(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ティシエレラ エスピー（Tissierella sp.）、ウェイセラ キバリア（Weissella cibaria）、ペプトストレプトコッカス ストマティス（Peptostreptococcus stomatis）、カトニア バルネサエ（Catonia barnesae）、及びエンテロコッカス サイランディクス（Enterococcus thailandicus）からなる群から選択される１以上の腸内細菌の培養物を有機性廃棄物と接触させて、20〜40℃及びpH6.0〜9.0の嫌気的環境下で該有機性廃棄物に含まれる有機窒素化合物中の窒素をアンモニアに転換する有機窒素化合物分解工程を含む有機性廃棄物の処理方法。
【請求項２】
ティシエレラ エスピー、ウェイセラ キバリア、ペプトストレプトコッカス ストマティス、カトニア バルネサエ、及びエンテロコッカス サイランディクスからなる群から選択される１以上の腸内細菌の培養物を有機性廃棄物と接触させて、20〜40℃及びpH6.0〜9.0の嫌気的環境下で該有機性廃棄物に含まれる有機窒素化合物中の窒素をアンモニアに転換する有機窒素化合物分解工程と、
前記有機窒素化合物分解工程により生成されたアンモニア成分を分離するアンモニア分離工程と、
前記アンモニア分離工程後の低窒素含有有機性廃棄物を原料としてメタン発酵を行うメタン発酵工程
を含むバイオガス製造方法。
【請求項３】
ティシエレラ エスピー、ウェイセラ キバリア、ペプトストレプトコッカス ストマティス、カトニア バルネサエ、及びエンテロコッカス サイランディクスからなる群から選択される１以上の腸内細菌の培養物を有効成分として含む、有機性廃棄物処理剤。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機性廃棄物の処理方法及びバイオガス製造方法、並びにそれらに適用する有機性廃棄物処理剤に関する。
【背景技術】
【０００２】
生ゴミ等のタンパク質を含む固形の有機性廃棄物をメタン発酵することによって、メタンガスを回収するとともに最終的な廃棄物量を低減するシステムが、循環型社会システムの形成に向けて実用化されつつある。メタン発酵は、メタノサルシナ属（以下、Methanosarcina属と表記する）等のメタン生成古細菌等によって進行するが、有機性廃棄物に含まれるタンパク質の分解に伴って生成されるアンモニアによって当該細菌を阻害するといった問題がある。そこで、有機性廃棄物に水を加えて当該細菌によるメタン発酵を阻害しない程度までアンモニア濃度を低下させる手法が考えられるが、有機性廃棄物の投入量に対し発酵処理量が大量になり、また発酵後に水処理施設が必要となるため、建設コスト、維持管理コストが高くなるという問題がある。
【０００３】
一方、メタン発酵の前処理として、超好熱嫌気性菌を用いて有機性廃棄物に含まれる有機物を分解する技術が特許文献１に開示されている。また、特許文献１には、有機物を分解する設備にアンモニア回収装置を付属させることも開示されている。しかし、特許文献１は、超好熱嫌気性菌を用いて有機性廃棄物を分解、可溶化するといった特徴が開示されているものの、当該超好熱嫌気性菌の具体例が何ら開示されていない。したがって、特許文献１に開示された技術において、超好熱嫌気性菌は有機性廃棄物を分解、可溶化する際にアンモニアを生成するのか否か不明である。
【０００４】
また、特許文献２には、有機性廃棄物を可溶化し、アンモニア及び水素を生成させ、生成したアンモニア及び水素を除去し、アンモニア及び水素が除去された可溶化有機性廃棄物をメタン発酵処理するといった技術が開示されている。特許文献２に開示された技術では、有機性廃棄物を可溶化するに際して56〜80℃の温度条件を採用しており、これによりアンモニアの生成速度を速めると行った特徴が開示されている。また、特許文献２に開示された技術では、この温度条件に見合った微生物を用いることが開示されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献1及び２のように、有機性廃棄物中のタンパク質等を分解させるためには、高温や高圧等の物理的、化学的処理を行わねばならず、別途装置の設置が必要となり、またランニングコスト面でもコスト高になるという問題があった。
【０００６】
【特許文献１】特開2003-326237号公報
【特許文献２】特開2006-205017号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題を鑑み、有機性廃棄物に高濃度で含まれる有機窒素化合物中の窒素をアンモニアに転換することのできる有機性廃棄物の処理方法、バイオガス製造方法及び有機性廃棄物処理剤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、本発明者らが鋭意研究を行った結果、プロテアーゼを産生する腸内細菌培養物と有機性廃棄物とを接触させ、嫌気的環境下で処理することで、当該有機性廃棄物に含まれるタンパク質中の窒素を効率的にアンモニアに転換できる知見を得た。本願発明は、当該知見に基づき完成されたものであり、以下を包含する。
【０００９】
本願第１の発明は、プロテアーゼを産生する腸内細菌培養物を有機性廃棄物と接触させて、嫌気的環境下で該有機性廃棄物中の有機窒素化合物を分解する有機窒素化合物分解工程を含む有機性廃棄物の処理方法を提供する。本発明に係る有機性廃棄物の処理方法においては、プロテアーゼを産生し、かつアミノ酸やペプチドを炭素源かつエネルギー源として資化する嫌気性腸内細菌を使用することによって、有機性廃棄物に含まれるタンパク質成分をアミノ酸に分解し、同一の又は別の細菌により、そのアミノ酸を炭素源としてアンモニアを生成することができる。それ故、本発明に係る有機性廃棄物の処理方法を用いることにより、その後のメタン発酵を行う工程において、メタン発酵の阻害要因の１つであるアンモニア成分の濃度を非常に低い状態で維持することができる。したがって、本発明に係る有機性廃棄物の処理方法によれば、メタン発酵を効率的に行うことができる。
【００１０】
本願第２の発明は、プロテアーゼを産生する腸内細菌培養物を有機性廃棄物と接触させて、嫌気的環境下で該有機性廃棄物中の有機窒素化合物を分解する有機窒素化合物分解工程と、前記有機窒素化合物分解工程により生成されたアンモニア成分を分離するアンモニア分離工程と、前記アンモニア分離工程後の低窒素含有有機性廃棄物を原料としてメタン発酵を行うメタン発酵工程を含むバイオガス製造方法を提供する。
【００１１】
本願第３の発明は、プロテアーゼを産生する腸内細菌を含む、有機性廃棄物中の有機窒素化合物を分解するための有機性廃棄物処理剤を提供する。本有機性廃棄物処理剤を上述した有機性廃棄物の処理方法及びバイオガスの製造方法において、有機窒素化合物分解工程で腸内細菌培養物として有機性廃棄物と接触させることにより、有機窒素化合物分解工程における有機性廃棄物中の有機窒素化合物の分解を効率的に行うことができる。
【００１２】
また本発明によれば、上述した有機性廃棄物の処理方法と同様な技術思想として有機性廃棄物処理システムを提供することができる。すなわち、本発明に係る有機性廃棄物処理システムは、プロテアーゼを産生する腸内細菌により有機性廃棄物を処理する有機窒素化合物分解槽と、前記有機窒素化合物分解槽で処理された有機性廃棄物とアンモニア成分とを分離するアンモニア分離装置と、上記アンモニア分離装置により処理した後の低窒素含有有機性廃棄物を原料としてメタン発酵を行うメタン発酵槽とを備えていてもよい。
【００１３】
さらに、本発明によれば、上述した有機性廃棄物処理システムに更に、上記メタン発酵槽で生成されたメタンを主成分とするバイオガスを回収して蓄積するバイオガス貯留槽を備えるバイオガス製造システムを提供することができる。
【００１４】
さらにまた、本発明によれば、上述した有機性廃棄物処理剤の調製方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の有機性廃棄物処理方法によれば、有機性廃棄物中の窒素を効率的にアンモニアに転換することができる。また、本発明のバイオガス製造方法によれば、有機性廃棄物を用いてメタン発酵を行うに際して、メタン発酵を安定的に行うことができる。それにより、有機性廃棄物を利用して効率よくメタンガスを主成分としたバイオガスを製造することができる。さらに、本発明の有機性廃棄物処理剤によれば、窒素酸化物を分解する腸内細菌培養物を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
＜実施形態１＞
本発明の一の実施形態は、プロテアーゼを産生する腸内細菌培養物を有機性廃棄物と接触させて、嫌気的環境下で該有機性廃棄物中の有機窒素化合物を分解する有機窒素化合物分解工程を含む有機性廃棄物の処理方法である。そこで、本発明を適用した有機性廃棄物処理システムを例に挙げ、以下、図面を参照して、本実施形態を詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本実施形態を適用した有機性廃棄物処理システムにおけるシステムフローの一例である。図１に示す有機性廃棄物処理システムは、有機窒素化合物分解槽１と、アンモニア分離装置２及びメタン発酵槽３とを備えている。このうち、本実施形態は有機窒素化合物分解槽１に適用される。そこで、以下、有機窒素化合物分解槽１について詳細に説明する。なお、本実施形態ではアンモニア分離装置２及びメタン発酵槽３は、必須の構成ではない。例えば、有機性廃棄物の処理において当該有機性廃棄物中の有機窒素化合物の分解のみを目的とする場合には、アンモニア分離装置２及びメタン発酵槽３は、必要としない。これらは、実施形態２で必要な構成要素である。したがって、アンモニア分離装置（２）及びメタン発酵槽３については、実施形態２で詳述する。
【００１８】
（有機窒素化合物分解槽）
「有機窒素化合物分解槽１」とは、プロテアーゼを産生する腸内細菌培養物を有機性廃棄物と接触させて、嫌気的環境下で該有機性廃棄物中の有機窒素化合物を分解する有機窒素化合物分解工程を実行するための槽である。すなわち、本有機窒素化合物分解槽１では、有機性廃棄物中の有機窒素化合物が、腸内細菌の代謝によってアミノ酸へと分解され、さらにアミノ酸は同一の腸内細菌又は他の微生物によって、アンモニアへと転換される。
【００１９】
「腸内細菌」とは、主として生物の消化管内、特に腸内に生息する細菌群である。本発明における腸内細菌は、上記腸内細菌のうち、プロテアーゼを産生する能力を有する嫌気性細菌（偏性嫌気性細菌及び通性嫌気性細菌を含む）を言う。中でも、10〜60℃の温度範囲内で培養可能な前記細菌が好ましい。このような腸内細菌であれば、特に限定されることなく本発明で使用することができる。例えば、バシラレス目（以下Bacillalesと表記する）及び／又はクロストリディアレス目（以下Clostridialesと表記する）のようなグラム陽性細菌門（以下Firmicutesとする）等に属する細菌等が挙げられる。さらに、具体的に例示するとエンテロコッカス属（以下Entercoccus属と表記する）、ペプトストレプトコッカス属（以下Peptostreptococcus属と表記する）、カトニア属（以下Catonia属と表記する）、ウェイセラ属（以下Weissella属と表記する）、クロストリジウム属（以下Clostridium属と表記する）及びティシエレラ属（以下Tissierella属と表記する）に属する細菌等が挙げられる。より具体的には、（１）配列番号１で示す塩基配列と同一の配列、又は好ましくは94%以上、より好ましくは96％以上、より一層好ましくは98％以上の配列相同性を有する16S rRNAで特定されるEntercoccus属に属する細菌、（２）配列番号２で示す塩基配列と同一の配列、又は好ましくは94%以上、より好ましくは96％以上、より一層好ましくは98％以上の配列相同性を有する16S rRNAで特定されるPeptostreptococcus属に属する細菌、（３）配列番号３で示す塩基配列と同一の配列、又は好ましくは90%以上、より好ましくは94％以上、より一層好ましくは96％以上、さらに好ましくは98％以上の配列相同性を有する16S rRNAで特定されるCatonia属に属する細菌、（４）配列番号４で示す塩基配列と同一の配列、又は好ましくは94%以上、より好ましくは96％以上、より一層好ましくは98％以上の配列相同性を有する16S rRNAで特定されるWeissella属に属する細菌、（５）配列番号５で示す塩基配列と同一の配列、又は好ましくは94%以上、より好ましくは96％以上、より一層好ましくは98％以上の配列相同性を有する16S rRNAで特定されるClostridium属に属する細菌、（６）配列番号６で示す塩基配列と同一の配列、又は好ましくは94%以上、より好ましくは96％以上、より一層好ましくは98％以上の配列相同性を有する16S rRNAで特定されるClostridium属に属する細菌、（７）配列番号７で示す塩基配列と同一の配列、又は好ましくは94%以上、より好ましくは96％以上、より一層好ましくは98％以上の配列相同性を有する16S rRNAで特定されるTissierella属に属する細菌が挙げられる。前記各配列の16S rRNAを有する細菌種の具体的な例として、前記（１）についてはエンテロコッカス  タイランディクス993株（Entercoccus thailandicus strain 993）、E.アクイマリヌス基準株（E. aquimarinus type strain）（DSM:No.17690, CCUG:No.51308）、E.ドゥランス基準株（E. durans type strain）（DSM:No.20633, ATCC:No.19432）、E.ファエシウム基準株（E. faecium type strain）（DSM:No.20477, ATCC:No.19434）若しくはE.フォエニクリコラ基準株（E. phoeniculicola type strain）（DSM:No.14726, ATCC:No.BAA-412）、前記（２）についてはペプトストレプトコッカス  ストマティスW2278株（Peptostreptococcus stomatis strain W2278）（DSM:No.17678, CCUG:No. 51858）、前記（３）についてはカトニア  バルネサエ（Catonia barnesae）（DSM:No.3244, ATCC：No.49795）、前記（４）についてはウェイセラ キバリアNRIC 0136株（Weissella cibaria NRIC 0136）若しくはW．キバリア基準株（W. cibaria type strain）（DSM:No.15878, CCUG:No.41967）、前記（５）についてはクロストリジウム  ソルデルリイHT5株（Clostridium sordellii strain HT5）若しくはC.ソルデルリイ基準株（C. sordellii type strain）（DSM:No.2141, ATCC：No.9714）、及び前記（６）についてはクロストリジウム  ノビイNT株（Clostridium novyi NT）若しくはC.ノビイ基準株（C. novyi type strain）（DSM:No.14992, ATCC：No.17861）等が挙げられる。
【００２０】
本発明で用いられる腸内細菌は、いずれか１種類を単独で使用してもよいし、複数種類を組み合わせて同時に又は連続的に使用することができる。また、前記「生物」は、脊椎動物又は無脊椎動物を問わない。しかしながら、本発明で用いられる腸内細菌を自然界から採取する場合には脊椎動物が好ましい。脊椎動物の腸内細菌は、高有機物負荷環境下においても適応でき、有機性廃棄物のような高有機物負荷環境下で使用する際に好都合だからである。家畜（例えば、ウシ、ブタ、ヒツジ、ニワトリ）や魚類は、腸を含む内臓の入手が容易なことからより好ましい。中でも魚類は、上記で列挙した全ての腸内細菌を調製しやすいことから特に好ましい。
【００２１】
「腸内細菌培養物」とは、本発明で用いられる腸内細菌を培養した産物をいう。腸内細菌培養物の詳細及び調製法については、実施形態3において詳述するので、ここではその説明を省略する。
【００２２】
本発明で「接触」とは、腸内細菌培養物を有機性廃棄物と物理的に触れ合わせることをいう。接触方法は、前記接触を達成できる方法であれば、特に限定はしない。例えば、接触順序としては、腸内細菌培養物を有機性廃棄物中に投入すること、腸内細菌培養物に有機性廃棄物を投入すること、又は腸内細菌培養物と有機性廃棄物とを同時に混合することも含む。接触形態は、腸内細菌培養物側であれば、例えば、培養液のような液体状態、又は菌塊からなるペレットのような固体状態であってもよい。また、有機性廃棄物側であれば、例えば、生ゴミを粉砕若しくは破砕した固体状態、多量の水分を含有する半流動状態、液体状態、又はそれらの混合状態のいずれであってもよい。腸内細菌培養物を又はその逆に有機性廃棄物を、分解処理中の腸内細菌培養物と有機性廃棄物の混合物に追加的に添加することもできる。このような追加的添加は、有機窒素化合物分解工程において、有機性廃棄物の分解を制御する上でも便利である。
【００２３】
接触に用いる腸内細菌培養物の量は、有機性廃棄物の種類、有機性廃棄物に含まれる有機窒素化合物の量により変動する。一般に、有機性廃棄物中には、在来の様々な細菌が存在する。それ故、有機性廃棄物中の有機窒素化合物を効率的に分解し、アンモニアを発生させるためには、これらの在来の細菌の活性を抑制し得る量の腸内細菌培養物を用いることが好ましい。例えば、有機性廃棄物中の細菌フローラに占める本発明の腸内細菌の占有率が、少なくとも40％以上、好ましくは60％以上、より好ましくは80％以上となるように用いるとよい。
【００２４】
「嫌気的」とは、酸素のない状態、又は酸素含有量の極めて低い状態をいう。本工程は嫌気的環境下で行われる。これは、本発明で用いられる腸内細菌が嫌気性細菌だからである。すなわち、使用する腸内細菌が酸素存在下で生存及び増殖のできない偏性嫌気性細菌の場合は、有機窒素化合物分解槽内を「嫌気的環境」にする必要がある。また、使用する腸内細菌が酸素存在下で生存可能な通性嫌気性細菌の場合であっても、有機窒素化合物分解槽内を嫌気的環境にすることで、有機性廃棄物中に存在する好気性細菌の増殖及び活性を抑制することができるからである。本工程において「嫌気的環境」は、例えば、有機窒素化合物分解槽における気相部分を除去すること、又は気相部分を、酸素を含まない気体（例えば、窒素ガス）で置換することによって達成できる。ガスを置換する方法は、ガス交換技術として当該分野では周知慣用の技術である。
【００２５】
本発明の「有機性廃棄物」とは、有機窒素化合物を含有する有機物を含む廃棄物をいう。具体例としては、特に限定されないが、水産加工廃棄物、漁業系廃棄物、生ごみ、都市下水汚泥、食品廃棄物、家畜糞尿及び下水余剰汚泥等を挙げることができる。本発明に係る有機性廃棄物としては、水産加工工場、漁港、食品工場及び各種工場等から排出された状態のものを使用することができる。また、本発明に係る有機性廃棄物は、本発明に係る有機性廃棄物処理システムに適用する前に水分含量を調節するような前処理、所望の大きさまで粉砕するような前処理等を適宜行ったものであってもよい。
【００２６】
本発明の「有機窒素化合物」とは、アミノ基を有する有機化合物をいう。例えば、タンパク質、その分解物、ペプチド又はアミノ酸が該当する。本実施形態では、有機性廃棄物中に含まれるタンパク質やペプチドが、プロテアーゼを産生する本発明の腸内細菌によってアミノ酸へと分解され、さらにアミノ酸は同一の腸内細菌又は他の微生物によって、有機酸及びアンモニアへと転換される。これらの反応を利用して、有機性廃棄物中の有機窒素化合物を分解することを目的としている。
【００２７】
本発明に係る有機性廃棄物処理システムでは、有機窒素化合物分解槽１は、その内部温度が、腸内細菌由来のプロテアーゼによるタンパク質分解活性の至適温度範囲及び／又は至適pHとなるように制御することが好ましい。例えば、上記で例示した腸内細菌を使用する場合、有機窒素化合物分解槽１の内部は、10℃〜60℃、好ましくは20℃〜60℃、より好ましくは20℃〜40℃、さらに好ましくは25℃〜35℃の温度範囲となるように制御する。前記温度は、本発明で用いる腸内細菌の至適培養温度でもある。また、pHについても初期設定時、すなわち腸内細菌培養物と有機性廃棄物との接触開始時の有機窒素化合物分解増１内のpHが好ましくは、pH6.0〜pH9.0、より好ましくはpH6.5〜pH8.0、さらに好ましくはpH7.0〜pH7.5の範囲となるように制御する。
【００２８】
本発明における有機窒素化合物分解工程の至適温度範囲は、上記のように、ほぼ常温範囲内にあり得る。また、有機窒素化合物等の分解に伴う分解熱や発酵熱を利用することもできる。したがって、通常は、特段の加熱制御を行わずとも至適温度を維持することが可能である。もちろん、必要に応じて、加熱を行ってもよい。その場合の、有機窒素化合物分解槽１の温度制御の方法や手段としては、特に限定されない。例えば、メタン発酵槽（３）を有する場合には、当該メタン発酵槽３で生成されたメタンガスをコージェネ利用する際ら得られる熱を利用したり、本発明に係る有機性廃棄物処理システムから最終的に排出される残査を処理するための溶融炉や燃焼室並びにボイラーからの熱を利用することができる。なお、これら溶融炉や燃焼室並びにボイラーについては、図１に示していないが、これら施設は本発明に係る有機性廃棄物処理システムに併設することができる。すなわち、本発明に係る有機性廃棄物処理システムは、これら溶融炉や燃焼室並びにボイラーを含むものであっても良い。また、分解熱により、逆に有機性廃棄物の温度が至適温度範囲を超える場合には、後述の攪拌手段によって放熱させたり、又は必要に応じて有機窒素化合物分解槽１内に水やバッファを加えて冷却することもできる。
【００２９】
有機窒素化合物分解槽１のpH制御の方法や手段は、当該分野では周知の技術であり、特に限定されない。例えば、有機窒素化合物分解増１内が所定のpHよりも酸性側に傾いている場合には、水酸化ナトリウム溶液等を加えて調整することができる。
【００３０】
有機窒素化合物分解槽１は、攪拌手段を有していてもよい。攪拌により、槽内の腸内細菌と有機性廃棄物との接触率が高まり、有機窒素化合物の分解効率が高めることができる（すなわち、アンモニアの発生速度を速めることができる）。攪拌手段は、槽内物質を攪拌できる手段であれば、特に限定はしない。例えば、攪拌羽を有し、その回転により攪拌を行う攪拌装置の他、有機窒素化合物分解槽１自体を振とう若しくは回転する攪拌装置が挙げられる。
【００３１】
有機窒素化合物分解槽１における処理時間については、有機性廃棄物の種類、有機窒素化合物含有量、用いる腸内細菌培養物の量、処理温度等の様々な要素によって変化する。したがって、処理時間は、当業者が各要素に応じて適宜定めればよい。本発明では、有機性廃棄物中の窒素の約４０％、より好ましくは約６０％、特に好ましくは約８０％がアンモニア転換されるまで処理することが好ましい。これは、本工程後に、引き続きメタン発酵工程を行う場合、メタン発酵を効率的に行うことができるからである。
【００３２】
以上、説明したように本発明の有機窒素化合物分解槽１によれば、腸内細菌由来のプロテアーゼによって有機性廃棄物に含まれるタンパク質成分がアミノ酸或いはペプチドに分解される。生成したアミノ酸或いはペプチドは腸内細菌によって資化され、脂肪酸及びアンモニアが生成される。言い換えると、有機窒素化合物分解槽１によれば、有機性廃棄物中の窒素含有量を大幅に低減させることができる。
【００３３】
また、本発明の有機性廃棄物の処理方法によれば、有機窒素化合物分解工程を常温若しくはそれに近い温度で行うことができる。したがって、本発明の有機性廃棄物の処理方法を用いれば、高温、高圧等の物理的又は化学的な処理を行うための特殊な装置の設置の必要がなく、ランニングコストを抑えることも可能となる。
【００３４】
有機窒素化合物分解槽１における処理を終了した時点で、高濃度のアンモニアを含む低窒素含有有機性廃棄物中の細菌フローラに占める本発明の腸内細菌の占有率が、少なくとも40％以上、好ましくは60％以上、より好ましくは80％以上あれば、高濃度のアンモニアを含む低窒素含有有機性廃棄物を次工程に全量送らず、一部を種菌として残し、ここに新たな有機性廃棄物を加えて、有機窒素化合物分解工程を実施してもよい。
【００３５】
＜実施形態２＞
本発明の他の実施形態は、プロテアーゼを産生する腸内細菌培養物を有機性廃棄物と接触させて、嫌気的環境下で該有機性廃棄物中の有機窒素化合物を分解する有機窒素化合物分解工程と、前記有機窒素化合物分解工程により生成されたアンモニア成分を分離するアンモニア分離工程と、前記アンモニア分離工程後の低窒素含有有機性廃棄物を原料としてメタン発酵を行うメタン発酵工程を含むバイオガス製造方法である。そこで、本発明を適用したバイオガス製造システムを例に挙げ、以下、図面を参照して、本実施形態を詳細に説明する。
【００３６】
実施形態1の説明で用いた図１は、同時に本実施形態を適用したバイオガス製造システムにおけるシステムフローの一例ともなり得る。図１に示すバイオガス製造システムは、有機窒素化合物分解槽１と、アンモニア分離装置２及びメタン発酵槽３とを備えている。また、図１では記載していないが、メタン発酵槽３におけるメタン発酵によって生成されたメタンを主成分とするバイオガスを回収し、蓄積するメタン貯留槽を備えることもできる。このうち、有機窒素化合物分解槽１の構成は、前記実施形態１と同じであるためその説明は省略する。ここでは、本実施形態における他の必須の構成である、アンモニア分離装置２及びメタン発酵槽３、及び付加的構成であるメタン貯留槽について説明する。
【００３７】
（アンモニア分離装置）
「アンモニア分離装置」２は、前記有機窒素化合物分解槽１で生成されたアンモニア成分と低窒素含有有機性廃棄物とを分離する工程を実行するための装置である。言い換えると、本発明に係る有機性廃棄物処理システムでは、メタン発酵槽３に供給する低窒素含有有機性廃棄物として、タンパク質に含まれる窒素をアンモニアとして除去した低窒素含有有機性廃棄物を準備することができる。
【００３８】
「アンモニア成分」とは、有機窒素化合物分解槽１において本発明で用いられる腸内細菌の代謝作用により発生したアンモニア、及びその誘導体をいう。
【００３９】
有機性廃棄物とアンモニア成分とを除去する方法及び手段としては、何ら限定されず、従来公知の方法及び装置を適用することができる。例えば、アンモニアストリッピング法、担体に吸着させる方法、化学反応を利用してアンモニアを窒素に転換する方法等を挙げることができる。本発明に係る有機性廃棄物処理システムにおいて、アンモニア分離装置２とは、これらの方法を適用して有機性廃棄物とアンモニアとを分離する装置である。
【００４０】
アンモニアストリッピング法を適用したアンモニア分離装置２としては、有機窒素化合物分解槽１による処理後の有機性廃棄物のpHをアルカリ側に調整する手段と、その後、スチームや空気等のガスを供給する手段とを備えている。有機性廃棄物に含まれるアンモニウムイオンは、pHをアルカリ側に調整することでアンモニアに転換され、ガスにより気相へと排出される。このようにしてアンモニア分離装置２によれば、有機性廃棄物に含まれるアンモニア成分を分離することができる。なお、アンモニア分離装置２は、分離した後のアンモニアを回収する回収装置を備えていても良い。
【００４１】
以上のようにして、有機性廃棄物とアンモニアとを分離することができ、その結果、処理対象の有機性廃棄物の窒素含有量を大幅に低減させることができる。
【００４２】
（メタン発酵槽）
「メタン発酵槽」３は、アンモニア分離装置２で処理した後の低窒素含有有機性廃棄物を原料としてメタン発酵を行う工程を実行するため槽である。
【００４３】
メタン発酵槽３に供給される有機性廃棄物には、上述した一連の工程を経ることによって腸内細菌がタンパク質成分から生成した低級脂肪酸が含まれている。有機性廃棄物に含まれる低級脂肪酸は、そのままメタン生成微生物によってメタン発酵の基質として利用されるか、又は他の微生物の基質として利用されメタン生成微生物によるメタン発酵の基質に変換される。メタン生成微生物は、水素及びギ酸を基質とするもの、或いは酢酸を基質とするものが知られている。したがって、メタン発酵の基質としては、水素、ギ酸及び酢酸を挙げることができる。
【００４４】
ここで、メタン生成微生物としては、メタン発酵能を有する微生物であれば特に限定されず、例えば、メタノバクテリウム属（Methanobacterium属）に属する細菌や、メタノブレビバクター属（Methanobrevibacter属）に属する細菌、メタノコッカス属（Methanococcus属）に属する細菌、メタノミクロビウム属（Methanomicrobium属）に属する細菌、メタノゲニウム属（Methanogenium属）に属する細菌、メタノスピリルム属（Methanospirillum属）に属する細菌、Methanosarcina属に属する細菌（酢酸資化性メタン生成古細菌）、メタノサエタ属（Methanosaeta属）に属する細菌（酢酸資化性メタン生成古細菌）等を挙げることができる。本発明に係る有機性廃棄物処理システムにおいては、これらメタン生成微生物のいずれを単独で使用しても良いし、複数種類を組み合わせて使用しても良い。
【００４５】
また、メタン発酵槽３は、これらメタン生成微生物以外の微生物が生育していても良い。例えば、有機性廃棄物に含まれる低級脂肪酸を、メタン生成微生物によるメタン発酵の基質として利用しうる物質へと代謝するような微生物がメタン発酵槽３内で生育していても良い。
【００４６】
本発明に係る有機性廃棄物処理システムにおいては、上述した一連の工程によって有機性廃棄物の窒素含有量が大幅に低減されているため、メタン生成微生物を阻害する要因となるアンモニアの生成が大幅に低減されることになる。このため、メタン生成微生物によるメタン発酵は、安定的に且つ効率的に進行することとなる。
【００４７】
(メタン貯留槽)
本発明に係るバイオガス製造システムにおいては、メタン発酵槽３で発生したメタンガスを主成分とするバイオガスを回収しておくメタン貯留槽を備えていても良い。回収したバイオガスは、石油の代替品として広く利用することができる。例えば、バイオガスをCompressed Natural Gas（CNG）として利用して、CNGを燃料とする自動車エンジン等の内燃機関に利用することができる。また、回収されたバイオガスは、熱と電気を同時に供給することができる熱電併給システム（コージェネレーションシステム）の燃料として利用することもできる。
【００４８】
以上、説明したように、本発明に係るバイオガス製造システムは、有機性廃棄物を初期原料としてメタン発酵を安定的且つ高効率で行うことができるため、有機性廃棄物を有効に利用した循環型社会のインフラストラクチャーとして利用することが期待される。なお、本発明に係る有機性廃棄物処理システムは、図１に示したように有機窒素化合物分解槽（１）、アンモニア分離装置２及びメタン発酵槽３を備える構成に限定されるものではない。上述した腸内細菌によるプロテアーゼ処理、生成したアンモニアと有機性廃棄物との分離及びメタン発酵を全て同一の槽内で行うこともできる。また、有機窒素化合物分解槽１、アンモニア分離装置２及びメタン発酵槽３は、それぞれ異なる場所に設置されていても良い。
【００４９】
＜実施形態３＞
本発明の他の実施形態は、プロテアーゼを産生する腸内細菌を含む、有機性廃棄物中の有機窒素化合物を分解するための有機性廃棄物処理剤である。
【００５０】
本実施形態の有機性廃棄物処理剤は、前記実施形態１又は実施形態２で用いられる腸内細菌培養物と同義である。すなわち、「有機性廃棄物処理剤」とは、前記腸内細菌培養物と同様に、本発明で用いられる実施形態1に記載した腸内細菌を培養した産物をいう。ここでいう「産物」とは、主として腸内細菌をいうが、腸内細菌の培養によって生じた酵素、生理活性物質及び／又は代謝産物、並びに／或いは培地を含んでいてもよい。それ以外にも有機窒素酸化物のアンモニア転換に寄与しない他の細菌等を含むことができる。ただし、有機性廃棄物処理剤における細菌フローラは、本発明で用いられる腸内細菌が優占状態にある必要がある。腸内細菌培養物は、腸内細菌の少なくとも20％以上、好ましくは40％以上、より好ましくは60％以上、さらにより好ましくは80％以上が生存状態にあれば、その形態は特に問わない。例えば、液体状態、半流動状態、固体状態、又はそれらの組み合わせとすることができる。液体状態としては、例えば、培地を含む培養液そのもの、又は一旦培養した腸内細菌を遠心等により培地から分離した後、適当なバッファ中に再懸濁した懸濁液が挙げられる。半流動状態としては、腸内細菌をゲル状物質（例えば、増粘性多糖類）に混在させたものが挙げられる。さらに、固体状態としては、腸内細菌を炭等の多孔質材に付着させたものの他、おがくずや繊維（例えば、紙や布）に付着させたものが挙げられる。あるいは、液体状態や半固体状態の腸内細菌培養物を、生分解可能なカプセル等にパッケージした状態とすることもできる。
【００５１】
腸内細菌は、自然界から、又はメーカー若しくは寄託研究機関から入手することができる。メーカー若しくは寄託研究機関で純粋培養された腸内細菌を用いる場合は、前述のように単一種で用いてもよいし、複数種を、例えば、表２に記載した比率で混合して用いることもできる。最も簡便な入手方法は、家畜や魚類等の腸から採取する方法である。
【００５２】
有機性廃棄物処理剤、すなわち腸内細菌培養物の調製は、適当な培地に本発明の腸内細菌を播種した後、所定の時間、所定の条件で培養することで達成できる。「培地」は、本発明の腸内細菌が増殖可能であれば、その種類や組成は特に限定しない。例えば、GAM培地（日水製薬）のような当該分野で公知の培地を使用することができる。又は、天然培地（例えば、内臓をミル若しくはフードプロセッサ等を用いて破砕したもの）を使用してもよい。「所定の時間」は、本発明で用いられる腸内細菌が十分量増殖するのに必要な時間である。通常は、培養開始後に本発明の腸内細菌が対数期又は定常期に達するまでの時間をいう。本時間は、培養する腸内細菌の種類、播種菌数、培養条件（例えば、温度、pH、攪拌の有無等）の諸要件により変化する。それ故、所定の時間は、これらの条件に基づき当業者に周知の技術によって測定し、適宜決定すればよい。また「所定の条件」は、本発明で用いられる腸内細菌を優先的に培養するための培養条件である。例えば、前記のように、嫌気的環境下、10〜60℃の温度範囲、及び初期設定でpH6.0〜pH9.0のpH範囲等が該当する。一例として、本発明の有機性廃棄物処理剤の簡便な調製方法を以下で説明する。まず、家畜や魚類等から採取された腸内細菌を含む腸若しくはその腸を含む内臓を破砕する。これにより本発明で用いられる腸内細菌と天然培地を同時に入手し、かつ調製することができるので便利である。次に、前記内臓破砕物をリアクター内に投入し、気相部を窒素ガスで置換し、嫌気的環境に置く。続いて、約pH7.0に調整し、25℃〜40℃で１〜２週間攪拌しながら培養する。培養後、この培養液を本発明の有機性廃棄物処理剤として用いてもよいし、遠心後、液体部分を除いた沈殿物（ペレット）を有機性廃棄物処理剤として用いることもできる。
【実施例】
【００５３】
以下、実施例により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。
【００５４】
＜実施例１＞
（目的）魚類の内臓由来の腸内細菌によるタンパク質分解及びアンモニア生成の効果、混合比等を検証する。
【００５５】
（材料）
・腸内細菌：天然の魚類の腸内細菌を用いた。スーパー(マルエツ)の魚売り場から入手した魚類の残渣のうち主に腸を含む内臓部分を選別したものをミートミルサーでミンチ化して用いた。
・有機性廃棄物：一般食堂から出た残飯（生ゴミ）をフードプロセッサで粉砕したものを用いた。
【００５６】
（方法）前記腸内細菌(魚類残渣)と有機性廃棄物とを全量50gになるように、それぞれ10:0（魚類残渣100％：ベースコントロール）、8:2（魚類残渣80％）、6:4（魚類残渣60％）、4:6（魚類残渣40％）、0:10（魚類残渣0％：ネガティブコントロール）の割合で混合し、37℃で３日間放置（初期pH調整なし）。各混合液から０、１、２、３日目に分析用試料をサンプリングした。各日のNH4-N濃度を測定し、NH4-N生成量及びNH4-N転換率を算出した。
【００５７】
（結果）結果を図２、及び表１に示す。図２ａは各混合液におけるNH4-N濃度(ppm)を、図２ｂは各混合液におけるNH4-N転換率をそれぞれ示している。また、表１はNH4-N生成量を示している。図２ａ、２ｂ及び表２から、腸内細菌（魚類残渣）を80％で混合したときのNH4-N転換率が最も高かったことから、以降の実験では、腸内細菌培養物と有機性廃棄物との混合比を8:2で行うこととした。
【００５８】
【表１】
0005386112.tif 000002
【００５９】
＜実施例２＞
（目的）魚類の内臓由来の腸内細菌培養物によるタンパク質分解及びアンモニア生成の効果を連続実験により検証する。
【００６０】
（材料）
・腸内細菌培養物：スーパーの魚売り場から入手した魚類の残渣のうち主に腸を含む内臓部分を選別したものをミートミルサーでミンチ化した。それをリアクターに8L投入し、気相部分を窒素ガスで交換した後、37℃で撹拌しながら培養した。１３日後、培養液中のアンモニア濃度が高濃度で安定したため、この培養液を腸内細菌培養物とした。なお、リアクターは、容積が12Lで、縦方向に撹拌羽を1ヶ内蔵しており、これを実験期間中10rpmの一定速度で連続回転させた。
・有機性廃棄物：一般食堂から出た残飯（生ゴミ）をフードプロセッサで粉砕したものを用いた。
【００６１】
（方法）１３日間培養した8Lの腸内細菌培養物に、有機性廃棄物である生ごみを0.2kg混合した。その後、連続して１６日間、毎日0.2kgの有機性廃棄物分解産物（腸内細菌培養物と有機性廃棄物の反応物）を抜き取り、新規に生ゴミ0.2kg投入し、各日（腸内細菌培養物調製期間の１３日間を含む）のNH4-N生成量、T-N、NH4-N転換率を算出した。なお、４日目にリアクター内ガス蓄積により内容物が溢れ出てしまったため、４日目以降は、容積を7Lに変更した。COD容積負荷は、混合０日目〜４日目で11.6CODcr−kg/m3・day、混合４日目〜１６日目で13.2 CODcr−kg/m3・dayである。
【００６２】
（結果）結果を図３に示す。魚類内臓に天然に生息していた腸内細菌を魚内臓を培地として１３日間培養することによって魚内臓タンパク質由来の窒素を70%以上アンモニア態窒素に転換することができた。また、この培養液を本発明の腸内細菌培養物として、処理すべき有機性廃棄物(生ゴミ)投入後も60%以上の高いアンモニア転換率を維持できることがわかった。
【００６３】
＜実施例３＞
（目的）魚類の内臓由来の腸内細菌のタンパク質分解における至適温度を検証する。
【００６４】
（方法）複数の魚類の内臓をミンチ化し、混合した後、10mol/lのNaOHでpH7.0に調整した。それを７本のバイアルに分注し、N2ガスを挿入後、密栓して、バイアル内部を嫌気状態とした。培養温度は、それぞれ30、35、40、45、50、55、及び60℃に設定して、７日間培養を行い、NH4-N生成量と転換率を算出した。
【００６５】
（結果）結果を図４に示す。７日間の培養では30℃でNH4-N転換率が最も高く、33％に達していた。したがって、魚類の内臓由来の腸内細菌を用いた場合、初期pH7.0では至適培養温度は、約25℃〜35℃であることが明らかとなった。
【００６６】
＜実施例４＞
（目的）魚類の内臓由来の腸内細菌のタンパク質分解における至適pHを検証する。
【００６７】
（方法）複数の魚類の内臓をミンチ化し、混合した後、10mol/lのNaOHでpHを7.0、7.5、8.0、8.5、9.0に調整した。それらをバイアルに分注し、N2ガスを挿入後、密栓して、バイアル内部を嫌気状態とした。培養温度は37℃に設定して７日間培養を行い、NH4-N生成量と転換率を算出した。なお、pH無調整のものも同様に作製し、培養を行った。
【００６８】
（結果）結果を図５に示す。７日間の培養では、初期設定時pH6.9〜7.5でNH4-N転換率が35％と最も高く、魚類の内臓由来の腸内細菌を用いた場合、培養温度37℃では至適pHは、約pH6.9〜7.5であることが明らかとなった。
【００６９】
＜実施例５＞
（目的）有機窒素化合物分解能を有する本発明で使用される腸内細菌を同定するため、実施例２の腸内細菌培養物中に優占する細菌を同定した。
【００７０】
（方法）実施例２の腸内細菌培養物の調製開始後５日目の培養液を一部採取し、遠心して沈殿物を回収した後、公知技術に基づいてDNA抽出を行った。続いて、細菌の16S rRNA遺伝子を標的としたPCRをEUB10FとUNIV1490Rのプライマーを用いて行い、クローニングに供した。約50のクローニング産物についてシークエンス解析を行い、配列相同性から細菌種を同定した。なお、実施例２より、この腸内細菌培養物中に生息する腸内細菌は、魚類内臓タンパク質由来の窒素を70%以上アンモニア態窒素に転換することが可能な、すなわち、プロテーアーゼを産生し、その後分解されたアミノ酸をアンモニアに転換できる細菌であることが立証されている。
【００７１】
（結果）表２に結果を示す。魚類の内臓を培養することによって種菌中にはBacillales、ClostridialesなどのFirmicutesに属する細菌が優占化していることが確認された。
【００７２】
【表２】
0005386112.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明を適用した有機性廃棄物処理システムにおけるシステムフローの一例を示す模式図である。
【図２ａ】腸内細菌培養物と有機性廃棄物との混合液におけるNH4-N濃度(ppm)を示す特性図である。
【図２ｂ】腸内細菌培養物と有機性廃棄物との混合液におけるNH4-N転換率(％)を示す特性図である。
【図３】魚類の内臓由来の腸内細菌培養物によるタンパク質分解及びアンモニア生成の効果を示す特性図である。
【図４】魚類の内臓由来の腸内細菌におけるタンパク質分解と培養温度との関係を示す特性図である。
【図５】魚類の内臓由来の腸内細菌におけるタンパク質分解とpHとの関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００７４】
１…有機窒素化合物分解槽
２…アンモニア分離装置
３…メタン発酵槽
４…腸内細菌培養物又は有機性廃棄物処理剤
【図１】
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【図２ａ】
0005386112.tif 000005
【図２ｂ】
0005386112.tif 000006
【図３】
0005386112.tif 000007
【図４】
0005386112.tif 000008
【図５】
0005386112.tif 000009
【配列表】
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