(57)【要約】【課題】メタン生成菌に対する保持能力に優れた担体を使用することで、メタン発酵槽に好適な微生物担体、当該微生物担体を用いたメタン発酵装置及び微生物担体の製造方法を提供する。【解決手段】正の表面電荷を有する担体と、当該担体の表面に保持されたメタン発酵能を有する微生物と含む微生物担体。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正の表面電荷を有する担体と、当該担体の表面に保持されたメタン発酵能を有する微生物を含む、微生物担体。
【請求項２】
上記メタン発酵能を有する微生物及びその他の微生物を含む混合微生物に上記担体を接触させることで得られることを特徴とする請求項１記載の微生物担体。
【請求項３】
上記担体の表面電荷が正の０．１[eq/L]以上であることを特徴とする請求項１記載の微生物担体。
【請求項４】
上記担体は、親水性ビニルポリマーを基材とし、第４級アンモニウム基が導入されたものであることを特徴とする請求項１記載の微生物担体。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれか一項記載の微生物担体を内部に有するメタン発酵槽を備える、メタン発酵装置。
【請求項６】
固体成分を含有する原料を投入することを特徴とする請求項５記載のメタン発酵装置。
【請求項７】
メタン発酵能を有する微生物を、正の表面電荷を有する担体と接触させる、微生物担体の製造方法。
【請求項８】
上記メタン発酵能を有する微生物は、他の微生物との混合微生物として上記担体と接触させることを特徴とする請求項７記載の微生物担体の製造方法。
【請求項９】
上記担体の表面電荷は、０．１[eq/L]以上であることを特徴とする請求項７記載の微生物担体の製造方法。
【請求項１０】
上記担体は、親水性ビニルポリマーを基材とし、第４級アンモニウム基が導入されたものであることを特徴とする請求項７記載の微生物担体の製造方法。
【請求項１１】
イオン強度が100mM以下の溶液中で上記メタン発酵能を有する微生物と上記担体とを接触させることを特徴とする請求項７記載の微生物担体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタン発酵能を有する微生物を保持する微生物担体、当該微生物担体を用いたメタン発酵装置及び微生物担体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化対策の一環として、生ゴミや畜産廃棄物、海藻ゴミなどを原料としてメタンを回収する試みが注目を集めている。例えば、生ゴミなどをバイオマスとしてメタン発酵の原料として利用することができれば、化石燃料の代替・補完として地球温暖化対策に貢献することができる。
【０００３】
一方、メタン発酵は、メタン生成菌と総称される微生物を含む培養液を充填した発酵槽において行われる。一般にメタン生成菌は、成長速度が遅いため、原料の供給速度を上げると菌の増殖が追いつかず菌密度が低下し、反応効率が低下する。そのため、発酵槽内における原料の滞留時間を長くする必要があり、発酵槽が大きくなるといった問題がある。また、発酵槽内に大量のメタン生成菌を蓄え、メタン発酵の反応性を効率化する技術としてUASB法：（Up flow Anaerobic Sludge Blanket Process、上向流嫌気性汚泥ろ床法）が知られている。このUASB法によれば、メタン生成菌のフロックを形成させてメタン生成菌の流出を防止できるとともに、反応性を向上させることができる。
【０００４】
ところで、発酵槽に供給される原料には固形分が含まれる場合には、発酵槽においてメタン発酵が終了した後に固形残渣分を排出する必要がある。上述したUASB法を適用した場合、メタン生成菌がフロックを形成するため、固形残渣分とフロックの分離が難しい。すなわち、このUASB法は、原料が液体のみからなる場合しか適用することができない。
【０００５】
一般に固形分を含有する原料を発酵槽で処理する場合、微生物を担体に付着させ、微生物の流出を抑制している。すなわち、担体をメタン発酵槽内に充填することによって、固形残渣分を含む発酵廃液を排出しながら、発酵槽内の菌密度を高く維持する方法が採用される。メタン生成菌を担体に固定するといった技術については、例えば特許文献１等に開示されている。また、微生物担体については、例えば特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2007-203150号公報
【特許文献２】特開2000-15278号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来、メタン生成菌を担体に効率良く保持させるといった観点で技術的検討はなされておらず、担体としても一般的な多孔質材料や不織布などが使用されるに過ぎなかった。これらの担体は微小空間を多く有する構造で、微生物がその空間にサイズ的に捕らえられることを利用している。そこで、本発明は、上述の実情に鑑み、メタン生成菌に対する保持能力に優れた担体を使用することで、メタン発酵槽に好適な微生物担体、当該微生物担体を用いたメタン発酵装置及び微生物担体の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するため、本発明者らが鋭意検討した結果、メタン発酵が行われるｐＨ領域（中性〜弱アルカリ性）において、メタン生成菌の表面電荷が弱い負であり、正の表面電荷を有する担体に対してメタン生成菌を電気的相互作用により効率良く保持できることを見いだし、本発明を完成するに至った。
【０００９】
本発明は以下を包含する。
（１）正の表面電荷を有する担体と、当該担体の表面に保持されたメタン発酵能を有する微生物とを含む、微生物担体。
（２）上記メタン発酵能を有する微生物及びその他の微生物を含む混合微生物に上記担体を接触させることで得られることを特徴とする（１）記載の微生物担体。
（３）上記担体の表面電荷は、０．１[eq/L]（担体の体積当たりのイオン交換容量）以上であることを特徴とする（１）記載の微生物担体。
（４）上記担体は、親水性ビニルポリマーを基材とし、第４級アンモニウム基が導入されたものであることを特徴とする（１）記載の微生物担体。
（５）上記（１）〜（４）いずれか一記載の微生物担体を内部に有するメタン発酵槽を備える、メタン発酵装置。
（６）固体成分を含有する原料を投入することを特徴とする（５）記載のメタン発酵装置。
（７）メタン発酵能を有する微生物を、正の表面電荷を有する担体と接触させる、微生物担体の製造方法。
（８）上記メタン発酵能を有する微生物は、他の微生物との混合微生物として上記担体と接触させることを特徴とする（７）記載の微生物担体の製造方法。
（９）上記担体の表面電荷は、０．１[eq/L]以上であることを特徴とする（７）記載の微生物担体の製造方法。
（１０）上記担体は、親水性ビニルポリマーを基材とし、第４級アンモニウム基が導入されたものであることを特徴とする（７）記載の微生物担体の製造方法。
（１１）イオン強度が100mM以下の溶液中で上記メタン発酵能を有する微生物と上記担体とを接触させることを特徴とする（７）記載の微生物担体の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、メタン発酵能を有する微生物を保持し、例えば固形分を含む原料を用いたメタン発酵を効率良く行うことができる微生物担体を提供することができる。本発明に係る微生物担体によれば、例えば固形分を含む原料を用いたメタン発酵を行う際に、メタン発酵速度を向上させることができ、メタン発酵槽の小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る微生物担体を用いたメタン発酵槽の一例を模式的に示す概略構成図である。
【図２】担体とメタン生成菌を含む培養液とを接触させる際のイオン強度と、担体へ付着しなかったメタン生成菌及び他の微生物の濃度との関係を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を図面を参照して詳細に説明する。
本発明に係る微生物担体は、担体の表面における少なくとも一部にメタン生成菌を保持するものである。ここで、メタン生成菌とは、嫌気条件下で最終的な代謝産物としてメタンを生成する能力を有する微生物をいう。具体的に、メタン生成菌としては、メタノバクテリウム（Methanobacterium）属、メタノコッカス（Methanococcus）属、メタノサルシナ（Methanosarcina）属、メタノサエタ（Methanosaeta）属、若しくはメタノハロフィルス（Methanohalophillus）属等に属する微生物を挙げることができる。ただし、本発明において、メタン生成菌としては、これら例示された具体的な微生物になんら限定されるものではない。
【００１３】
また、担体の表面に保持する微生物はメタン生成菌のみに限定されず、他の微生物がメタン生成菌とともに担体の表面に保持されていても良い。例えば、メタン生成菌及び他の微生物を含む混合微生物に担体を接触させると、担体の表面にはメタン生成菌のみならず他の微生物も保持されることとなるため、担体表面上にメタン発酵のコンソーシア（混合微生物相）が形成されることになる。本発明に係る微生物担体には、このようにして得られるメタン生成菌及び他の微生物を保持した微生物担体も含まれる。なお、メタン生成菌及び他の微生物を含む混合微生物は、例えば有機性廃棄物や嫌気性汚泥から得ることができる。
【００１４】
メタン生成菌を保持するための担体としては、正の表面電荷を有する担体であれば特に限定されない。正の表面電荷を有する担体を使用する理由は、メタン生成菌の表面電荷が負にチャージしており、当該メタン生成菌を担体表面に静電気的相互作用により保持できるといった新規知見によるものである。詳細には、メタン生成菌の表面電荷を検討するため、単位電場当たりの泳動速度に換算した電気泳動移動度（Electrophoretic Mobility; EPM）をメタン生成菌について測定した結果、メタン発酵の行われる中性〜弱アルカリ領域において、弱い負の電荷を有することがわかった。
【００１５】
特に、本発明において、担体としては、特に、表面電荷０．１[eq/L]以上であることが好ましく、特に０．２[eq/L]以上であることがより好ましい。表面電荷が０．１[eq/L]未満である場合には、メタン生成菌を保持できない虞がある。
【００１６】
担体としては、例えば、イオン交換グロマトグラフィー・カラムに充填される充填剤、陰イオン交換樹脂を使用することができる。例えば、ゲルろ過クロマトグラフィー用の樹脂に陰イオン交換能を有する官能基を導入した陰イオン交換樹脂を使用することができる。陰イオン交換能を有する官能基としては、例えば、第１〜３級アミノ基、第４級アンモニウム基を挙げることができる。また、樹脂としては、特に限定されず、例えば親水性のビニルポリマーを挙げることができる。一例としては、東ソー株式会社製TOYOPEARL SuperQ-650及び東ソー株式会社製TOYOPEARL DEAE-650を挙げることができる。なお、担体の表面電荷は、導入する官能基の種類及び量により制御することができる。例えば、TOYOPEARL SuperQ-650の表面電荷は0.25[eq/L]であり、TOYOPEARL DEAE-650の表面電荷は0.1[eq/L]である。
【００１７】
また、担体としては、鉱物を使用することができる。正の表面電荷を有する鉱物を使用することもできる。正の表面電荷を有する鉱物としては、アルカリ系金属を主成分とするものを挙げることができる。例えば、Al、Ca、K、Na、Li、Ba、Fe、Mg等を挙げることができる。
【００１８】
担体にメタン生成菌を保持させるには、メタン生成菌を含む懸濁液、有機性廃棄物や嫌気性汚泥を含む溶液に担体を接触させればよい。ここで、表面電荷が正である担体を使用することによって、メタン生成菌及び他の微生物を含む有機性廃棄物や嫌気性汚泥を担体に接触させた場合でもメタン生成菌を優先的に保持させることができる。このとき、メタン生成菌を含む懸濁液、有機性廃棄物や嫌気性汚泥を含む溶液は、イオン強度を低くすることが望ましい。これら溶液のイオン強度が高い場合には、担体やメタン生成菌の表面電荷がマスクされるため、担体とメタン生成菌との間に静電気的相互作用が働かずにメタン生成菌を十分に保持できない虞がある。例えば、表面電荷が0.25[eq/L]以下である担体を使用する場合、溶液のイオン強度は100mM以下であることが好ましい。
【００１９】
ところで、上述した本発明に係る微生物担体は、原料からメタンガスを生成するメタン発酵槽を備えるメタン発酵装置に適用することができる。メタン発酵装置としては、例えば、図１に示すように、微生物担体１を内部に備えるメタン発酵槽２を備えるシステムを挙げることができる。メタン発酵槽２の内部には、所定の形状に加工された微生物担体１が複数配設されている。メタン発酵槽２は、内部に原料を供給するための投入部３と、微生物担体１に保持されたメタン生成菌から発生したメタンガスを排出するための排出部４と、メタン発酵処理が終了した後の残渣を回収するための残渣回収部５とを備えている。なお、図１は、メタン発酵装置の構成を模式的に示すものであり、微生物担体１の形状や個数、配設位置などは図１に示すものに限定されず適宜変更可能である。また、図１は、メタン発酵装置を簡略化して示すものであり、図１に示されていない装置構成、例えば、温度測定装置、温度調節装置及び攪拌装置などを備えるものであってもよい。
【００２０】
メタン発酵槽２を用いてメタンを生成する場合、原料としては、メタン生成菌が資化しうる炭素源を含有しているものであれば特に限定されない。原料としては、一般家庭や飲食店等から排出される生ごみ、海藻、畜産廃棄物等をあげることができる。なお、原料は、そのまま使用しても良いが、粉砕処理、加熱処理、若しくは微生物による発酵処理によりメタン生成菌が資化しうる酢酸等の有機酸含有量を増加させてから原料として使用してもよい。
【００２１】
メタン発酵槽２に原料が投入されると、上述した微生物担体に保持されているメタン生成菌によりメタンガスが発生する。メタン発酵槽２における反応条件は、メタン生成菌によるメタン発酵が進行しうる限り任意に設定することができる。例えば、嫌気性条件とし、温度を５５℃程度（高温発酵）とすることが好ましい。なお、３５℃程度のメタン発酵（中温発酵）においても使用できる。
【００２２】
発生したメタンガス（メタンガス、メタンガスと二酸化炭素との混合ガスを含む）は、図示しないガス精製設備で硫化水素の除去（脱硫）を行った後、ガス利用設備（例えば、ガスエンジン、ガスタービン、燃料電池等これらの設備を含むコージェネレーション設備、ボイラなど）に送られて電気、熱エネルギーとして利用される。なお、ガス精製設備の後に、ガス貯蔵設備（ガスタンク）を設置することが望ましい。必要に応じて、ガス圧縮機やドレン処理装置を用いる。コージェネレーション設備、ボイラを用いた場合には、得られる熱の全部または一部を熱処理槽の加熱、加温もしくは加熱、加温のための予熱の熱源として用いる。予熱の熱源としては、例えばメタン発酵槽２へ熱処理海藻溶液を移す際の、冷却時に発生（回収）する熱も利用することができる。コージェネレーション設備、ボイラから得られる熱の一部をメタン発酵槽２の加熱、加温に利用してもよい。これらの、熱利用を行うことで更にエネルギーの有効利用が図れる。また、メタンガスの利用法としては、自動車、船の燃料に用いることもできる。
なお、メタン発酵が行われた後にメタン発酵槽２に残った残渣は肥料として利用することができる。
【実施例】
【００２３】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されるものではない。
〔実施例１〕
本実施例では、表面電荷の異なる種々の担体に対して、メタン生成菌を含む懸濁液（他の微生物を含む）を接触させ、メタン生成菌の担体への付着試験を行った。なお、予備実験の結果として、メタン生成菌のEPMについて測定した結果、メタン発酵の行われる中性〜弱アルカリ領域において、弱い負の電荷を有することが新規知見として得られている。
【００２４】
先ず、メタン発酵槽から所定量の培養液をサンプリングし、リン酸緩衝液（pH=7、イオン強度I=10mM）を用いて６倍量に希釈した。なお、メタン発酵槽からサンプリングした培養液には、メタン生成菌が１mL当たり１０８cellのオーダーで含まれており、その他の微生物を併せて全菌数は１mL当たり１０９cellのオーダーであった。全菌の濃度は、細菌計算盤を用いて、１視野あたりの菌数から算出した。また、メタン生成菌の濃度は、細菌計算盤を用いて、１視野あたりのメタン生成菌（蛍光顕微鏡で確認）から算出した。
【００２５】
2mL用マイクロチューブに希釈した培養液500μLと各種担体（20％エタノールの懸濁液）を500μL入れ、プチローター（Model2210、和研薬社製）で回転（14.5rpm）させながら22時間接触させた。本実施例では、担体として東ソー株式会社製のTOYOPEARL SP-650、TOYOPEARL CM-650、TOYOPEARL SuperQ-650及びTOYOPEARL DEAE-650を使用した。TOYOPEARL SP-650は、親水性ビニルポリマー基材にスルホプロピル基が導入されたイオン交換能を有する樹脂で表面電荷が負（0.1[eq/L]）である。TOYOPEARL CM-650は、親水性ビニルポリマー基材にカルボキシメチル基が導入されたイオン交換能を有する樹脂で表面電荷が負（0.15[eq/L]）である。TOYOPEARL SuperQ-650は親水性ビニルポリマー基材に第４級アンモニウム基が導入されたイオン交換能を有する樹脂で表面電荷が正（0.25[eq/L]）である。TOYOPEARL DEAE-650は親水性ビニルポリマー基材に第３級アミノ基が導入されたイオン交換能を有する樹脂で表面電荷が正（0.1[eq/L]）である。
【００２６】
22時間の接触反応の終了後、10分程度静置し、担体を沈降させた。そして、マイクロチューブから培養液を取り出し、溶液中に含まれる微生物数を細菌計算盤を用いて１視野あたりの全菌数とメタン生成菌数を測定した（５視野）。その結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
表１に示した結果から、表面電荷が負の担体（TOYOPEARL SP-650及びTOYOPEARL CM-650）に対しては、培養液中にメタン生成菌を含む多くの微生物が存在していることから、担体への付着が起きていないと考えられる。これに対して、表面電荷が正の担体（TOYOPEARL SuperQ-650及びTOYOPEARL DEAE-650）に対しては、培養液中の菌数が大きく減少したことから、より多くのメタン生成菌を含む多くの菌が付着したことが分かる。特に、表面電荷が正であり、且つ電荷が高い（0.25[eq/L]）担体（TOYOPEARL SuperQ-650）では、培養液に含まれていた全てのメタン生成菌が付着したことから、メタン生成菌に対してより強い保持能力を有することがわかった。
【００２９】
〔実施例２〕
本実施例では、メタン生成菌を含む培養液と担体とを接触させる際のイオン強度と付着効率との関係を検討した。本実施例では、希釈した培養液500μLを、各種担体（20％エタノールの懸濁液）500μL及び各種イオン強度となるように調製したNaCl水溶液200μLと混合してプチローター（Model2210、和研薬社製）で回転（14.5rpm）させながら22時間接触させた以外は実施例１と同様にして実験を行った。なお、NaCl水溶液としてはイオン強度がI=300mM、600mM及び1800mMの３種類を準備した。また、本実施例では、担体としてTOYOPEARL SuperQ-650を使用した。
【００３０】
結果を図２に示す。図２の横軸は、担体とメタン生成菌を含む培養液とを接触させる際の溶液中のイオン強度を示している。図２の縦軸は、接触反応終了後の培養液に含まれるメタン生成菌及び全菌の濃度を示している。図２に示した結果から、担体とメタン生成菌を含む培養液とを接触させる際の溶液中のイオン強度が高くなるにつれて、担体に対するメタン生成菌や全菌の付着効率が低下していることが分かる。特に、担体とメタン生成菌を含む培養液とを接触させる際の溶液中のイオン強度が100mMを超えると、メタン生成菌の付着効率が低下する傾向にあることが分かる。この結果から、担体とメタン生成菌を含む培養液とを接触させる際には、イオン強度を100mM以下にすることが、メタン生成菌をより効率的に付着させる観点から好ましいことが分かった。
【符号の説明】
【００３１】
１…微生物担体、２…メタン発酵槽、３…投入部、４…排出部、５…残渣回収部
【図１】
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【図２】
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