効利用を図る必要があるが、未だ、工業的に確立されたエネルギーの回収技術はない。本発明の目的は、有機物を含んだ廃棄物を有用にメタンをして回収することができる技術を得るとともに、この回収にあたって比較的低品位の廃熱を有用に利用することができるメタンの生成方法及び装置を得ることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するための本発明によるメタン生成方法の第１の特徴手段は、請求項１に記載されているように、これが、超好熱水素細菌により有機物を二酸化炭素、水素、有機酸に分解生成する第１工程と、前記第１工程で生成される生成物から超好熱メタン細菌によりメタンを生成する第２工程とを備えてなることにある。従って、本願の方法においては、超好熱水素細菌と超好熱メタン細菌のそれぞれの特性を生かして、比較的高分子の有機物を低分子化するとともに、二酸化炭素、水素、有機酸に分解して、さらに、これらの生成物を出発源として、メタンを生成することができる。本願第１の特徴手段を備えたメタン生成方法において、請求項２に記載されているように、前記第２工程において、前記第１工程において分解生成される二酸化炭素及び水素から前記超好熱メタン細菌によって前記メタンが生成されることが好ましい。これが、本願第２の特徴手段である。超好熱メタン細菌は、二酸化炭素と水素からメタンを生成する能力を有しており、第１工程で分解・生成される両者を、有用に利用して、メタンを第２工程で生成することができる。本願第１の特徴手段を備えたメタン生成方法において、請求項３に記載されているように、前記第２工程において、前記第１工程において分解生成される有機酸から前記超好熱メタン細菌によって前記メタンが生成されることが好ましい。これが、本願第３の特徴手段である。超好熱メタン細菌は、蟻酸、酢酸等の有機酸からメタンを生成する能力を有しており、第１工程で分解・生成される有機酸を有用に利用して、メタンを第２工程で生成することができる。本願第１〜３のいずれかの特徴手段を備えたメタン生成方法において、請求項４に記載されているように、前記超好熱水素細菌と前記超好熱メタン細菌とが共に生育可能な共通培養槽内に、前記有機物を投入するとともに、前記共通培養槽の温度を、前記超好熱水素細菌及び前記超好熱メタン細菌が共に生育可能な共通生育温度に維持して、前記第１工程と第２工程とを、同一培養槽内で行うことが好ましい。これが、本願第４の特徴手段である。この方法にあっては、共通培養槽内において、その培養温度を共通生育温度に維持して、超好熱水素細菌と超好熱メタン細菌との両者の生育を促す。ここで、前者は、後者が栄養とする生成物を生成し、これを原料として後者がメタンを生成することとなる。従って、単一の共通培養槽内に、本願独特の菌を共に供給して、高温を利用して他の雑菌の生育を抑えながら、比較的簡単な設備系で、メタンを得ることができる。
【０００５】本願第１〜３のいずれかの特徴手段を備えたメタン生成方法において、請求項５に記載されているように、前記超好熱水素細菌が生育可能な水素細菌培養槽と、前記超好熱メタン細菌が生育可能なメタン細菌培養槽とを備え、前記水素細菌培養槽を前記超好熱水素細菌が生育するのに好適な水素細菌生育温度に、前記メタン細菌培養槽を前記超好熱メタン細菌が生育するのに好適なメタン細菌生育温度に、それぞれ別個に維持し、前記水素細菌培養槽に前記有機物を投入するとともに、前記水素細菌培養槽において分解生成される前記二酸化炭素、水素、有機酸を前記メタン細菌培養槽に導いて、前記メタン細菌培養槽において前記メタンを生成することが好ましい。これが、本願第５の特徴手段である。この方法の場合は、各菌に対して別個に培養槽を設けるとともに、この培養槽内に生育されるべき菌に適した温度に各培養槽の温度を維持し、水素細菌培養槽からの生成物をメタン細菌培養槽に移動させて、有機物からメタンを得ることができる。結果、各槽において、菌の培養に最適な状態を維持することも可能となるとともに、片や、全体の系に於ける菌の働きによる分解・生成の進行状態をみながら、装置の運転を進めることも可能となる。
【０００６】本願第１〜５のいずれかの特徴手段を備えたメタン生成方法において、請求項６に記載されているように、前記超好熱水素細菌により分解生成された生成物のうち、前記超好熱メタン細菌によって消費しきれない前記生成物の量に従って、前記超好熱水素細菌の生育状況を調節することが好ましい。これが、本願第６の特徴手段である。本願の方法にあっては、基本的には、第１工程において分解・生成される生成物を第２工程で消費してメタンの生成をおこなう。しかしながら、前者の工程が進みすぎ、後者が遅れぎみになると、系が全体として良好に安定して働き得ない場合も発生する。従って、この方法にあっては、少なくとも、後者の工程において消費しきれない生成物の量を見出し、この生成物の量が多い場合は、前者の工程を抑える、その逆の場合は進める等の制御操作をおこなう。従って、ネックとなっている後者の工程が消費しえる量に適する生成物量状態を第１工程において確保して、良好な系の運転状態を維持することができる。
【０００７】本願第１〜６のいずれかの特徴手段を備えたメタン生成方法において、請求項７に記載されているように、前記超好熱水素細菌と前記超好熱メタン細菌との生育に必要な培養温度を維持するエネルギー源として、温度が７０℃以上１１０℃以下の低品位廃熱を使用することが好ましい。これが、本願第７の特徴手段である。従来、温度が７０℃〜１１０℃程度の温度域にある、所謂、低品位の廃熱は、有効に利用されることなく、そのほとんどが廃棄されている。しかしながら、本願の方法にあっては、利用される菌が、このような温度域で良好に生育するため、有用な菌の培養に利用して、メタンの生成に役立てることができる。即ち、従来、利用されることなく廃棄されてきた廃熱を、有用に利用できる。
【０００８】本願第１〜７のいずれかの特徴手段を備えたメタン生成方法において、請求項８に記載されているように、前記有機物が、排水内に含まれる有機物であることが好ましい。これが、本願第８の特徴手段である。本願にあっては、比較的高分子の有機物が、その出発原料とされるのであるが、このような有機物としては、ビール工場における発酵槽洗浄液、発酵残滓、コウボ滓、酒造工場からの洗米排水、総合排水、食品工場からのコーンスターチ澱粉加工排水等、本願において利用でき、さらに菌による分解がしやすいように、減量化された状態で排水内に含まれているものがある。従って、本願の手法において、有機物として排水内に含まれる有機物を、そのまま、あるいは、多少の改質をして培養槽に投入することで、従来、廃棄されてきた有機物を有用に利用することができる。
【０００９】さらに上記の目的を達成することができる、本願のメタン生成装置の第１の特徴構成は、請求項９に記載されているように、超好熱水素細菌と超好熱メタン細菌とが共に生育可能な共通培養槽を備え、前記共通培養槽の温度を、前記超好熱水素細菌と前記超好熱メタン細菌とが共に生育可能な共通生育温度に維持する培養温度維持機構を備え、前記共通培養槽に有機物を投入する有機物投入口を設けるとともに、前記共通培養槽に生成されるメタンを取り出し可能なメタン導出口を備えて構成されることにある。この装置にあっては、共通培養槽において、これまで説明してきた両者の菌を培養することで、第１工程、第２工程を同時的に同一槽で進行させて、投入される有機物からメタンを有効に生成することができる。
【００１０】さらに上記の目的を達成することができる、本願のメタン生成装置の第２の特徴構成は、請求項１０に記載されているように、培養液内に有機物投入口を介して投入される有機物を、槽内で培養される超好熱水素細菌が二酸化炭素、水素、有機酸に分解生成する水素細菌培養槽を備え、前記水素細菌培養槽で生成される生成物から、槽内で培養される超好熱メタン細菌によりメタンを生成し、且つ生成されたメタンを導出するメタン導出口を備えたメタン細菌培養槽を備え、前記水素細菌培養槽において分解生成される前記二酸化炭素、水素、有機酸をメタン細菌培養槽に移動させる生成物移動機構を備えるとともに、前記水素細菌培養槽を前記超好熱水素細菌の生育に好適な水素細菌生育温度に、前記メタン細菌培養槽を前記超好熱メタン細菌の生育に好適なメタン細菌生育温度に、それぞれ別個に維持する個別培養温度維持機構を備えることが好ましい。この装置にあっては、別々の培養槽を菌毎に用意して、生成物移動機構により、水素細菌培養槽において分解生成される前記二酸化炭素、水素、有機酸をメタン細菌培養槽に移動させることにより、これまで説明してきた両者の菌を別々に培養することで、第１工程、第２工程を進行させて、投入される有機物からメタンを有効に生成することができる。
【００１１】本願第１または第２の特徴構成を備えたメタン生成装置において、請求項１１に記載されているように、前記超好熱水素細菌により分解生成された生成物のうち、前記超好熱メタン細菌によって消費しきれない前記生成物の量を計測する生成物残量検出機構を備え、前記生成物残量検出機構の検出値に従って、前記超好熱水素細菌の生育状況を制御する水素細菌培養速度制御機構を備えることが、好ましい。これが、本願のメタン生成装置の第３の特徴構成である。先にも説明したように、第２工程に於ける菌の働きに適合するように、第１工程を働かせるために、生成物残量検出機構により超好熱メタン細菌によって消費しきれない前記生成物の量を計測し、この検出値に従って、水素細菌培養速度制御機構により超好熱水素細菌の生育状況を制御することにより、系全体の運転状態を適性なものに維持することが可能となる。
【００１２】本願第２または第３の特徴構成を備えたメタン生成装置において、請求項１２に記載されているように、上流側に前記水素細菌培養槽としての水素細菌培養部を、下流側に前記メタン細菌培養槽としてのメタン細菌培養部を有し、前記両部間で培養液が流通可能な連続培養槽を備え、前記両部間が、前記超好熱水素細菌および前記超好熱メタン細菌を透過せず、且つ前記二酸化炭素、水素、有機酸を透過する分離膜によって仕切られて構成され、前記水素細菌培養部から前記メタン細菌培養部へ前記二酸化炭素、水素、有機酸を移動させる移動機構を備えることが好ましい。これが、本願のメタン生成装置の第４の特徴構成である。この装置にあっては、単一の連続培養槽内を分離膜により分離し、有機物の投入側を、超好熱水素細菌が生育する水素菌培養部とし、その下流側を超好熱メタン細菌が生育するメタン細菌培養部とすることにより、単一連続槽を利用するとともに、各菌の働きが良好に発揮される状態を実現しながら、メタンの生成をおこなうことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】本願のメタン生成方法及び装置１について、以下図面を参照しながら説明する。本願のメタン生成方法は、図１に示すように、二つの工程から成立している。即ち、その第１工程は、超好熱水素細菌により有機物を二酸化炭素、水素、有機酸に分解生成する。そして、この第１工程で生成される生成物から超好熱メタン細菌によりメタンを、第２工程で生成する。ここで、第２工程においては、前記第１工程において分解生成される二酸化炭素及び水素から前記超好熱メタン細菌によってメタンが生成されるとともに、有機酸からも超好熱メタン細菌によってメタンが生成される。
【００１４】ここで、超好熱水素細菌とは、ピロコッカス フリオサス、サーモトガ マリティマ等であり、菌種としては、ピロコッカス、サーモトガ属等のものである。一方、超好熱メタン細菌としては、メタノコッカス・ジャナスキ、あるいはメタノバクテリウム・ボルフェイを例示することができる。菌種としては、メタノサーマス、メタノコッカス、メタノバクテリウム、メタノトリクス、メタノピラス属等のものである。さらに、前記超好熱水素細菌は、概略７０〜１１０℃で生育可能であり、９０〜１００℃で好適に生育可能（最も生育速度が速い）である。一方、超好熱メタン細菌は、概略６０〜１１０℃で生育可能であり、６０〜８０℃で好適に生育可能（最も生育速度が速い）である。
【００１５】図１にも示すような工程を経ると、後に説明する表１に示すように、高分子有機物を含む廃棄物が有する炭素の概略６５％をメタンに変換することができる。またこのような工程を経て得られるメタンは二酸化炭素と硫化水素を殆ど含まないため、脱硫処理をおこなう必要がないカロリーの高いガスを得ることができる。
【００１６】上記の工程を経てメタンを生成するメタン生成装置１について、図２に基づいて説明する。この図面は、培養液が自由に流通する連続培養槽２内において、有機物投入口３から、有機物を含んだ排水が強制的に移流投入され、所定の菌により処理（醗酵）が進んで、メタンが生成され、生成されたメタンをメタン導出口４から回収している状態を示している。以下の説明にあっては、各菌の栄養源となる有機物が、コジェネレーション設備５を備えた工場６等からの排水であり、その熱源が同じく該設備５からの廃熱である例について説明する。排水の代表例としては、ビール工場における発酵槽洗浄液、発酵残滓、コウボ滓、酒造工場からの洗米排水、総合排水、食品工場からのコーンスターチ澱粉加工排水等を挙げることができる。このような排水には、有機物として糖質、炭水化物、タンパク質等が含まれている。一方、廃熱源としては、コジェネレーション設備５からの廃熱、焼却設備からの廃熱等、冷房設備からの廃熱等を挙げることができる。ここで、コジェネレーション設備５の場合は、これが、一般に熱電併供給の状態にあり、しかも熱の供給にあたっては、給湯もしくは蒸気状態で熱の供給をおこなうものであるため、本願の場合は、この温水もしくは蒸気を有効に利用できる。
【００１７】図２に示すように、このメタン生成装置１は、培養液内に有機物投入口３を介して投入される有機物を、超好熱水素細菌が二酸化炭素、水素、有機酸に分解生成する水素細菌培養槽７（連続培養槽２内の分離膜８より下側に位置する水素細菌培養部７０によって構成される）と、この水素細菌培養槽７で生成される生成物から、超好熱メタン細菌によりメタンを生成し、且つ生成されたメタンを導出するメタン導出口４を備えたメタン細菌培養槽９（連続培養槽２内の分離膜８より上側に位置するメタン細菌培養部９０によって構成される）とを備えて構成されている。そして、メタン生成装置１には、水素細菌培養槽７（水素細菌培養部７０）を超好熱水素細菌の生育に好適な水素細菌生育温度に、メタン細菌培養槽９（メタン細菌培養部９０）を超好熱メタン細菌の生育に好適なメタン細菌生育温度に、それぞれ別個に維持する個別培養温度維持機構１０が備えられている。即ち、これら各槽７、９に対して、その槽周りには、温水循環部１１が設けられており、例えば、図示するように、有機物を含有する排水を排出する工場６等に設備される、コジェネレーション設備５からの低品位廃熱（温度７０℃以上１００℃以下の廃熱）により、所望の温度の循環水を得て、夫々の槽７、９を所望の温度に維持することができる。即ち、この循環系１１ａには、循環温水の温度を検出する温度検出機構１１ｂと、この循環系１１ａ内を流れる循環温水の温度を調節するために常温の水を混合する循環温水温度調節用常温水混合部１１ｃとが設けられ、予め設定された、もしくは、後に説明する機構の循環温水温度制御指令に従って、循環温水の温度を調節自在に構成されている。ここで、各培養槽７、９の温度は、先に説明した好適な生育可能温度である。
【００１８】さらに、メタン生成装置１には、この水素細菌培養槽７において分解生成される二酸化炭素、水素、有機酸をメタン細菌培養槽９に移動させる生成物移動機構１２が備えられている。この例の場合、生成物移動機構１２は、各槽７、９（各部）の鉛直方向の構造位置関係および、有機物を含む排水を槽内に移流投入するポンプＰによって、これが構成されている。分離膜８に関してさらに詳細に説明すると、これは、連続培養槽２内の上下方向中央部位に設けられ、超好熱水素細菌および超好熱メタン細菌を透過せず、且つ前記二酸化炭素、水素、有機酸を透過するものである。このような分離膜８の一例を挙げると、これは、有機膜の場合、膜材質、ポリエチレンで、形式、外圧式中空糸型のＭＦ膜であり、分画性能、０．２μｍ程度のものである。さらに、無機膜としては、膜材質、セラミックで、形式、モノリス型のものであり、分画性能、０．１μｍ程度のものである。従って、この構造にあっては、水素細菌培養槽７内に移流・投入された培養液は、ポンプＰの作用により、メタン細菌培養槽９側へ移流される。この場合、菌の槽７、９（部）間に渡る移動は発生しない。そして、水素細菌培養槽７内で生成される生成物もまた、この移流に従って、メタン細菌培養槽９側へ移流される。
【００１９】このメタン生成装置１には、超好熱水素細菌により分解生成された生成物のうち、超好熱メタン細菌によって消費しきれない生成物の量を計測する生成物残量検出機構１３が備えられ、この生成物残量検出機構１３の検出値に従って、超好熱水素細菌の生育状況を制御する水素細菌培養速度制御機構が備えられている。ここで、生成物残量検出機構１３とは、具体的には、メタン細菌培養槽９内に於ける水素濃度、二酸化炭素濃度、及び有機酸濃度を検出する検出機構である。本願のメタン生成装置１にあっては、メタンがメタン導出口４から定量ずつ取り出されるが、水素菌による分解が進みすぎ、メタン菌によるメタン生成が遅れると、メタン細菌培養槽９内での前記成分の濃度が、正常値より上昇する。従って、生成物残量検出機構１３により、前記成分の濃度が検出される。一方、この検出結果は、正常値と比較され、濃度が高過ぎる場合は、超好熱水素細菌の生育を抑える方向に水素細菌培養速度制御手段１４が制御指令を出す。この水素細菌培養速度制御手段１４の働きは、具体的には、上記のように、前記成分濃度が正常値よりも高い場合に、水素細菌培養槽７の培養温度を、その好適な温度域である９０〜１００℃から８０〜９０℃まで低下させ、その生育を抑える指令を、先に説明した温水循環系に出し、結果的に、培養温度を制御するものである。この場合、槽７の温度の制御をおこなって生育速度を制御することが可能であるとともに、所定槽７内に、菌の活動を抑える物質（塩あるいは金属イオン）等を投入して、制御することもできる。水素細菌培養速度制御手段１４とこの制御指令を受けて循環温水の温度を調節する機構により、水素細菌培養速度制御機構が構成される。
【００２０】従って、このメタン生成装置１にあっては、そのメタン生成方法として、以下の手法を採ることとなる。即ち、超好熱水素細菌が生育可能な水素細菌培養槽７と、この超好熱メタン細菌が生育可能なメタン細菌培養槽７とを備え、水素細菌培養槽７を超好熱水素細菌が生育するのに好適な水素細菌生育温度に、メタン細菌培養槽９を超好熱メタン細菌が生育するのに好適なメタン細菌生育温度に、それぞれ別個に維持し、水素細菌培養槽７に有機物を投入するとともに、この水素細菌培養槽７において分解生成される二酸化炭素、水素、有機酸を前記メタン細菌培養槽９に導いて、メタン細菌培養槽９においてメタンを生成する。さらに、必要な場合は、生成物残量検出機構１３及び水素細菌培養速度制御機構により、超好熱水素細菌により分解生成された生成物のうち、超好熱メタン細菌によって消費しきれない生成物の量に従って、超好熱水素細菌の生育状況が調節される。
【００２１】本願の方法及び装置１を使用する場合にあっては、反応が比較的高温であるため、有機物を含有する排水等の廃棄物自体がもつ菌は、育生できない。そして、人為的に加える超好熱水素細菌と超好熱メタン細菌により、効率的にメタンが生産される。超好熱水素細菌は、二酸化炭素：水素＝１：２の比率で、二酸化炭素と水素を産出するが、超好熱メタン細菌は、同じく二酸化炭素：水素＝１：２の比率で、二酸化炭素と水素を消費し、メタンを産出する。
【００２２】このようなメタン生成装置１を使用する本願方法について、これを、従来の活性汚泥法、常温メタン醗酵法との比較において、以下、説明する。表１に、これら３種の方法において、同一量の有機物（１００）に対するメタンの生成割合（出力のメタンの項に記載）を示した。
【００２３】
【表１】
【００２４】表１において、合計の欄に示される二酸化炭素と汚泥は、実体上、廃棄処理する必要がある物質であり、活性汚泥法においてはその全量が、常温メタン醗酵法においては７０％程度の廃棄が必要とされ、無駄になっていることが判る。一方、本願方法にあっては、３５％程度しか外界に廃棄されることがない。即ち、汚泥等の排出量が、格段に改善されており、環境に対して非常に好ましい状況が実現できることが判る。同表中に出力として表されるメタン回収量にあっては、本願方法が、最も有利であり、常温メタン醗酵法に対して、その倍近くのメタンの回収が可能であることを示している。さらに、これら３種の方法を採った場合に於けるコスト比較をおこなった。結果を表２に示した。
【００２５】
【表２】
【００２６】この比較は、コーンスターチ澱粉加工排水を発生する工場で、経費を示している。本願方法が、設備投資的に非常に有利であることを示している。
【００２７】さらに、これら３種の手法に関して、使用される菌種、産物、反応速度の関係を表３に示した。
【００２８】
【表３】
【００２９】同表に示すように、本願で使用する超好熱水素細菌及び超好熱メタン細菌は、増殖速度が２０〜３０分と早いため、嫌気性細菌より２〜１０倍程度廃棄物の処理速度が速くなり、実用化の点で好ましい。さらに、この要因から反応槽が小さくてすみ、固定費が大幅に削減できる。
【００３０】〔別実施の形態〕本願の別実施の形態について、以下説明する。
（イ） 上記の実施の形態にあっては、水素細菌培養槽７としての水素細菌培養部７０と、メタン細菌培養槽９としてのメタン細菌培養部９０とを、分離膜８で仕切られた連続培養槽２内に備えて構成し、各槽７、９（部）を別個の温度に維持したが、これは、好適な例であって、生育速度を問題にしなければ、単一の共通培養槽１５を使用して、両菌を混合状態で生育させても、メタンの回収は可能である。即ち、超好熱水素細菌と超好熱メタン細菌とが共に生育可能な共通培養槽１５内に、有機物を投入するとともに、共通培養槽１５の温度を、超好熱水素細菌及び超好熱メタン細菌が共に生育可能な共通生育温度に維持して、第１工程と第２工程とを、同一培養槽内で同時的に発生させることもできる。このような手法を採用する場合は、メタン生成装置３０は、図３に示されるように、超好熱水素細菌と超好熱メタン細菌とが共に生育可能な共通培養槽１５を備え、この共通培養槽１５の温度を、超好熱水素細菌と超好熱メタン細菌とが共に生育可能な共通生育温度に維持する培養温度維持機構３１を備え、共通培養槽１５に有機物を投入する有機物投入口３を設けるとともに、共通培養槽１５に生成されるメタンを取り出し可能なメタン導出口４を備えて、構成することとなる。ここで、培養温度維持機構３１は、先に説明したとほぼ同様の構成とすることとできるが、共通培養槽１５の温度は、８０〜９０℃に維持することとなり、先に説明した例と同様に、低品位廃熱を利用することが好ましい。
【００３１】（ロ） 上記の実施の形態にあっては、水素細菌培養槽としての水素細菌培養部７０と、メタン細菌培養槽としてのメタン細菌培養部９０とを、分離膜８で仕切られた連続培養槽２内に備えて構成し、各槽７、９（部）を別個の温度に維持したが、これは、好適な例であって、当然、水素細菌培養槽及びメタン細菌培養槽を完全な、別個独立の槽として構成することも可能である。この場合、メタン生成にあたっては、図４に示すように、超好熱水素細菌が生育可能な水素細菌培養槽４１と、超好熱メタン細菌が生育可能なメタン細菌培養槽４２とを備え、水素細菌培養槽４１を超好熱水素細菌が生育するのに好適な水素細菌生育温度に、メタン細菌培養槽４２を超好熱メタン細菌が生育するのに好適なメタン細菌生育温度に、それぞれ別個に維持し、水素細菌培養槽４１に有機物を投入するとともに、この水素細菌培養槽４１において分解生成される二酸化炭素、水素、有機酸をメタン細菌培養槽４２に導いて、メタン細菌培養槽４２においてメタンを生成することとなる。このような場合に使用できるメタン生成装置４０の構成例を図４に示した。この装置４０にあっても、培養液内に有機物投入口３を介して投入される有機物を、槽内で培養される超好熱水素細菌が二酸化炭素、水素、有機酸に分解生成する水素細菌培養槽４１と、水素細菌培養槽４１で生成される生成物から、槽内で培養される超好熱メタン細菌によりメタンを生成し、且つ生成されたメタンを導出するメタン導出口４を備えたメタン細菌培養槽４２とが備えられ、水素細菌培養槽４１において分解生成される前記二酸化炭素、水素、有機酸をメタン細菌培養槽４２に移動させる生成物移動機構４３を備えるとともに、水素細菌培養槽４１を超好熱水素細菌の生育に好適な水素細菌生育温度に、メタン細菌培養槽４２を超好熱メタン細菌の生育に好適なメタン細菌生育温度に、それぞれ別個に維持する個別培養温度維持機構を備えて、メタン生成装置４０が構成される。この例の場合は、水平、並列配置の各槽間において、生成物移動機構４３は、両槽間に渡って、気体成分及び上澄み液を移流させる移流用溶液ポンプＰ１で構成される。
【００３２】（ハ） 本願が対象とする有機物としては、上記のものの他、食物残滓、草木、糞尿等を挙げることができる。これらにも、糖質、炭水化物、タンパク質が含有されている。又、一般的な廃棄物には有機物としての糖質、炭水化物、タンパク室が含まれている。
（ニ） 本願が対象とする培養に使用されるエネルギー源としては、上記のものの他、一般的な工場廃熱等を挙げることができる。
（ホ） これまで説明してきた方法及び装置にあっては、メタンを例えば工場に設備されるコジェネレーション設備で使用する例について主に説明してきたが、このようにメタンを使用する他、他の用途に使用してもよい。即ち、メタンの回収方法として有用である。さらに、上記のようにメタンを有用物として使用できる状態とするのみならず、単なる廃棄物処理の方法としても、外界に放出される二酸化炭素、汚泥の発生量が少ないことから、本願手法は有用である。即ち、本願は、超好熱水素細菌により有機物を二酸化炭素、水素、有機酸に分解生成する第１工程と、前記第１工程で生成される生成物から超好熱メタン細菌によりメタンを生成する第２工程とを備えて、有機物を含む廃棄物を良好に処理することを提案するものである。
（へ） さらに、図１に示すように、コジェネレーション設備５等の比較的低品位（比較的低温（１００℃前後））の廃熱を放出する廃熱源と、有機物を廃棄物として排出する有機物廃棄源とを備えた工場、集合住宅、病院、発電所、ごみ焼却プラント、ゴミ発電プラント等の施設に、これまで説明したきたメタン生成装置１、３０、４０を備え、これらのメタン生成装置１、３０、４０に対するエネルギー源を施設（廃熱源）からの廃熱とし、さらに、菌に対する有機物源を施設（有機物廃棄源）からの廃棄有機物とすると、これまで無駄に廃棄されてきた廃熱、廃棄有機物を有用に利用して、環境良化に寄与できる好ましい施設を得ることができる。ここで、本願にあっては、比較的低品位の廃熱（７０〜１１０℃程度の廃熱）を利用できることが、非常に重要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願のメタン生成方法の基本過程を示す図
【図２】本願のメタン生成装置の一例を示す図（連続培養槽を備えたもの）
【図３】本願のメタン生成装置の別実施の形態を示す図（共通培養槽使用のもの）
【図４】本願のメタン生成装置の別実施の形態を示す図（２槽式のもの）
【図５】従来の有機物を含有する廃棄物の微生物処理過程を示す図
【符号の説明】
１ メタン生成装置
２ 連続培養槽
３ 有機物投入口
４ メタン導出口
７ 水素細菌培養槽
８ 分離膜
９ メタン細菌培養槽
１０ 個別培養温度維持機構
１２ 生成物移動機構
１３ 生成物残量検出機構
１４ 水素細菌培養速度制御手段
１５ 共通培養槽
３０ メタン生成装置
３１ 培養温度維持機構
４０ メタン生成装置
４３ 生成物移動機構
７０ 水素細菌培養部
９０ メタン細菌培養部
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、集合住宅、病院、工場、発電所、廃熱を発生する工場、ゴミ焼却設備、ゴミ発電設備といった設備から発生する有機物を含んだ廃棄物及び廃熱、さらには食品工場等から発生する有機物を含んだ排水、バイオマス等の草木の利用技術に関し、さらに詳細には、このような有機物を利用して、メタンを生成するメタン生成方法及びメタン生成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】今日、産業廃棄物（特に農作物からの廃棄物）及び排水の処理にあっては、曝気による汚泥処理もしくは常温メタン細菌によるメタン醗酵法が採用され、これらの方法で減量した後、焼却もしくは埋め立て、海洋廃棄されている。逆に、微生物的な処理によりメタンを生成する方法としては、図５に示すように、高分子有機物をハイドロリティックバクテリアにより低分子有機物に分解するとともに、生成された低分子有機物をアシディファイングバクテリア、さらには酢酸細菌により有機酸と水素に分解して（この工程においては、有機物の一部が脂肪酸を経て分解される）、その後、有機酸と水素から常温メタン細菌によりメタンを生成する。この工程は、所謂、常温嫌気性醗酵法と呼ばれ、一般の浄化槽等で自然に進行している反応に近いものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、後にも、表１をもとに説明するように、このような工程を経る手法は、投入される有機物の量に対して回収できるメタンの量が少なく、さらにその反応にも時間を要するという問題があった。又、表１の常温メタン醗酵の項に示すように、炭素の物質収支を見ると、その大半が環境中に、二酸化炭素、汚泥として廃棄されることとなり、炭素の物質収支割合が低いものであった。従って、その工業的な実用化に際しては、改善の余地がある。また、将来的なエネルギーの枯渇及び温室効果ガスに代表される地球環境問題の解決策として、比較的温度の低い（例えば７０℃以上１１０℃以下）低品位の廃熱、有機物を含有する廃棄物の有効利用を図る必要があるが、未だ、工業的に確立されたエネルギーの回収技術はない。本発明の目的は、有機物を含んだ廃棄物を有用にメタンをして回収することができる技術を得るとともに、この回収にあたって比較的低品位の廃熱を有用に利用することができるメタンの生成方法及び装置を得ることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するための本発明によるメタン生成方法の第１の特徴手段は、請求項１に記載されているように、これが、超好熱水素細菌により有機物を二酸化炭素、水素、有機酸に分解生成する第１工程と、前記第１工程で生成される生成物から超好熱メタン細菌によりメタンを生成する第２工程とを備えてなることにある。従って、本願の方法においては、超好熱水素細菌と超好熱メタン細菌のそれぞれの特性を生かして、比較的高分子の有機物を低分子化するとともに、二酸化炭素、水素、有機酸に分解して、さらに、これらの生成物を出発源として、メタンを生成することができる。本願第１の特徴手段を備えたメタン生成方法において、請求項２に記載されているように、前記第２工程において、前記第１工程において分解生成される二酸化炭素及び水素から前記超好熱メタン細菌によって前記メタンが生成されることが好ましい。これが、本願第２の特徴手段である。超好熱メタン細菌は、二酸化炭素と水素からメタンを生成する能力を有しており、第１工程で分解・生成される両者を、有用に利用して、メタンを第２工程で生成することができる。本願第１の特徴手段を備えたメタン生成方法において、請求項３に記載されているように、前記第２工程において、前記第１工程において分解生成される有機酸から前記超好熱メタン細菌によって前記メタンが生成されることが好ましい。これが、本願第３の特徴手段である。超好熱メタン細菌は、蟻酸、酢酸等の有機酸からメタンを生成する能力を有しており、第１工程で分解・生成される有機酸を有用に利用して、メタンを第２工程で生成することができる。本願第１〜３のいずれかの特徴手段を備えたメタン生成方法において、請求項４に記載されているように、前記超好熱水素細菌と前記超好熱メタン細菌とが共に生育可能な共通培養槽内に、前記有機物を投入するとともに、前記共通培養槽の温度を、前記超好熱水素細菌及び前記超好熱メタン細菌が共に生育可能な共通生育温度に維持して、前記第１工程と第２工程とを、同一培養槽内で行うことが好ましい。これが、本願第４の特徴手段である。この方法にあっては、共通培養槽内において、その培養温度を共通生育温度に維持して、超好熱水素細菌と超好熱メタン細菌との両者の生育を促す。ここで、前者は、後者が栄養とする生成物を生成し、これを原料として後者がメタンを生成することとなる。従って、単一の共通培養槽内に、本願独特の菌を共に供給して、高温を利用して他の雑菌の生育を抑えながら、比較的簡単な設備系で、メタンを得ることができる。
【０００５】本願第１〜３のいずれかの特徴手段を備えたメタン生成方法において、請求項５に記載されているように、前記超好熱水素細菌が生育可能な水素細菌培養槽と、前記超好熱メタン細菌が生育可能なメタン細菌培養槽とを備え、前記水素細菌培養槽を前記超好熱水素細菌が生育するのに好適な水素細菌生育温度に、前記メタン細菌培養槽を前記超好熱メタン細菌が生育するのに好適なメタン細菌生育温度に、それぞれ別個に維持し、前記水素細菌培養槽に前記有機物を投入するとともに、前記水素細菌培養槽において分解生成される前記二酸化炭素、水素、有機酸を前記メタン細菌培養槽に導いて、前記メタン細菌培養槽において前記メタンを生成することが好ましい。これが、本願第５の特徴手段である。この方法の場合は、各菌に対して別個に培養槽を設けるとともに、この培養槽内に生育されるべき菌に適した温度に各培養槽の温度を維持し、水素細菌培養槽からの生成物をメタン細菌培養槽に移動させて、有機物からメタンを得ることができる。結果、各槽において、菌の培養に最適な状態を維持することも可能となるとともに、片や、全体の系に於ける菌の働きによる分解・生成の進行状態をみながら、装置の運転を進めることも可能となる。
【０００６】本願第１〜５のいずれかの特徴手段を備えたメタン生成方法において、請求項６に記載されているように、前記超好熱水素細菌により分解生成された生成物のうち、前記超好熱メタン細菌によって消費しきれない前記生成物の量に従って、前記超好熱水素細菌の生育状況を調節することが好ましい。これが、本願第６の特徴手段である。本願の方法にあっては、基本的には、第１工程において分解・生成される生成物を第２工程で消費してメタンの生成をおこなう。しかしながら、前者の工程が進みすぎ、後者が遅れぎみになると、系が全体として良好に安定して働き得ない場合も発生する。従って、この方法にあっては、少なくとも、後者の工程において消費しきれない生成物の量を見出し、この生成物の量が多い場合は、前者の工程を抑える、その逆の場合は進める等の制御操作をおこなう。従って、ネックとなっている後者の工程が消費しえる量に適する生成物量状態を第１工程において確保して、良好な系の運転状態を維持することができる。
【０００７】本願第１〜６のいずれかの特徴手段を備えたメタン生成方法において、請求項７に記載されているように、前記超好熱水素細菌と前記超好熱メタン細菌との生育に必要な培養温度を維持するエネルギー源として、温度が７０℃以上１１０℃以下の低品位廃熱を使用することが好ましい。これが、本願第７の特徴手段である。従来、温度が７０℃〜１１０℃程度の温度域にある、所謂、低品位の廃熱は、有効に利用されることなく、そのほとんどが廃棄されている。しかしながら、本願の方法にあっては、利用される菌が、このような温度域で良好に生育するため、有用な菌の培養に利用して、メタンの生成に役立てることができる。即ち、従来、利用されることなく廃棄されてきた廃熱を、有用に利用できる。
【０００８】本願第１〜７のいずれかの特徴手段を備えたメタン生成方法において、請求項８に記載されているように、前記有機物が、排水内に含まれる有機物であることが好ましい。これが、本願第８の特徴手段である。本願にあっては、比較的高分子の有機物が、その出発原料とされるのであるが、このような有機物としては、ビール工場における発酵槽洗浄液、発酵残滓、コウボ滓、酒造工場からの洗米排水、総合排水、食品工場からのコーンスターチ澱粉加工排水等、本願において利用でき、さらに菌による分解がしやすいように、減量化された状態で排水内に含まれているものがある。従って、本願の手法において、有機物として排水内に含まれる有機物を、そのまま、あるいは、多少の改質をして培養槽に投入することで、従来、廃棄されてきた有機物を有用に利用することができる。
【０００９】さらに上記の目的を達成することができる、本願のメタン生成装置の第１の特徴構成は、請求項９に記載されているように、超好熱水素細菌と超好熱メタン細菌とが共に生育可能な共通培養槽を備え、前記共通培養槽の温度を、前記超好熱水素細菌と前記超好熱メタン細菌とが共に生育可能な共通生育温度に維持する培養温度維持機構を備え、前記共通培養槽に有機物を投入する有機物投入口を設けるとともに、前記共通培養槽に生成されるメタンを取り出し可能なメタン導出口を備えて構成されることにある。この装置にあっては、共通培養槽において、これまで説明してきた両者の菌を培養することで、第１工程、第２工程を同時的に同一槽で進行させて、投入される有機物からメタンを有効に生成することができる。
【００１０】さらに上記の目的を達成することができる、本願のメタン生成装置の第２の特徴構成は、請求項１０に記載されているように、培養液内に有機物投入口を介して投入される有機物を、槽内で培養される超好熱水素細菌が二酸化炭素、水素、有機酸に分解生成する水素細菌培養槽を備え、前記水素細菌培養槽で生成される生成物から、槽内で培養される超好熱メタン細菌によりメタンを生成し、且つ生成されたメタンを導出するメタン導出口を備えたメタン細菌培養槽を備え、前記水素細菌培養槽において分解生成される前記二酸化炭素、水素、有機酸をメタン細菌培養槽に移動させる生成物移動機構を備えるとともに、前記水素細菌培養槽を前記超好熱水素細菌の生育に好適な水素細菌生育温度に、前記メタン細菌培養槽を前記超好熱メタン細菌の生育に好適なメタン細菌生育温度に、それぞれ別個に維持する個別培養温度維持機構を備えることが好ましい。この装置にあっては、別々の培養槽を菌毎に用意して、生成物移動機構により、水素細菌培養槽において分解生成される前記二酸化炭素、水素、有機酸をメタン細菌培養槽に移動させることにより、これまで説明してきた両者の菌を別々に培養することで、第１工程、第２工程を進行させて、投入される有機物からメタンを有効に生成することができる。
【００１１】本願第１または第２の特徴構成を備えたメタン生成装置において、請求項１１に記載されているように、前記超好熱水素細菌により分解生成された生成物のうち、前記超好熱メタン細菌によって消費しきれない前記生成物の量を計測する生成物残量検出機構を備え、前記生成物残量検出機構の検出値に従って、前記超好熱水素細菌の生育状況を制御する水素細菌培養速度制御機構を備えることが、好ましい。これが、本願のメタン生成装置の第３の特徴構成である。先にも説明したように、第２工程に於ける菌の働きに適合するように、第１工程を働かせるために、生成物残量検出機構により超好熱メタン細菌によって消費しきれない前記生成物の量を計測し、この検出値に従って、水素細菌培養速度制御機構により超好熱水素細菌の生育状況を制御することにより、系全体の運転状態を適性なものに維持することが可能となる。
【００１２】本願第２または第３の特徴構成を備えたメタン生成装置において、請求項１２に記載されているように、上流側に前記水素細菌培養槽としての水素細菌培養部を、下流側に前記メタン細菌培養槽としてのメタン細菌培養部を有し、前記両部間で培養液が流通可能な連続培養槽を備え、前記両部間が、前記超好熱水素細菌および前記超好熱メタン細菌を透過せず、且つ前記二酸化炭素、水素、有機酸を透過する分離膜によって仕切られて構成され、前記水素細菌培養部から前記メタン細菌培養部へ前記二酸化炭素、水素、有機酸を移動させる移動機構を備えることが好ましい。これが、本願のメタン生成装置の第４の特徴構成である。この装置にあっては、単一の連続培養槽内を分離膜により分離し、有機物の投入側を、超好熱水素細菌が生育する水素菌培養部とし、その下流側を超好熱メタン細菌が生育するメタン細菌培養部とすることにより、単一連続槽を利用するとともに、各菌の働きが良好に発揮される状態を実現しながら、メタンの生成をおこなうことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】本願のメタン生成方法及び装置１について、以下図面を参照しながら説明する。本願のメタン生成方法は、図１に示すように、二つの工程から成立している。即ち、その第１工程は、超好熱水素細菌により有機物を二酸化炭素、水素、有機酸に分解生成する。そして、この第１工程で生成される生成物から超好熱メタン細菌によりメタンを、第２工程で生成する。ここで、第２工程においては、前記第１工程において分解生成される二酸化炭素及び水素から前記超好熱メタン細菌によってメタンが生成されるとともに、有機酸からも超好熱メタン細菌によってメタンが生成される。
【００１４】ここで、超好熱水素細菌とは、ピロコッカス フリオサス、サーモトガ マリティマ等であり、菌種としては、ピロコッカス、サーモトガ属等のものである。一方、超好熱メタン細菌としては、メタノコッカス・ジャナスキ、あるいはメタノバクテリウム・ボルフェイを例示することができる。菌種としては、メタノサーマス、メタノコッカス、メタノバクテリウム、メタノトリクス、メタノピラス属等のものである。さらに、前記超好熱水素細菌は、概略７０〜１１０℃で生育可能であり、９０〜１００℃で好適に生育可能（最も生育速度が速い）である。一方、超好熱メタン細菌は、概略６０〜１１０℃で生育可能であり、６０〜８０℃で好適に生育可能（最も生育速度が速い）である。
【００１５】図１にも示すような工程を経ると、後に説明する表１に示すように、高分子有機物を含む廃棄物が有する炭素の概略６５％をメタンに変換することができる。またこのような工程を経て得られるメタンは二酸化炭素と硫化水素を殆ど含まないため、脱硫処理をおこなう必要がないカロリーの高いガスを得ることができる。
【００１６】上記の工程を経てメタンを生成するメタン生成装置１について、図２に基づいて説明する。この図面は、培養液が自由に流通する連続培養槽２内において、有機物投入口３から、有機物を含んだ排水が強制的に移流投入され、所定の菌により処理（醗酵）が進んで、メタンが生成され、生成されたメタンをメタン導出口４から回収している状態を示している。以下の説明にあっては、各菌の栄養源となる有機物が、コジェネレーション設備５を備えた工場６等からの排水であり、その熱源が同じく該設備５からの廃熱である例について説明する。排水の代表例としては、ビール工場における発酵槽洗浄液、発酵残滓、コウボ滓、酒造工場からの洗米排水、総合排水、食品工場からのコーンスターチ澱粉加工排水等を挙げることができる。このような排水には、有機物として糖質、炭水化物、タンパク質等が含まれている。一方、廃熱源としては、コジェネレーション設備５からの廃熱、焼却設備からの廃熱等、冷房設備からの廃熱等を挙げることができる。ここで、コジェネレーション設備５の場合は、これが、一般に熱電併供給の状態にあり、しかも熱の供給にあたっては、給湯もしくは蒸気状態で熱の供給をおこなうものであるため、本願の場合は、この温水もしくは蒸気を有効に利用できる。
【００１７】図２に示すように、このメタン生成装置１は、培養液内に有機物投入口３を介して投入される有機物を、超好熱水素細菌が二酸化炭素、水素、有機酸に分解生成する水素細菌培養槽７（連続培養槽２内の分離膜８より下側に位置する水素細菌培養部７０によって構成される）と、この水素細菌培養槽７で生成される生成物から、超好熱メタン細菌によりメタンを生成し、且つ生成されたメタンを導出するメタン導出口４を備えたメタン細菌培養槽９（連続培養槽２内の分離膜８より上側に位置するメタン細菌培養部９０によって構成される）とを備えて構成されている。そして、メタン生成装置１には、水素細菌培養槽７（水素細菌培養部７０）を超好熱水素細菌の生育に好適な水素細菌生育温度に、メタン細菌培養槽９（メタン細菌培養部９０）を超好熱メタン細菌の生育に好適なメタン細菌生育温度に、それぞれ別個に維持する個別培養温度維持機構１０が備えられている。即ち、これら各槽７、９に対して、その槽周りには、温水循環部１１が設けられており、例えば、図示するように、有機物を含有する排水を排出する工場６等に設備される、コジェネレーション設備５からの低品位廃熱（温度７０℃以上１００℃以下の廃熱）により、所望の温度の循環水を得て、夫々の槽７、９を所望の温度に維持することができる。即ち、この循環系１１ａには、循環温水の温度を検出する温度検出機構１１ｂと、この循環系１１ａ内を流れる循環温水の温度を調節するために常温の水を混合する循環温水温度調節用常温水混合部１１ｃとが設けられ、予め設定された、もしくは、後に説明する機構の循環温水温度制御指令に従って、循環温水の温度を調節自在に構成されている。ここで、各培養槽７、９の温度は、先に説明した好適な生育可能温度である。
【００１８】さらに、メタン生成装置１には、この水素細菌培養槽７において分解生成される二酸化炭素、水素、有機酸をメタン細菌培養槽９に移動させる生成物移動機構１２が備えられている。この例の場合、生成物移動機構１２は、各槽７、９（各部）の鉛直方向の構造位置関係および、有機物を含む排水を槽内に移流投入するポンプＰによって、これが構成されている。分離膜８に関してさらに詳細に説明すると、これは、連続培養槽２内の上下方向中央部位に設けられ、超好熱水素細菌および超好熱メタン細菌を透過せず、且つ前記二酸化炭素、水素、有機酸を透過するものである。このような分離膜８の一例を挙げると、これは、有機膜の場合、膜材質、ポリエチレンで、形式、外圧式中空糸型のＭＦ膜であり、分画性能、０．２μｍ程度のものである。さらに、無機膜としては、膜材質、セラミックで、形式、モノリス型のものであり、分画性能、０．１μｍ程度のものである。従って、この構造にあっては、水素細菌培養槽７内に移流・投入された培養液は、ポンプＰの作用により、メタン細菌培養槽９側へ移流される。この場合、菌の槽７、９（部）間に渡る移動は発生しない。そして、水素細菌培養槽７内で生成される生成物もまた、この移流に従って、メタン細菌培養槽９側へ移流される。
【００１９】このメタン生成装置１には、超好熱水素細菌により分解生成された生成物のうち、超好熱メタン細菌によって消費しきれない生成物の量を計測する生成物残量検出機構１３が備えられ、この生成物残量検出機構１３の検出値に従って、超好熱水素細菌の生育状況を制御する水素細菌培養速度制御機構が備えられている。ここで、生成物残量検出機構１３とは、具体的には、メタン細菌培養槽９内に於ける水素濃度、二酸化炭素濃度、及び有機酸濃度を検出する検出機構である。本願のメタン生成装置１にあっては、メタンがメタン導出口４から定量ずつ取り出されるが、水素菌による分解が進みすぎ、メタン菌によるメタン生成が遅れると、メタン細菌培養槽９内での前記成分の濃度が、正常値より上昇する。従って、生成物残量検出機構１３により、前記成分の濃度が検出される。一方、この検出結果は、正常値と比較され、濃度が高過ぎる場合は、超好熱水素細菌の生育を抑える方向に水素細菌培養速度制御手段１４が制御指令を出す。この水素細菌培養速度制御手段１４の働きは、具体的には、上記のように、前記成分濃度が正常値よりも高い場合に、水素細菌培養槽７の培養温度を、その好適な温度域である９０〜１００℃から８０〜９０℃まで低下させ、その生育を抑える指令を、先に説明した温水循環系に出し、結果的に、培養温度を制御するものである。この場合、槽７の温度の制御をおこなって生育速度を制御することが可能であるとともに、所定槽７内に、菌の活動を抑える物質（塩あるいは金属イオン）等を投入して、制御することもできる。水素細菌培養速度制御手段１４とこの制御指令を受けて循環温水の温度を調節する機構により、水素細菌培養速度制御機構が構成される。
【００２０】従って、このメタン生成装置１にあっては、そのメタン生成方法として、以下の手法を採ることとなる。即ち、超好熱水素細菌が生育可能な水素細菌培養槽７と、この超好熱メタン細菌が生育可能なメタン細菌培養槽７とを備え、水素細菌培養槽７を超好熱水素細菌が生育するのに好適な水素細菌生育温度に、メタン細菌培養槽９を超好熱メタン細菌が生育するのに好適なメタン細菌生育温度に、それぞれ別個に維持し、水素細菌培養槽７に有機物を投入するとともに、この水素細菌培養槽７において分解生成される二酸化炭素、水素、有機酸を前記メタン細菌培養槽９に導いて、メタン細菌培養槽９においてメタンを生成する。さらに、必要な場合は、生成物残量検出機構１３及び水素細菌培養速度制御機構により、超好熱水素細菌により分解生成された生成物のうち、超好熱メタン細菌によって消費しきれない生成物の量に従って、超好熱水素細菌の生育状況が調節される。
【００２１】本願の方法及び装置１を使用する場合にあっては、反応が比較的高温であるため、有機物を含有する排水等の廃棄物自体がもつ菌は、育生できない。そして、人為的に加える超好熱水素細菌と超好熱メタン細菌により、効率的にメタンが生産される。超好熱水素細菌は、二酸化炭素：水素＝１：２の比率で、二酸化炭素と水素を産出するが、超好熱メタン細菌は、同じく二酸化炭素：水素＝１：２の比率で、二酸化炭素と水素を消費し、メタンを産出する。
【００２２】このようなメタン生成装置１を使用する本願方法について、これを、従来の活性汚泥法、常温メタン醗酵法との比較において、以下、説明する。表１に、これら３種の方法において、同一量の有機物（１００）に対するメタンの生成割合（出力のメタンの項に記載）を示した。
【００２３】
【表１】
【００２４】表１において、合計の欄に示される二酸化炭素と汚泥は、実体上、廃棄処理する必要がある物質であり、活性汚泥法においてはその全量が、常温メタン醗酵法においては７０％程度の廃棄が必要とされ、無駄になっていることが判る。一方、本願方法にあっては、３５％程度しか外界に廃棄されることがない。即ち、汚泥等の排出量が、格段に改善されており、環境に対して非常に好ましい状況が実現できることが判る。同表中に出力として表されるメタン回収量にあっては、本願方法が、最も有利であり、常温メタン醗酵法に対して、その倍近くのメタンの回収が可能であることを示している。さらに、これら３種の方法を採った場合に於けるコスト比較をおこなった。結果を表２に示した。
【００２５】
【表２】
【００２６】この比較は、コーンスターチ澱粉加工排水を発生する工場で、経費を示している。本願方法が、設備投資的に非常に有利であることを示している。
【００２７】さらに、これら３種の手法に関して、使用される菌種、産物、反応速度の関係を表３に示した。
【００２８】
【表３】
【００２９】同表に示すように、本願で使用する超好熱水素細菌及び超好熱メタン細菌は、増殖速度が２０〜３０分と早いため、嫌気性細菌より２〜１０倍程度廃棄物の処理速度が速くなり、実用化の点で好ましい。さらに、この要因から反応槽が小さくてすみ、固定費が大幅に削減できる。
【００３０】〔別実施の形態〕本願の別実施の形態について、以下説明する。
（イ） 上記の実施の形態にあっては、水素細菌培養槽７としての水素細菌培養部７０と、メタン細菌培養槽９としてのメタン細菌培養部９０とを、分離膜８で仕切られた連続培養槽２内に備えて構成し、各槽７、９（部）を別個の温度に維持したが、これは、好適な例であって、生育速度を問題にしなければ、単一の共通培養槽１５を使用して、両菌を混合状態で生育させても、メタンの回収は可能である。即ち、超好熱水素細菌と超好熱メタン細菌とが共に生育可能な共通培養槽１５内に、有機物を投入するとともに、共通培養槽１５の温度を、超好熱水素細菌及び超好熱メタン細菌が共に生育可能な共通生育温度に維持して、第１工程と第２工程とを、同一培養槽内で同時的に発生させることもできる。このような手法を採用する場合は、メタン生成装置３０は、図３に示されるように、超好熱水素細菌と超好熱メタン細菌とが共に生育可能な共通培養槽１５を備え、この共通培養槽１５の温度を、超好熱水素細菌と超好熱メタン細菌とが共に生育可能な共通生育温度に維持する培養温度維持機構３１を備え、共通培養槽１５に有機物を投入する有機物投入口３を設けるとともに、共通培養槽１５に生成されるメタンを取り出し可能なメタン導出口４を備えて、構成することとなる。ここで、培養温度維持機構３１は、先に説明したとほぼ同様の構成とすることとできるが、共通培養槽１５の温度は、８０〜９０℃に維持することとなり、先に説明した例と同様に、低品位廃熱を利用することが好ましい。
【００３１】（ロ） 上記の実施の形態にあっては、水素細菌培養槽としての水素細菌培養部７０と、メタン細菌培養槽としてのメタン細菌培養部９０とを、分離膜８で仕切られた連続培養槽２内に備えて構成し、各槽７、９（部）を別個の温度に維持したが、これは、好適な例であって、当然、水素細菌培養槽及びメタン細菌培養槽を完全な、別個独立の槽として構成することも可能である。この場合、メタン生成にあたっては、図４に示すように、超好熱水素細菌が生育可能な水素細菌培養槽４１と、超好熱メタン細菌が生育可能なメタン細菌培養槽４２とを備え、水素細菌培養槽４１を超好熱水素細菌が生育するのに好適な水素細菌生育温度に、メタン細菌培養槽４２を超好熱メタン細菌が生育するのに好適なメタン細菌生育温度に、それぞれ別個に維持し、水素細菌培養槽４１に有機物を投入するとともに、この水素細菌培養槽４１において分解生成される二酸化炭素、水素、有機酸をメタン細菌培養槽４２に導いて、メタン細菌培養槽４２においてメタンを生成することとなる。このような場合に使用できるメタン生成装置４０の構成例を図４に示した。この装置４０にあっても、培養液内に有機物投入口３を介して投入される有機物を、槽内で培養される超好熱水素細菌が二酸化炭素、水素、有機酸に分解生成する水素細菌培養槽４１と、水素細菌培養槽４１で生成される生成物から、槽内で培養される超好熱メタン細菌によりメタンを生成し、且つ生成されたメタンを導出するメタン導出口４を備えたメタン細菌培養槽４２とが備えられ、水素細菌培養槽４１において分解生成される前記二酸化炭素、水素、有機酸をメタン細菌培養槽４２に移動させる生成物移動機構４３を備えるとともに、水素細菌培養槽４１を超好熱水素細菌の生育に好適な水素細菌生育温度に、メタン細菌培養槽４２を超好熱メタン細菌の生育に好適なメタン細菌生育温度に、それぞれ別個に維持する個別培養温度維持機構を備えて、メタン生成装置４０が構成される。この例の場合は、水平、並列配置の各槽間において、生成物移動機構４３は、両槽間に渡って、気体成分及び上澄み液を移流させる移流用溶液ポンプＰ１で構成される。
【００３２】（ハ） 本願が対象とする有機物としては、上記のものの他、食物残滓、草木、糞尿等を挙げることができる。これらにも、糖質、炭水化物、タンパク質が含有されている。又、一般的な廃棄物には有機物としての糖質、炭水化物、タンパク室が含まれている。
（ニ） 本願が対象とする培養に使用されるエネルギー源としては、上記のものの他、一般的な工場廃熱等を挙げることができる。
（ホ） これまで説明してきた方法及び装置にあっては、メタンを例えば工場に設備されるコジェネレーション設備で使用する例について主に説明してきたが、このようにメタンを使用する他、他の用途に使用してもよい。即ち、メタンの回収方法として有用である。さらに、上記のようにメタンを有用物として使用できる状態とするのみならず、単なる廃棄物処理の方法としても、外界に放出される二酸化炭素、汚泥の発生量が少ないことから、本願手法は有用である。即ち、本願は、超好熱水素細菌により有機物を二酸化炭素、水素、有機酸に分解生成する第１工程と、前記第１工程で生成される生成物から超好熱メタン細菌によりメタンを生成する第２工程とを備えて、有機物を含む廃棄物を良好に処理することを提案するものである。
（へ） さらに、図１に示すように、コジェネレーション設備５等の比較的低品位（比較的低温（１００℃前後））の廃熱を放出する廃熱源と、有機物を廃棄物として排出する有機物廃棄源とを備えた工場、集合住宅、病院、発電所、ごみ焼却プラント、ゴミ発電プラント等の施設に、これまで説明したきたメタン生成装置１、３０、４０を備え、これらのメタン生成装置１、３０、４０に対するエネルギー源を施設（廃熱源）からの廃熱とし、さらに、菌に対する有機物源を施設（有機物廃棄源）からの廃棄有機物とすると、これまで無駄に廃棄されてきた廃熱、廃棄有機物を有用に利用して、環境良化に寄与できる好ましい施設を得ることができる。ここで、本願にあっては、比較的低品位の廃熱（７０〜１１０℃程度の廃熱）を利用できることが、非常に重要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願のメタン生成方法の基本過程を示す図
【図２】本願のメタン生成装置の一例を示す図（連続培養槽を備えたもの）
【図３】本願のメタン生成装置の別実施の形態を示す図（共通培養槽使用のもの）
【図４】本願のメタン生成装置の別実施の形態を示す図（２槽式のもの）
【図５】従来の有機物を含有する廃棄物の微生物処理過程を示す図
【符号の説明】
１ メタン生成装置
２ 連続培養槽
３ 有機物投入口
４ メタン導出口
７ 水素細菌培養槽
８ 分離膜
９ メタン細菌培養槽
１０ 個別培養温度維持機構
１２ 生成物移動機構
１３ 生成物残量検出機構
１４ 水素細菌培養速度制御手段
１５ 共通培養槽
３０ メタン生成装置
３１ 培養温度維持機構
４０ メタン生成装置
４３ 生成物移動機構
７０ 水素細菌培養部
９０ メタン細菌培養部
【特許請求の範囲】
【請求項１】 超好熱水素細菌により有機物を二酸化炭素、水素、有機酸に分解生成する第１工程と、前記第１工程で生成される生成物から超好熱メタン細菌によりメタンを生成する第２工程とを備えたメタン生成方法。
【請求項２】 前記第２工程において、前記第１工程において分解生成される二酸化炭素及び水素から前記超好熱メタン細菌によって前記メタンが生成される請求項１記載のメタン生成方法。
【請求項３】 前記第２工程において、前記第１工程において分解生成される有機酸から前記超好熱メタン細菌によって前記メタンが生成される請求項１記載のメタン生成方法。
【請求項４】 前記超好熱水素細菌と前記超好熱メタン細菌とが共に生育可能な共通培養槽内に、前記有機物を投入するとともに、前記共通培養槽の温度を、前記超好熱水素細菌及び前記超好熱メタン細菌が共に生育可能な共通生育温度に維持して、前記第１工程と第２工程とを、同一培養槽内で行う請求項１〜３のいずれか１項に記載のメタン生成方法。
【請求項５】 前記超好熱水素細菌が生育可能な水素細菌培養槽と、前記超好熱メタン細菌が生育可能なメタン細菌培養槽とを備え、前記水素細菌培養槽を前記超好熱水素細菌が生育するのに好適な水素細菌生育温度に、前記メタン細菌培養槽を前記超好熱メタン細菌が生育するのに好適なメタン細菌生育温度に、それぞれ別個に維持し、前記水素細菌培養槽に前記有機物を投入するとともに、前記水素細菌培養槽において分解生成される前記二酸化炭素、水素、有機酸を前記メタン細菌培養槽に導いて、前記メタン細菌培養槽において前記メタンを生成する請求項１〜３のいずれか１項に記載のメタン生成方法。
【請求項６】 前記超好熱水素細菌により分解生成された生成物のうち、前記超好熱メタン細菌によって消費しきれない前記生成物の量に従って、前記超好熱水素細菌の生育状況を調節する請求項１〜５のいずれか１項に記載のメタン生成方法。
【請求項７】 前記超好熱水素細菌と前記超好熱メタン細菌との生育に必要な培養温度を維持するエネルギー源として、温度が７０℃以上１１０℃以下の低品位廃熱を使用する請求項１〜６のいずれか１項に記載のメタン生成方法。
【請求項８】 前記有機物が、排水内に含まれる有機物である請求項１〜７のいずれか１項に記載のメタン生成方法。
【請求項９】 超好熱水素細菌と超好熱メタン細菌とが共に生育可能な共通培養槽を備え、前記共通培養槽の温度を、前記超好熱水素細菌と前記超好熱メタン細菌とが共に生育可能な共通生育温度に維持する培養温度維持機構を備え、前記共通培養槽に有機物を投入する有機物投入口を設けるとともに、前記共通培養槽に生成されるメタンを取り出し可能なメタン導出口を備えたメタン生成装置。
【請求項１０】 培養液内に有機物投入口を介して投入される有機物を、槽内で培養される超好熱水素細菌が二酸化炭素、水素、有機酸に分解生成する水素細菌培養槽を備え、前記水素細菌培養槽で生成される生成物から、槽内で培養される超好熱メタン細菌によりメタンを生成し、且つ生成されたメタンを導出するメタン導出口を備えたメタン細菌培養槽を備え、前記水素細菌培養槽において分解生成される前記二酸化炭素、水素、有機酸をメタン細菌培養槽に移動させる生成物移動機構を備えるとともに、前記水素細菌培養槽を前記超好熱水素細菌の生育に好適な水素細菌生育温度に、前記メタン細菌培養槽を前記超好熱メタン細菌の生育に好適なメタン細菌生育温度に、それぞれ別個に維持する個別培養温度維持機構を備えたメタン生成装置。
【請求項１１】 前記超好熱水素細菌により分解生成された生成物のうち、前記超好熱メタン細菌によって消費しきれない前記生成物の量を計測する生成物残量検出機構を備え、前記生成物残量検出機構の検出値に従って、前記超好熱水素細菌の生育状況を制御する水素細菌培養速度制御機構を備えた請求項９または１０記載のメタン生成装置。
【請求項１２】 上流側に前記水素細菌培養槽としての水素細菌培養部を、下流側に前記メタン細菌培養槽としてのメタン細菌培養部を有し、且つ前記両部間で培養液が流通可能な連続培養槽を備え、前記両部間が、前記超好熱水素細菌および前記超好熱メタン細菌を透過せず、且つ前記二酸化炭素、水素、有機酸を透過する分離膜によって仕切られて構成され、前記水素細菌培養部から前記メタン細菌培養部へ前記二酸化炭素、水素、有機酸を移動させる移動機構を備えた請求項１０または１１記載のメタン生成装置。
【請求項１】 超好熱水素細菌により有機物を二酸化炭素、水素、有機酸に分解生成する第１工程と、前記第１工程で生成される生成物から超好熱メタン細菌によりメタンを生成する第２工程とを備えたメタン生成方法。
【請求項２】 前記第２工程において、前記第１工程において分解生成される二酸化炭素及び水素から前記超好熱メタン細菌によって前記メタンが生成される請求項１記載のメタン生成方法。
【請求項３】 前記第２工程において、前記第１工程において分解生成される有機酸から前記超好熱メタン細菌によって前記メタンが生成される請求項１記載のメタン生成方法。
【請求項４】 前記超好熱水素細菌と前記超好熱メタン細菌とが共に生育可能な共通培養槽内に、前記有機物を投入するとともに、前記共通培養槽の温度を、前記超好熱水素細菌及び前記超好熱メタン細菌が共に生育可能な共通生育温度に維持して、前記第１工程と第２工程とを、同一培養槽内で行う請求項１〜３のいずれか１項に記載のメタン生成方法。
【請求項５】 前記超好熱水素細菌が生育可能な水素細菌培養槽と、前記超好熱メタン細菌が生育可能なメタン細菌培養槽とを備え、前記水素細菌培養槽を前記超好熱水素細菌が生育するのに好適な水素細菌生育温度に、前記メタン細菌培養槽を前記超好熱メタン細菌が生育するのに好適なメタン細菌生育温度に、それぞれ別個に維持し、前記水素細菌培養槽に前記有機物を投入するとともに、前記水素細菌培養槽において分解生成される前記二酸化炭素、水素、有機酸を前記メタン細菌培養槽に導いて、前記メタン細菌培養槽において前記メタンを生成する請求項１〜３のいずれか１項に記載のメタン生成方法。
【請求項６】 前記超好熱水素細菌により分解生成された生成物のうち、前記超好熱メタン細菌によって消費しきれない前記生成物の量に従って、前記超好熱水素細菌の生育状況を調節する請求項１〜５のいずれか１項に記載のメタン生成方法。
【請求項７】 前記超好熱水素細菌と前記超好熱メタン細菌との生育に必要な培養温度を維持するエネルギー源として、温度が７０℃以上１１０℃以下の低品位廃熱を使用する請求項１〜６のいずれか１項に記載のメタン生成方法。
【請求項８】 前記有機物が、排水内に含まれる有機物である請求項１〜７のいずれか１項に記載のメタン生成方法。
【請求項９】 超好熱水素細菌と超好熱メタン細菌とが共に生育可能な共通培養槽を備え、前記共通培養槽の温度を、前記超好熱水素細菌と前記超好熱メタン細菌とが共に生育可能な共通生育温度に維持する培養温度維持機構を備え、前記共通培養槽に有機物を投入する有機物投入口を設けるとともに、前記共通培養槽に生成されるメタンを取り出し可能なメタン導出口を備えたメタン生成装置。
【請求項１０】 培養液内に有機物投入口を介して投入される有機物を、槽内で培養される超好熱水素細菌が二酸化炭素、水素、有機酸に分解生成する水素細菌培養槽を備え、前記水素細菌培養槽で生成される生成物から、槽内で培養される超好熱メタン細菌によりメタンを生成し、且つ生成されたメタンを導出するメタン導出口を備えたメタン細菌培養槽を備え、前記水素細菌培養槽において分解生成される前記二酸化炭素、水素、有機酸をメタン細菌培養槽に移動させる生成物移動機構を備えるとともに、前記水素細菌培養槽を前記超好熱水素細菌の生育に好適な水素細菌生育温度に、前記メタン細菌培養槽を前記超好熱メタン細菌の生育に好適なメタン細菌生育温度に、それぞれ別個に維持する個別培養温度維持機構を備えたメタン生成装置。
【請求項１１】 前記超好熱水素細菌により分解生成された生成物のうち、前記超好熱メタン細菌によって消費しきれない前記生成物の量を計測する生成物残量検出機構を備え、前記生成物残量検出機構の検出値に従って、前記超好熱水素細菌の生育状況を制御する水素細菌培養速度制御機構を備えた請求項９または１０記載のメタン生成装置。
【請求項１２】 上流側に前記水素細菌培養槽としての水素細菌培養部を、下流側に前記メタン細菌培養槽としてのメタン細菌培養部を有し、且つ前記両部間で培養液が流通可能な連続培養槽を備え、前記両部間が、前記超好熱水素細菌および前記超好熱メタン細菌を透過せず、且つ前記二酸化炭素、水素、有機酸を透過する分離膜によって仕切られて構成され、前記水素細菌培養部から前記メタン細菌培養部へ前記二酸化炭素、水素、有機酸を移動させる移動機構を備えた請求項１０または１１記載のメタン生成装置。
【図１】
【図２】
【図５】
【図３】
【図４】
【図２】
【図５】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開平１０−６６９９６
【公開日】平成１０年（１９９８）３月１０日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平８−２２６２１９
【出願日】平成８年（１９９６）８月２８日
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【公開日】平成１０年（１９９８）３月１０日
【国際特許分類】
【出願日】平成８年（１９９６）８月２８日
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
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