(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃水を処理するための生物−電気化学的システムであって、
反応チャンバと、
前記反応チャンバ内に配置された２つ以上のアノード／カソード対であって、各アノード／カソード対が少なくとも１つのアノードと少なくとも１つのカソードとを含み、実質的に近接し連続して配列された、２つ以上のアノード／カソード対と、
前記アノードに近接する少なくとも１つのエキソエレクトロジェニック微生物と、
１本以上の導線を含む１つ以上の支持構造物あって、鉛直方向に配置された前記２つ以上のアノード／カソード対を支持する支持構造物と、
前記２つ以上のアノード／カソード対における１つ以上の前記アノード及び前記カソードに対して電圧を前記導線を介して印加するように配置された電源と
を含み、
水またはガスが前記反応チャンバの中を上向きに流れるように前記反応チャンバが配置されている、
生物−電気化学的システム。
【請求項２】
前記２つ以上のアノード／カソード対が、前記電源と直列または並列で電気的に接続されている、請求項１に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項３】
前記２つ以上のアノード／カソード対が、それぞれ独立して前記電源に配線されている、請求項１に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項４】
前記２つ以上のアノード／カソード対にそれぞれ複数の異なる電圧を印加する、請求項１に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項５】
前記２つ以上のアノード／カソード対のそれぞれのカソード電位が変化する、請求項１に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項６】
少なくとも１つの前記アノード／カソード対が、連続して配列された２つのアノードと１つのカソードとを含む、請求項１に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項７】
少なくとも１つの前記アノード／カソード対が、連続して配列された２つのカソードと１つのアノードとを含む、請求項１に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項８】
前記２つ以上のアノード／カソード対のカソードが、前記アノードの表面積よりも大きい表面積を含む、請求項１に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項９】
前記２つ以上のアノード／カソード対が丸い形状である、請求項１に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項１０】
ガスがアノード／カソード対の横を通ってチャンバの上へ流れることができるように前記２つ以上のアノード／カソード対が配置されている、請求項１に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項１１】
水またはガスがアノード、次いでカソードを通って上向きに流れるように前記２つ以上のアノード／カソード対それぞれの前記アノードと前記カソードが配列されている、請求項３に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項１２】
前記アノード／カソード対それぞれの前記アノードと前記カソードが、バイオチャー、グラファイト粒、ステンレス鋼、ワイヤメッシュ、炭素メッシュ、炭素布、炭素繊維、炭素フェルトまたは炭素粒からなる群より選択される材料からなる、請求項１に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項１３】
前記アノードとカソードが異なる材料からなる、請求項１２に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項１４】
前記アノードが炭素メッシュ、炭素布、炭素繊維または炭素フェルトからなり、前記カソードがステンレス鋼からなる、請求項１３に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項１５】
前記アノードまたはカソードが２種類以上の材料からなる、請求項１２に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項１６】
前記アノード／カソード対それぞれの前記アノードとカソードが多孔性絶縁層により分離されている、請求項１に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項１７】
前記多孔性絶縁層がプラスチック材料である、請求項１６に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項１８】
前記アノードとカソードが前記多孔性絶縁層の両面に塗布されている、請求項１６に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項１９】
少なくとも１つの硫化物酸化微生物をさらに含む、請求項１に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項２０】
前記硫化物酸化微生物がシュードモナスの種である、請求項１９に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項２１】
前記シュードモナスの種がシュードモナス・プチダである、請求項２０に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項２２】
前記支持構造物は、導電性であり、
前記電圧が、前記支持構造物を通って前記２つ以上のアノード／カソード対の少なくとも１つのアノードと少なくとも１つのカソードに印加される、請求項１から請求項２１の何れか１項に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項２３】
少なくとも１つの前記アノード／カソード対が空気カソードを含む、請求項１に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項２４】
前記支持構造物は、前記アノードに電気的に接続されたアノード側支持構造物と前記カソードに電気的に接続されたカソード側支持構造物とを有する請求項１から請求項２３の何れか１項に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項２５】
前記電源は、前記アノードの電位を維持したまま、前記カソードの電位を前記反応チャンバでの反応速度に応じて変化させるように前記アノード側支持構造物及び前記カソード側支持構造物に電圧を印加する請求項２４に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項２６】
前記支持構造物は、前記２つ以上のアノード／カソード対を吊るした１本以上の導線である請求項１から請求項２５の何れか１項に記載の生物−電気化学的システム。
【請求項２７】
少なくとも１つ以上の前記アノード／カソード対における前記アノードと前記カソードとの間に電子貯蔵装置を配置した請求項１から請求項２６の何れか１項に記載の生物−電気化学的システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の参照
本特許出願は、２０１０年７月２１日に出願された米国特許仮出願第６１／３６６，２７１号および２０１０年１０月１９日に出願された米国特許仮出願第６１／３９４，５７６号の利益を主張するものである。上記の各明細書は、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は全般的には、水、廃水、ガスおよびその他の生分解性物質を処理し、そのような物質から付加価値生産物を生成するための生物−電気化学的システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
水の処理および監視は重要な社会的必要事項である。米国で生産される総電力の約３パーセント（３％）が廃水処理基盤施設により消費されている。生産される電力のうち、約１．５パーセントが（１．５％）が実際の廃水処理に使用される。嫌気性消化（ＡＤ）を用いて、より濃縮された廃水流を処理すると同時にバイオガス（メタン、水素および少しの二酸化炭素からなる）を発生させることができる。
【０００４】
ＡＤはよく理解された工程であり、エネルギー消費の多い曝気の必要性を減らし、バイオソリッド（スラッジ）の正味の低減をもたらす。嫌気性消化により生成されたバイオガス中のエネルギーを、次にジェネレータ、燃料電池などの装置を用いて取り出すことができる。近年、嫌気性消化によるバイオガスおよび天然ガスが、我々のエネルギー需要に対する重要な部分的解決法として浮上してきた。メタンの燃焼により、潜在的な温室効果ガスが除去され、熱と電気の両方が発生し、現場で使用するか、または送電網に売り戻す。ガスが嫌気性消化により発生すれば、電気はカーボンニュートラルなものとなる。
【０００５】
残念なことに、ＡＤには、以下のような不利な点がいくつかある：（１）比較的滞留時間が長く、大きな設置面積が必要である；（２）バイオガス中のＣＯ２濃度が高い；（３）ｐＨ調節（苛性物質の添加）が必要である；（４）ＡＤシステムが最適に機能して、システムが温度、ｐＨおよび流入する有機物に対して高感度になるように、微生物パートナー間の複雑な連携が必要である；ならびに（５）バイオガス中の硫化水素（Ｈ２Ｓ）のレベルが高い。現在の嫌気性消化による方法は一般に、環境中に放出可能な低レベルまで水を処理する効果はない。こうした欠点が積み重なって廃水処理のコストが高くなり、このことが、産業および自治体の範囲で利用することに影響を及ぼしている。
【０００６】
ＡＤに関連する最も重要な問題の１つは、バイオガス中の硫化水素（Ｈ２Ｓ）レベルが高いということである。その濃度は、原料にもよるが、通常は０．１％〜２％の範囲である。Ｈ２Ｓは臭気があり、内燃機関に対する腐食性が強く、また大気汚染物質であると考えられているため、燃焼する前にバイオガスから除去（または洗浄）されなければならない。したがって、小規模から中規模で効率的に機能する低コストのＨ２Ｓ除去技術の必要性は大きい。現在、天然ガスからこのような酸性化合物を洗浄するための様々な解決法がある。例えば、苛性物質および塩素または次亜塩素酸ナトリウムを使用する湿式洗浄装置を用いて、Ｈ２Ｓを非常に低レベルまで低減することができる。しかし、化学薬品の貯蔵、計量および制御装置はすべて、洗浄装置のコストを増大させるものである。化学薬品は有害であり、またＨ２Ｓを処理するのに必要なその量が非常に多いため、洗浄装置を稼動するコストはすぐに上がり得る。
【０００７】
近年、新規な「電気生成」微生物が、ガスおよび液体流中の酸を含めた様々な基質を酸化および還元すると同時に、電極との電気的接触を維持することが可能であることを示す発見がなされている。多くの場合、電気生成微生物が電極で電子を供与または受容する能力により、これらだけではないが、特に反応速度、反応制御および稼動範囲に関して望まれる化学反応の発生が増大する。このような生物学的ろ過法の欠点は、この方法が化学的洗浄よりも時間がかかることがあり、栄養分の添加およびシステムへの多量の空気の流入を含めた維持を必要とすること場合が多い。したがって、生物学的な解決法には、稼動のスピードと範囲を増大させることが有効であろう。
【０００８】
したがって、安価でエネルギー効率の高い廃水処理技術、ならびにバイオガスから酸性化合物および／またはＣＯ２を洗浄する方法の改良が緊急に必要とされている。
【発明の概要】
【０００９】
本発明は、廃水および／またはバイオガスを処理するための単純かつ堅固なシステムを提供する。特に、本発明は、廃水処理速度を増加させるおよび／またはバイオガスの品質を向上させる（例えば、バイオガス中のＣＯ２の割合を減少させる）と同時に、本明細書に記載の新規な工程および生物−電気化学的システム構造を用いてこのような処理の稼動コストを削減するための、新規なシステムおよび方法を提供する。
【００１０】
本発明の生物−電気化学的システムは、電気生成微生物を用いて、天然ガスなどの任意のガスの生物学的洗浄を増強および改善させる。この増強／改善は、任意のガスまたはガス混合物から不要な化合物を除去する、具体的には、特に限定されないが、よりクリーンな燃焼のために天然ガスおよびバイオガスから硫化水素を除去する際の性能向上およびコスト削減という形でもたらされる。
【００１１】
より具体的には、本発明は、廃水を処理するための生物−電気化学的システムを提供する。生物−電気化学的システムは、中に２つ以上のアノード／カソード対が配置された嫌気性反応チャンバを含む。各アノード／カソード対は、少なくとも１つのアノードと少なくとも１つのカソードとを含み、各アノードおよび各カソードは、連続して配列され互いに実質的に近接した状態で、それぞれ対になっており、また２つ以上のアノード／カソード対も互いに実質的に近接し連続して配置されている。生物−電気化学的システムは、２つ以上のアノード／カソード対の少なくとも１つにあるアノードに近接した少なくとも１つのメタン生成微生物と、２つ以上のアノード／カソード対に電圧を印加するように配置された電源とをさらに含む。
【００１２】
各アノード／カソード対のアノードおよびカソードの形状は円形であることが好ましいが、どのような形状（例えば、楕円形、長楕円形、正方形、長方形、五角形、六角形など）のものを用いてもよい。いくつかの実施形態では、前記アノード／カソード対の少なくとも１つが空気カソードを含む。他の実施形態では、各アノード／カソード対のカソードが空気カソードである。ある実施形態では、本発明の生物−電気化学的システムは、２つ以上のアノード／カソード対の少なくとも１つのアノードとカソードの間に配置された電子貯蔵装置を含む。例えば、アノード／カソード対の２つ以上が、各対のアノードとカソードの間に配置された電子貯蔵装置を含み得る。
【００１３】
２つ以上のアノード／カソード対は、鉛直方向に連続して配列されていてよい。あるいは、２つ以上のアノード／カソード対は、水平方向に連続して配列されていてよい。２つ以上のアノード／カソード対は、支持ラックの上に連続して配列されていてよい。支持ラックは、電源から支持ラックを通って前記２つ以上のアノード／カソード対の少なくとも１つのアノードおよび少なくとも１つのカソードに電圧が印加されるように、１本以上の導線を含んでいてよい。
【００１４】
ある実施形態では、嫌気性反応チャンバが、前記チャンバの中を水またはガスが上に向かって流れるように配置されている。例えば、嫌気性反応チャンバは、実質的に互いに近接し鉛直方向に連続して配列された２つ以上のアノード／カソード対を含み、水またはガスが前記反応チャンバ内を鉛直方向に配置されたアノード／カソード対を通って上に向かって流れる。さらに、２つ以上のアノード／カソード対は、水および／またはガスがアノード／カソード対の横を通ってチャンバの上へ流れることができるように配置されていてもよい。
【００１５】
いくつかの実施形態では、２つ以上のアノード／カソード対の少なくとも１つのカソードの表面積が、アノード／カソード対のアノードの表面積よりも大きい。他の実施形態では、２つ以上のアノード／カソード対の各カソードの表面積は、各アノード／カソード対のアノードの表面積よりも大きい。例えば、アノード／カソード対の少なくとも１つが、実質的に近接し連続して配列された、２つのカソードと１つのアノードとを含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、２つ以上のアノード／カソード対がそれぞれ、実質的に近接し連続して配列された、２つのカソードと１つのアノードとを含む。さらに別の実施形態では、アノード／カソード対の少なくとも１つが、実質的に近接し連続して配列された、２つのアノードと１つのカソードとを含む。さらに別の実施形態では、２つ以上のアノード／カソード対がそれぞれ、実質的に近接し連続して配列された、２つのアノードと１つのカソードとを含む。
【００１６】
２つ以上のアノード／カソード対は、電源と直列または並列で電気的に接続されていてよい。あるいは、２つ以上のアノード／カソード対は、独立して電源に配線されていてもよい。使用する電気的構造によっては、２つ以上のアノード／カソード対に同じ電圧を印加しても、２つ以上のアノード／カソード対のそれぞれに複数の異なる電圧を印加してもよい。ある実施形態では、本発明の生物−電気化学的システムは、２つ以上のアノード／カソード対それぞれのカソード電位が変化する／異なるように、電気的に配置されていてもよい。
【００１７】
各アノード／カソード対のアノードとカソードを、同じ材料で作られていても、異なる材料で作られていてもよい。適当な材料としては、特に限定されないが、バイオチャー、グラファイト粒、ステンレス鋼、ワイヤメッシュ、炭素メッシュ、炭素布、炭素繊維、炭素フェルトまたは炭素粒、あるいはこれらの組合せが挙げられる。例えば、少なくとも１つのアノード／カソード対のアノードが、炭素メッシュ、炭素布、炭素繊維または炭素フェルトのような炭素材料で作られており、カソードがステンレス鋼（例えば、ステンレス鋼メッシュ）であってもよい。あるいは、少なくとも１つのアノード／カソード対のアノードがステンレス鋼（例えば、ステンレス鋼メッシュ）であり、カソードが、炭素メッシュ、炭素布、炭素繊維または炭素フェルトのような炭素材料で作られていてもよい。ある実施形態では、アノードおよび／またはカソードが２種類以上の材料で作られている。例えば、アノードおよび／またはカソードは、ステンレス鋼と炭素メッシュ、炭素布、炭素繊維もしくは炭素フェルトとの組合せ、またはワイヤメッシュと炭素メッシュ、炭素布、炭素繊維もしくは炭素フェルトとの組合せで作られていてもよい。
【００１８】
各アノード／カソード対のアノードとカソードは、多孔性絶縁層（例えば、プラスチック材料）により分離されていてよい。また、アノードとカソードを分離する多孔性絶縁層を、対になるアノードとカソードを支持するために使用してもよい。例えば、多孔性絶縁層の両面にアノードとカソードを塗布してもよい。
【００１９】
本発明の生物−電気化学的システムは、フィルタをさらに含む。適当なフィルタ材料としては、特に限定されないが、バイオチャー、グラファイト粒または活性炭が挙げられる。
【００２０】
ある実施形態では、本発明の生物−電気化学的システムは、少なくとも１つの硫化物酸化微生物をさらに含む。本発明のシステムには複数の硫化物酸化微生物が含まれることが好ましい。硫化物酸化微生物は、好ましくはシュードモナス・プチダ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ｐｕｔｉｄａ）のようなシュードモナス（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ）種である。しかし、どの硫化物酸化微生物も本発明の生物−電気化学的システムでの使用に適している。
【００２１】
本発明はさらに、実質的に上で述べたアノード／カソード機構と、電気的構造と、水力学的構造とを有する生物−電気化学的システムを用いて、酸性ガス（例えば、硫化水素）を処理するための方法を提供する。具体的には、本発明は、２つ以上のアノード／カソード対を含み、各アノード／カソード対が、互いに実質的に近接し連続して配置されている少なくとも１つのアノードと少なくとも１つのカソードとを有し、また２つ以上のアノード／カソード対も実質的に近接し連続して配置されている嫌気性反応チャンバと、２つ以上のアノード／カソード対に電圧を印加するように配置された電源とを提供することにより、酸性ガスを処理するための方法を提供する。嫌気性反応チャンバは、２つ以上のアノード／カソード対の少なくとも１つにあるアノードに近接する少なくとも１つの硫化物酸化微生物（例えば、シュードモナス・プチダ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ｐｕｔｉｄａ）のようなシュードモナス（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ）種）をさらに含む。嫌気性反応チャンバは、少なくとも１つのメタン生成微生物をさらに含み得る。酸性ガス（例えば、硫化水素）が嫌気性反応チャンバを通って流れ、電圧が２つ以上のアノード／カソード対に印加されてアノードからカソードへの電子移動が促進され、ここで、前記電子移動により前記サワーガスの酸化が引き起こされる。
【００２２】
好ましくは、嫌気性反応チャンバは、上述のように、水および／またはガスが前記チャンバの中を上に向かって流れるように配置されている。ある実施形態では、２つ以上のアノード／カソード対それぞれのアノードとカソードは、水および／またはガスがアノード／カソード対それぞれのアノード、次いでカソードの中を上に向かって流れるように配列されている。アノード／カソード機構および配置、電気的構造、ならびに／または水力学的構造は、別途上記の通りである。
【００２３】
本明細書に開示される本発明の上記のおよびその他の目的、ならびに利点および特徴は、以下の記載、添付図面および特許請求の範囲を参照すれば明らかになるであろう。さらに、本明細書に記載の各種実施形態の特徴は相互に排他的なものではなく、各種の組合せおよび入替えで存在し得るということを理解するべきである。
【００２４】
図面中、参照文字などは一般に、異なる図全体を通して同じまたは同様の部分を示している。また、図面は必ずしも縮尺どおりではなく、代わりに、本発明の原理を説明するために全般的に強調が施されている。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】生物学的アノードと生物学的空気カソードとを有する生物−電気化学的システムの模式図である。
【図２Ａ】本発明の生物−電気化学的システムで使用する、（絶縁スペーサを用いてまたは用いずに分離された）空隙または絶縁層により分離されたアノード／カソード対を模式的に表した図である。
【図２Ｂ】本発明の生物−電気化学的システムで使用する、２つのアノードと２つのカソードとを含むアノード／カソードの配列を模式的に表した図である。
【図２Ｃ】本発明の生物−電気化学的システムで使用する、支持ラック上に配列された３組のアノード／カソード対を模式的に表した図である。
【図３】嫌気性チャンバ内に入った、支持ラック上に配列された３組のアノード／カソード対（各対は空隙または絶縁層で分離されている）と、バイオフィルタとを含む、上向流構造を有する本発明の生物−電気化学的システムを模式的に表した図である。
【図４】支持構造物に異なる電圧を印加することにより、本発明による生物−電気化学的システムの関連する全アノード／カソード対に電圧が印加されることを模式的に表した図である。
【図５】図３に示した上向流構造を有し、３組のアノード／カソード対がそれぞれ粒状アノードと粒状カソードとを含む、本発明の生物−電気化学的システムを模式的に表した図である。
【図６】本発明の生物−電気化学的システムでのガストラッピングを避けるのに有効な、曲がったまたは角度の付いた電極対を模式的に表した図である。
【図７】ガスまたは不純物を嫌気性チャンバの両側に迂回させるのに有効な、隙間のない傾けた仕切り板を含む本発明の生物−電気化学的システムを模式的に表した図である。
【図８】バイオ散水ろ床を基にした本発明による生物−電気化学的システム模式的に表した図である。
【図９】バイオ散水ろ床を基にした本発明による生物−電気化学的システムの別の設計を模式的に表した図である。
【図１０】嫌気性消化とＨ２Ｓフィルタの組合せを基にした本発明による生物−電気化学的システムを模式的に表した図である。
【図１１】嫌気性消化とＨ２Ｓフィルタの組合せを基にした本発明による生物−電気化学的システムの別の設計を模式的に表した図である。
【図１２】本発明による可動式生物−電気ろ過システム（ＭＢＦＳ）を模式的に表した図である。
【図１３】本発明による可動式生物−電気ろ過システム（ＭＢＦＳ）で使用する高速嫌気性消化槽チャンバを模式的に表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明は、水の処理速度を増大させる、バイオガスの品質を向上させるおよび天然ガスまたはバイオガスを処理するための発電システムの新規な構造および構成要素を提供する。本明細書に記載の生物−電気化学的システム構造は、嫌気性消化を増大させ（改善の中でも特に、以下の１つ以上のものを含む方法により：ＣＯＤ除去率の増加、バイオガスの品質の向上、稼動温度の低下、複雑な有機物の一次発酵促進）、廃水処理およびこのような廃水処理により生成されたバイオガス（例えば、Ｈ２Ｓ）の処理の両方に使用することができる。
【００２７】
本発明の生物−電気化学的システムでは、完全に密閉された電気生成チャンバ内で、別個の水力学的構造とともにアノード／カソード機構を、および提案される電気的構造を用いる。アノードおよびカソード上の電気生成微生物の生物膜が、廃水またはガス中の汚染物質を除去する。基本的な構造および電圧機構の改変を用いて、特に限定されないが、溶解している炭素、窒素、リン、過塩素酸、塩化溶剤、硫黄、銅、ウランおよびその他の汚染物質を含めた、水の中の様々な基質を処理することができる。補助的なシステムおよび構造の改変を用いて、特に、硫化水素のような硫黄種、およびガスを酸性またはサワーにする他のガス種（本明細書では「サワーガス」とも呼ぶ）を除去して、天然ガスおよびバイオガスを浄化することができる。
【００２８】
本明細書に記載の構造では、Ｈ２Ｓなどの酸を多く含むガスまたはガス／液体混合物が流れるまたは移動する、アノードおよびカソード区画の表面積が広くなる。アノードおよびカソードは、酸性ガス除去を増大させるために、別々の区画、同じ区画、またはガスおよび／もしくは液体が通過できる絶縁層により分離された１つの区画を含めた任意の配置で配列されていてよい。区画をバッチモードもしくは連続フロー（プラグフロー／フロースルーまたは連続攪拌フロー）モードまたはこれらの組合せで作動させてよい。この構造を、前処理または嫌気性消化槽もしくは他の天然ガス生成工程の後処理として、嫌気性消化工程とさらに連動させてもよい。したがって、本明細書に記載の新規な構造を用いた２つの別々の生物−電気化学的システムを使用して、廃水処理およびガス（天然ガスまたはバイオガス）処理を行うことができる。あるいは、本明細書に記載の新規な構造により、廃水処理およびガス（天然ガスまたはバイオガス）処理を１つの生物−電気化学的システムに統合することが可能である。
【００２９】
数多くの細菌および細菌共同体が電極と相互作用する能力に基づき、提案される構造は、微生物燃料電池のアノード区画をＨ２Ｓガスの酸化チャンバに変えるものである。アノード電極では、通常は酸素のような電子受容体により生じる酸化電位が、外部からのこのような受容体の供給を必要とせずに生じる。以下で詳細に記載するように、この工程には、既存の生物学的Ｈ２Ｓ除去技術に関連する数多くの重要な問題点を克服する可能性がある。酸素ではなく電極により酸化電位を与えることで、本明細書に記載のシステム構造は、Ｈ２Ｓを、従来の生物学的ろ過において充填媒体に損傷を与え得るＨ２ＳＯ４ではなく硫黄元素に酸化するのに有利に働く。さらに、嫌気性工程として、バイオフィルタを詰まらせることが示されている細菌の緩徐な増加が期待される。最後に、細胞に電圧を印加する実施形態では、酸化領域の大きさおよび電位がより正確に制御され、したがって、典型的なバイオフィルタよりも処理速度が増加すると同時に設置面積が減少することが期待され得る。
【００３０】
既存のガス洗浄／処理による解決法とその限界
生理化学的工程
天然ガスおよびバイオガスの硫化水素（Ｈ２Ｓ）を洗浄する化学的および生物学的工程が数多く発明されてきたが、コスト効率の高いものはほとんどない。生理化学的工程は２つの種類、すなわち、Ｈ２Ｓを硫黄元素および低溶解度の金属硫化物に変換するものとＨ２Ｓを固体吸着体に吸着させるものとに分けられる。前者には、１日に１００〜２０，０００ｋｇのＨ２Ｓを除去するように考案された、鉄（Ｆｅ）キレート溶液によりＨ２Ｓを酸化吸収する、農場ベースの嫌気性消化の必要性をはるかに超える規模のＤｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社のＳｕｌＦｅｒｏｘ（登録商標）工程およびＵ．Ｓ．Ｆｉｌｔｅｒ社のＬＯ−ＣＡＴ（登録商標）工程のような技術がある。
【００３１】
いわゆる「鉄スポンジ」技術は、固体媒体へのＨ２Ｓの化学的に活性化された吸着を利用するものである。多くのこのようなシステムでは、酸化鉄を浸透させた木片を用いてＨ２Ｓおよびメルカプタンを選択的に吸着する。こうした工程は通常、別々に再生させて、または連続的な部分的再生のために空気をわずかに流して、バッチモードで行われる。これらは理論的最大効率の８５％以下で行われてきた。鉄スポンジは比較的小規模なものに適しており、農場で一部用いられてきた。例えば、ニューヨーク州クーパーズタウンのＨｕｎｔｉｎｇｔｏｎ  Ｆａｒｍでは、スポンジ１ｍ３当たり１４０ｋｇのＦｅ２Ｏ３を用いて、Ｆｅ２Ｏ３１ｋｇ当たり１．８４ｋｇのＨ２Ｓを除去した。現在数多くの会社が、ＳｕｌｆａＴｒｅａｔ（登録商標）、Ｓｕｌｆｕｒ−Ｒｉｔｅ（登録商標）およびＭｅｄｉａ−Ｇ２（登録商標）技術のような、鉄スポンジ用の商標登録された酸化鉄媒体を販売している。
【００３２】
しかし、鉄スポンジ法には大きな欠点がある。吸着工程には限界があり、わずか２０〜８０日で、酸素曝露と湿潤によりスポンジ全体を再生する必要がある。硫黄の堆積により、２、３回以上再生サイクルが妨げられて、新たな媒体が必要となる。媒体の処分は厄介で、大きな労働力を必要とし、その結果、高い稼動コストと環境問題が生じる。結局、比較的小規模では、Ｈ２Ｓを除去するための既存の化学的方法は、コストがかかり過ぎて実用的ではないということになる。
【００３３】
こうした理由から、バイオフィルタ、バイオ洗浄装置およびバイオ散水ろ床によるＨ２Ｓの生物学的除去に関心が集まりつつある。
【００３４】
Ｈ２Ｓの生物学的除去
生物学的な処理解決法は、化学的方法よりも環境に無害であり、必要な稼動エネルギーも少なくて済む。しかし、この解決法は未だ開発の初期段階にあり、工程によっては大きな設置面積、頻繁な媒体交換を必要としたり、Ｈ２Ｓ除去が不完全であったりする。したがって、バイオガスからの硫化水素の生物学的除去の効率および経済性を増加させることが可能な技術が大いに必要とされている。より安価で効率的な代替法は、重要な廃水処理および代替エネルギーの解決法の迅速な普及を可能にする嫌気性消化技術の利用を望む小規模から中規模の農場には特に有用である。
【００３５】
生物学的ろ過では通常、硫化水素を異なる反応生成物、ほとんどの場合は、浸出液中で硫酸を形成してｐＨを下げる硫酸塩とＨ＋に酸化することができる特定の種の細菌を用いる。特にＨ２Ｓガス洗浄では、このような種は通常、以下のような反応を行う：
ｉ）Ｈ２Ｓ＋２Ｏ２→Ｈ２ＳＯ４
ｉｉ）２Ｈ２Ｓ＋Ｏ２→２Ｓ°＋２Ｈ２Ｏ
ｉｉｉ）５Ｈ２Ｓ＋８ＫＮＯ３→４Ｋ２ＳＯ４＋Ｈ２ＳＯ４＋４Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ
光合成生物と化学合成生物の両方が用いられてきた。チオバチルス・チオオキシダンス（Ｔｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓ  ｔｈｉｏｏｘｉｄａｎｓ）を含めたチオバチルス（Ｔｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓ）属の多くの微生物が、非常に低ｐＨ（３未満）でＨ２Ｓを酸化する能力を有し、ｐＨ１という低ｐＨで生存し続けることができる。酸化反応により生じた硫酸がｐＨを低下させて他の種の増殖を妨げるため、この点では有用である。シュードモナス（Ｐｓｅｕｄｍｏｎａｓ）種もＨ２Ｓの生物学的除去に有効であることが示されている。シュードモナス・プチダ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ｐｕｔｉｄａ）は、アンモニアレベルが約６０ｐｐｍ以下である限り有効であることが示されており、また最近の研究では、シュードモナス・スツッツェリ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ｓｔｕｔｚｅｒｉ）が生物学的フィルタでの硫化物酸化に関与することが示されている。
【００３６】
Ｈ２Ｓガスの生物学的処理に対する３つの基本的なアプローチ、すなわち、バイオフィルタ、バイオ洗浄装置およびバイオ散水ろ床が開発されている。バイオフィルタは、栄養源を兼ねることが多い堆肥または単純な発泡キューブのような固体支持媒体上で増殖する生物膜を利用するものである。バイオ洗浄装置は、Ｈ２Ｓを最初に液体に吸収させてから、液相中で増殖する細菌により酸化するという２段階の解決手段を利用するものである。バイオ散水ろ床は、岩石または活性炭のような堅い支持媒体上に固定化した細菌を利用するものであり、この支持媒体の上に水および栄養分を滴下する。これらのアプローチにはそれぞれ利益とコストがあり、それを下の表１に簡単に概説する。
【００３７】
【表１】
0005873085.tif 000002
【００３８】
バイオ洗浄装置および従来のバイオフィルタと比較すると、バイオ散水ろ床には多くの利点がある。バイオ散水ろ床は設置／維持が容易であり、安価に稼動でき、非常に高濃度のＨ２Ｓに対処することができる。残念ながら、これが広く採用されるには数多くの課題があるということが、実地調査によりわかっている。媒体にもよるが、最も重要なのは、生物膜の増殖が開口部を詰まらせて、システム全体の滴下が高圧になるということである。
【００３９】
生物−電気化学的システム
一般に生物−電気化学的システムは、電極に電子を伝達してまたは電極から電子を受容して有機物を消費するという特定の微生物（文献中では通常、「エレクトロゲン（ｅｌｅｃｔｒｏｇｅｎ）」、「エクソエレクトロゲン（ｅｘｏｅｌｅｃｔｒｏｇｅｎ）」または「エレクトリシゲン（ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｇｅｎ）」と呼ばれる）の能力を活用することにより、電気または化学生成物を生じることが示されている。化学燃料電池と同様に、アノードチャンバでの酸化反応により、エネルギー、電子およびイオンが放出される。これらがカソード領域まで移動し、そこで還元されて、生成自由エネルギーのより低い物質を形成する（通常、空気カソードの場合は水である）（図１を参照）。生物−電気化学的システム（ＢＥＳ）および微生物燃料電池（ＭＦＣ）という用語は、本明細書では互換的に使用される場合があるということに留意するべきである。
【００４０】
ＢＥＳは通常、アノードおよびカソードのような電極からなり、それが両方ともまたは別々に、電極から電子を伝達または受容する能力を有する生物膜で覆われている。電極は、生じる反応の１つを触媒する貴金属で覆われていてもよい。電極は、電極間でイオンを運ぶ電解質により分離されていてもよい（イオン選択膜が含まれ得るが、膜のないシステムも機能する）。電極、生物膜、電解質および触媒は、ケーシングに入れられていても、いなくてもよい。ケーシングを含めたこれらの各要素は、組み合わせたシステムで使用するために、外部回路、制御システムまたは他の反応器と接続されていてもよい。微生物燃料電池内の要素の幾何学的配置およびその物質的定義をまとめてシステムの「構造」と定義することができる。
【００４１】
応用に向けた初期のＢＥＳ研究のほとんどは、共有で同時係属の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ１０／２５２２４号（国際公開第２０１０／１４７６８３号として公開）に記載されているものを含め、廃水の生物学的酸素要求量（ＢＯＤ）を取り除く能力に焦点を当てたものであった。しかし、電極と相互作用する微生物が遍在すること、ならびに電極で生じ得る酸化および還元反応が柔軟であることが認められるようになってきた。アノード微生物が、動物の糞尿スラリー、ヒトの廃水、食品加工廃棄物、セルロース系バイオマスのような農業廃棄物、および水素のような様々なガス酸化する能力を有することがわかってきた。
【００４２】
電気化学的メタン生成のための生物−電気化学的システムへの電圧の印加
嫌気性消化では、異なるニッチを占め、代謝によって大きく２つのグループに分けられる微生物種を用いる。多くの下位ニッチを含む酸形成グループには、廃棄物中の多糖類、糖類、脂肪酸、アルコールおよびさらに複雑な分子を消化して、主として酢酸だけでなく、ほかにも乳酸および酪酸などの有機酸にする種が含まれる。第二のクラスは、メタンを形成するもの、すなわちメタン生成菌であり、２つの下位ニッチを含む。メタン生成菌の中には、酢酸を直接代謝して、副生成物としてメタンを生成するもの（酢酸利用性のメタン生成）や、電子供与体であるＨ２をＣＯ２と結合させてメタンを生成するメタン生成種がいる（水素利用性メタン生成）。酢酸利用性メタン生成では、酢酸分子が１つ消費されると、同じ量の二酸化炭素とメタンが生成される。水素利用性メタン生成では、４分子の水素ガスが消費されると、１分子の二酸化炭素も消費されて、メタンと２分子の水が生成される（例えば、表２を参照）。したがって、酢酸利用性メタン生成では二酸化炭素が生成されるのに対し、水素利用性の工程では、最終的に二酸化炭素が減少する。
【００４３】
【表２】
0005873085.tif 000003
【００４４】
多糖類、糖類などの化合物の代謝における多くの他の反応では二酸化炭素が放出されるため、決して限定的な反応物というわけではないが、一部の種の代謝ではＨ２が唯一の数少ない副生成物である。通常条件下では、酢酸などの適当な化合物の代謝により生成されるメタンのおよそ３分の１が、水素利用性メタン生成よるものである。したがって、ＡＤ中の利用可能な水素が増加すれば、酢酸利用性細菌よりも水素利用性細菌の方が有利になり、バイオガス中の副生成物としてのＣＯ２の相対量が減少する。あるいは、電子を供給することにより、微生物がＣＯ２と水素イオンをメタンに還元することを可能にすれば、同様にメタン形成に有利に働き得る。
【００４５】
生物−電気化学的システムは、主として２つの方法で、すなわち、エネルギーを放出する燃料電池として、および印加された電圧が電極において特定の反応を促進する生物−電気化学的システムとして稼動させるものであった。ＢＥＳに電圧を印加することにより、研究者はカソードで水素が発生する微生物電解セル（ＭＥＣ）を開発した。アノード生物膜がシステムに電圧をさらに供給するため、従来の電気分解の電力のごく一部のみを用いて、化学的カソードでＨ２ガスを生成させることができる。これをバイオマスなどの有機物の消費と組み合わせる。この工程は、細菌による水ではなく有機物の電気分解と、通常は化学触媒を用いて少ないエネルギー投入で後にＨ２を形成し得るプロトンおよび電子の放出とからなる。ＭＥＣシステムはカソードでの化学的水素形成を利用するものであり、この水素は、嫌気性消化槽でのメタン生産を増加させるための基礎原料として使用され得る。ごく最近では、カソードにおいて、中間生成物の水素を発生させずにＣＯ２がメタンへ還元されることが示された。電気化学的メタン生成と呼ばれる工程において、−０．７Ｖ以下の電位を印加することにより、メタン生成菌が電極から電子を受容して、ＣＯ２をメタンに還元することができた。純粋なＣＯ２雰囲気内での純粋なメタノバクテリウム・パルストレ（Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｐａｌｕｓｔｒｅ）培養物の増殖により、結果が正しいことが確認された。
【００４６】
電気化学的および生物−電気化学的な硫黄除去
生物−電気化学的システムの水性硫化物および硫黄を処理する能力が研究者の注目を集めた時期があった。１９９０年台始めに、Ｄｒ．Ｂｙｕｎｇ−Ｈｏｎｇ  Ｋｉｍらは、石油の生物−電気化学的脱硫の工程の特許を取得した。彼らの発明のカソード微生物デスルホビブリオ・ブルガリス（Ｄｅｓｕｌｆｏｖｉｂｒｉｏ  ｖｕｌｇａｒｉｓ）は、水性石油流中で硫黄をＨ２Ｓに還元した。直接的な電子伝達機構がまだ仮定されていなかったため、Ｋｉｍらは、メチルビオロゲンのような電子伝達体を用いて、電極と細菌細胞間での電子伝達を促進した。この研究は、硫酸が硫化物へ還元され、アノードで触媒により再酸化されることを調べていた研究者により続けられた。
【００４７】
直接的な電子伝達機構が発見されて再びＢＥＳが注目されると、新たな研究者グループがアノード区画での硫黄化合物の酸化について調べた。四角形のＭＦＣも管状のＭＦＣもともに、１０１ｍＷ／Ｌまでの電流出力で、実験室規模の上向流嫌気性消化槽の廃水中の最大９８％の硫化物を硫黄に変換することが可能であることが示された。対照反応器による追跡研究で研究者は、燃料電池装置において、非生物のグラファイトアノード（生物学的アノードではなく）で硫化物が自然に酸化され得ることを発見した。この研究の後、最近では、アノード電位をＳＨＥに対して＋２Ｖで平衡状態にする印加電圧を用いた反応器で、嫌気性消化槽の紙パルプ工場からの廃水中に存在する硫化物が非生物的に除去された。本発明者らは、存在する硫化物が４４±７ｍｇ・Ｌ−１〜８±７ｍｇ・Ｌ−１まで減少し、７５±４％の硫化物がアルカリ硫化物／ポリ硫化物溶液として回収され、そこから固体の硫黄元素が得られたことを発見する。この工程の欠点は、電極で生物膜が形成されることにより硫化物還元が減少することであると思われるため、本発明者らは、切替え機構を用いて、一定間隔でアノードをカソードに変えた。
【００４８】
したがって、ＢＥＳの最新技術とＨ２Ｓバイオフィルタの間には隔たりがある。様々な複雑な微生物群が、ガス中のＨ２Ｓを酸化できることが知られており、また、カソードで電気的に活性な微生物は硫黄化合物を還元できることが知られている。バイオフィルタおよびバイオ散水ろ床は特に、低コストで環境に良いＨ２Ｓ除去方法を提供し得る。しかし、克服すべき重要な稼動上の問題点が存在する。最も重要なことは、大部分のＨ２Ｓ酸化細菌または細菌群は、電子受容体として酸素を利用するため、以下のような３つの問題が生じるということである：（１）充填媒体に損傷を与え得る硫酸が増加すること；（２）細菌が急速に増加して固体廃棄物および目詰まりが生じること；および（３）システムに酸素を供給する必要性により稼動コストが増大すること。
【００４９】
しかし、様々な研究で、ＢＥＳシステムのアノード電極が大部分の酸化反応に必要な酸化力を効率的に提供し得ること、さらに、電気生成微生物群の素晴らしい柔軟性が、電子源としてＨ２Ｓを利用すると同時に電子受容体として電極を利用することが可能な微生物または微生物の組合せがほぼ確実に存在することを示唆していることが示されている。
【００５０】
このシステムにより、既存の生物学的なＨ２Ｓ処理システムに関連する様々な問題点が克服される可能性がある。
【００５１】
環境修復廃水処理およびガス処理の改善のための新規な生物−電気化学的システム構造
本発明は、廃水処理（電気化学的メタン生成による）だけでなく、その酸性のまたは「サワーな」バイオガス副生成物の処理にも使用することができる電気化学的メタン生成生物−電気化学的システムの新規な構造および構成要素を提供する。
【００５２】
長年の間、数多くの様々なＢＥＳ構造および構成要素が開発され、様々な用途に関して試験されてきた。構造の２つの大きな種類は、バッチモードで稼動するものとフロースルー（プラグフローまたは連続攪拌）モードで稼動するものである。バッチモードシステムでは、酸化剤をバッチで反応器に入れ、あるエンドポイントに達するまで処理してから、次のバッチを処理する。フロースルーモードでは、処理する材料を連続的に流して反応器に供給し、同時に、一定体積が反応器内に保持されるように反応器から流出させる。フロースルー反応器には、横方向の流れまたは上向流微生物燃料電池（ＵＭＦＣ）のような上方向の流れ、および連続攪拌槽反応器（ＣＳＴＲ）がある。ＵＭＦＣでは、電圧を印加しなくても電気を発生させることを目的として、栄養分に富む流入流が多孔性のアノード材料（例えば、グラファイト粒）を通り上に向かって浸透する。当初のＵＭＦＣの概念は、アノードが管状のチャンバの中央に配置され、廃水が、システムの上方を、次いでカソードが外気中に置かれた側方へ流れるという好気性システムであった。様々な電極設計もＭＦＣで数多く用いられてきた。実験室試験で用いられた当初のＭＦＣの設計は、反応器の容積当たりの表面積が小さくなる平らな電極表面を使用したため、拡大縮小可能ではなかった。したがって、表面積の大きい材料、すなわち、電導度が高くファウリングに強い中核（一般に、チタンのような非腐食性金属）とつながった小径のグラファイト繊維からなる、いわゆる「ブラシアノード」が開発された。ブラシアノードは炭素繊維（例えば、ＰＡＮＥＸ（登録商標）３３  １６０Ｋ）製で、定められた長さに切り、より合わさった２本のチタンワイヤからなる核に工業的なブラシ製造システムを用いて巻き付けたものである。反応器に入れると、典型的なブラシ電極の総表面積は、反応器の容積当たりで９６００ｍ２／ｍ３にもなると推定されている。このようなブラシを用いた反応器では、定められた酢酸媒体を有する立方体の反応器において、最大で２４００ｍＷ／ｍ２の生成量であった。
【００５３】
国際公開第２０１０／１４７６８３号（その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる）として公開されている、共有の同時係属出願である国際出願ＰＣＴ／ＵＳ１０／２５２２４号には、廃水および固体の処理のための嫌気性消化システムについて記載されている。より具体的には、本願は、有機物からメタンを生成する嫌気性消化を利用したＢＥＳについて記載する。電気化学的メタン生成チャンバは、生物−電気化学的システムの原理を利用して、廃水のような有機物のメタン／バイオガスへの変換を増大させるものである。国際出願ＰＣＴ／ＵＳ１０／２５２２４（国際公開第２０１０／１４７６８３号）に記載されているように、電気化学的メタン生成は、酢酸利用性のメタン生成よりも水素利用性のメタン生成に有利に働くと同時にＣＯ２を消費して、生成されるメタンガスの純度を向上させ、カソードに生物膜が付かないようにする必要がない。国際出願ＰＣＴ／ＵＳ１０／２５２２４号（国際公開第２０１０／１４７６８３号）に記載されている電気化学的メタン生成ＢＥＳにより、ＢＯＤを処理してメタンを生じる非常に単純で低コストのシステムが可能となるが、上記明細書では、このような処理方法により生成されるバイオガス（例えば、サワーガス）が扱われていない。同様に上記明細書には、このような工程を実施するために使用することができる構造の範囲が詳細に記載されていない。
【００５４】
本発明は、電気化学的メタン生成のための明確な一式の構造と、典型的なＢＥＳのアノードがＨ２Ｓガスの酸化チャンバに変換されると同時に、電子を酸素にではなく、正確な電位に保持されている電極に伝達する生物−電気化学的システムのための設計とを提供する。この点に関して、２つの工程を：
１．このアノード電極と、還元半反応を完了することができるカソードとを接続して、微生物燃料電池（ＭＦＣ）のように、電流を流れさせ、エネルギーを捕捉して作用させることにより、
２．ＢＥＳのアノードとカソードに電圧を印加して、Ｈ２Ｓ酸化の反応速度の増加を促すことにより、
用いることができる。
【００５５】
いずれの場合にも、反応は［２Ｈ２Ｓ＋Ｏ２→２Ｓ°＋２Ｈ２Ｏ］という反応と類似したものになるが、装置の別々のチャンバにおいて２つの半反応で進行する。アノードの反応は以下のようになる。
ｉ）Ｈ２Ｓ→Ｓ°＋２Ｈ＋＋２ｅ−
【００５６】
放出された電子が、外部の回路を流れてカソードチャンバまで行くと同時に、遊離プロトンがおそらく他の細菌により消費されるか、またはイオン選択膜もしくは空気バリア（装置によって異なる）を横切ってカソードチャンバまで行き、電荷平衡を均等にする。硫化金属が溶液から沈殿し、これを収集して使用することができる。カソードチャンバでは、以下に挙げるまたはこれと類似した反応により、Ｏ２または別の酸化剤（硝酸など）がカソードの半反応を完了させる。
ｉｉ）１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
カソードの還元反応は、化学触媒（例えば、白金）により触媒され得るか、または生物学的に触媒され得る。さらに、反応［５Ｈ２Ｓ＋８ＫＮＯ３→４Ｋ２ＳＯ４＋Ｈ２ＳＯ４＋４Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ］は、硫化水素と硝酸を合わせた改善という興味深い可能性を秘めている。これは、硫化水素により汚染されたバイオガスを、硝酸の多い水性廃水流の中を通って逆流させることにより達成され得る。これは、細菌付着のための基質を有する単一の反応器チャンバ内で達成され、これら２つの廃棄物から、工業的に重要な２つの化学薬品ならびに窒素元素および水が生成され得る。またこの反応を、２つのチャンバの生物−電気化学的反応器を類似したものに近づけることができる。しかし、硝酸を酸化剤として用いた新たな還元反応がカソードチャンバ内で生じる。
ｉｉｉ）２ＮＯ３−＋１２Ｈ＋＋１０ｅ−→Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ。
【００５７】
電極および水力学的構造
基本的な概念は、Ｈ２Ｓなどの酸を多く含んだガスまたはガス／液体混合物が上を流れるまたは移動する、表面積の大きいアノード区画およびカソード区画を作成することである。アノード２０２ａおよびカソード２０２ｂを対で準備し、酸性ガス除去を増大させるために、別々の区画、同じ区画または空隙２０３ａもしくはガスが通過できる絶縁層２０３ｂにより分離された１つの区画を含めた任意の配置で配列してよい（図２Ａを参照）。１つ以上の区画を、バッチモードもしくはプラグフロー／連続フロースルーモードまたはこれらの組合せで稼動させてよい。好ましくは、１つ以上の区画をプラグフロー／連続フロースルーモード稼動させて、バッチモードに関連した、カソードに悪影響を及ぼし得るｐＨに関する問題の可能性を避ける。
【００５８】
ある実施形態では、小型の空気カソード（例えば、生物学的空気カソードまたは化学的カソード）を１つ以上のアノードと対にして、嫌気性消化を増大させる。発生する電圧を、アノード／カソード対に印加する電圧の電源として使用してもよい。
【００５９】
提案される電極機構は、水またはガスの流れと平行な構造成分２０３により支持され、廃水またはガスの流れに垂直に向いた３つのアノード／カソード対２０２ａ、２０２ｂおよび２０２ｃ一式を含む（例えば、図２Ｃを参照）。別の実施形態は、水またはガスの流れと垂直な構造成分を有する、水またはガスの流れと平行なアノード／カソード対を含む。各アノード／カソード対は、１つ以上のアノードおよびカソードを有し得る例えば、２つのアノードとそれに続く２つのカソードを１つのアノード／カソード対と見なすことができ（例えば、図２Ｂを参照）；３つのアノードとそれに続く３つのカソードを１つのアノード／カソード対と見なすことができるなど。
【００６０】
この対になった電極機構は、図３に示されるような上向流の水力学的構造で使用することが好ましい。図３に示されるように、アノード／カソード対３０２ａ、３０２ｂおよび３０２ｃをラック３０３上に作成し、密閉された嫌気性チャンバ３０４に入れる。チャンバ３０４の底は、好ましくは導電性のバイオフィルタ３０５（例えば、バイオチャー、活性炭、グラファイト粒またはその他の材料など）を含む。水またはガスは、矢印Ａの方向に導電性バイオフィルタ３０５を通ってチャンバを上に向かって流れ、次いでアノード／カソード対３０２ａ、３０２ｂおよび３０２ｃを流れる。好適な実施形態では、水またはガスは、電流密度を最大限にするために、最初にアノードを通って流れ、次いでカソードを通って流れる。
【００６１】
図３に示される同じラックを、プラグフロー（水平流）構造または循環バッチ式反応器で使用してもよい。循環バッチ式反応器の場合、システムはフロースルーではなく、アノード／カソード対で満たされたバッチ式反応器となる。各アノード／カソードペアの大きさおよび形状は様々であってよい。例えば、カソード：アノードの表面積比は１：１、１：２、２：１、１：３、３：１、１：４、４：１、１：５、５：１であってよい。特定の実施形態では、実質的にカソードの方がアノードよりも大きい。カソードをアノードよりも大きくする１つの方法は、水またはガスが流れる長さにわたってアノードからカソードへ水またはガスが流れるように、１つのアノードセグメントの後に２つ以上のカソードセグメントが続くようにすることである。あるいは、アノードの方がカソードよりも大きくなるように、２つ以上のアノードセグメントの後に１つのカソードセグメントが続くようにしてもよい。ラック全体を、既存の嫌気性消化槽を改良するために使用しても、新規な設計のチャンバで使用してもよい。
【００６２】
特定の実施形態では、アノードおよびカソードを、液体流が通過できる細孔径で設計する。この細孔径は、特に限定されないが固体およびガストラッピングを含めた問題点はあるが、表面積を最大化するようにチャンバ内での位置によって変化させてよい。一実施形態では、細孔径は、アノードおよび／またはカソードが、ミリメートル未満から数センチメートルの範囲の細孔径を有するメッシュ様構造となるのに十分な大きさである。別の実施形態では、ガストラッピングの可能性を減らすために、細孔径が水の流れに沿って大きくなっている。別の実施形態では、チャンバに沿って細孔径がフィルタ固体に向かって大きくなっている。
【００６３】
電極は内部抵抗を減らすために接近していなければならないが、大きなｐＨ勾配が回避され、電気が絶縁される程度に離れていなければならない。電極間の距離は、０．０００１ｃｍから最大１０ｍまで、０．００１ｃｍ〜１ｍ、０．０１ｃｍ〜１ｃｍまたは前記範囲内の任意の特定値など様々であってよい。一実施形態では、電極間の距離は約１ｃｍ以下であり、その距離は絶縁スペーサにより、またはそれなしで隔てられた空隙である。あるいは、絶縁層により電極間の距離を作る。例えば、電極を絶縁層の両面に、グラファイト塗料のような導電性の塗料を用いて塗布してもよい。両面の間のスペースには塗布を行わず、電極間の絶縁スペースを残しておく。
【００６４】
また電極対は内部抵抗を減らすために互いに接近していなければならないが、大きなｐＨ勾配が回避され、電気が絶縁される程度に離れていなければならない。例えば、アノード／カソード対間の距離は、０．０００１ｃｍから最大１０ｍまで、０．００１ｃｍ〜１ｍ、０．０１ｃｍ〜１ｃｍまたは前記範囲内の任意の特定値など様々であってよい。
【００６５】
各アノード／カソード対間の支持構造物は、プラスチックのような任意の絶縁原料で作られていてよい。あるいは、支持構造物は、導電性で、各構造物がどちらかの極性の電極の組（例えば、カソードの一部もしくは全部またはアノードの一部もしくは全部）と電気的につながっていてもよい。この場合、電源から各支持構造物に印加された電圧は、電極にチャンバの長さに沿って下に向かって電圧を印加する。例えば、支持構造物は、導電性で、アノード４０１またはカソード４０２とは電気的につながっているが、反対の分極電極からは電気的に絶縁された４０４であってよい。次いで、支持構造物に印加された電圧は、関連する全アノード／カソード対に印加される（図４を参照されたい）。これは、２つ以上の支持構造物４０３により行われ得る。支持構造物は堅くてよい。しかし、支持構造物は、アノード／カソード対をつるすワイヤ、ワイヤの組、ナイロン製ロープ、鋼製ロープなどの堅くない材料であってもよい。
【００６６】
電極機構は主として、各アノード／カソード対に電圧を印加（電源から）して、および／または電極対のいずれかの電極を平衡状態にして使用するように設計されている。印加電圧は、非常に小さい電圧（約０．０１ボルト）から非常に大きい（１．５Ｖを超える）の範囲であってよい。各アノード／カソード対を同じ電位差に設定してよい。あるいは、アノードを、電気生成生物膜により設定される電位のままにしておき、（通常、標準水素電極（ＳＨＥ）に対して−０．０５〜−０．２５の範囲）、カソード電位を反応器内での位置および反応速度に応じて変化させてもよい。例えば、カソード電位は、始まりの反応器流入箇所では非常に低く（ＳＨＥに対して−１．１Ｖ未満）、流れに沿って下がるに従って、各カソード電位が少しずつ上昇していくものであってもよい。この場合の目的は、各カソードにおいて異なる基質または異なるクラスの基質を除去することである。例えば、−０．５Ｖ〜−１．１Ｖの範囲のカソード電位は、ＣＯ２からＣＨ４への還元に有利に働く。−０．１Ｖ〜−０．３Ｖの範囲のカソード電位は、硝酸（ＮＯ３２−）から窒素ガスへの還元に有利に働く。カソード電位を、塩化溶剤および放射性物質を含めたさらに多数の汚染物質を除去するように設定してもよい。またこの処理システムは、特定の汚染物質の除去用に設定したカソード電位を有する異なるチャンバも含み得る。これらのチャンバを直列または並列に配列させてよい。あるいは、各電極の電位を電極間の正確な内部抵抗で平衡状態にすることにより、必要な電力を最小限にしてもよい。
【００６７】
微生物燃料電池、光電池などの電源を含めた任意の外部電源を用いて、電極間の電位差を維持することができる。電極機能を制御する論理回路を特徴とするコンピュータ制御システムにより、システムを制御することができる。こうした制御により、各電極の電位を性能に応じて変化させることができる。電極を並列、直列または互いに独立させて電気的に接続してよい。独立させて配線した場合、各電極を個別に監視および維持して、性能の低い電極との接続を切ることができる。これらの電位を固定しても、内部の条件に応じて変化させてもよい。あるいは、電極スタックおよび／またはシステム構造自体を、内部および外部の条件によって変化させてもよい。例えば、流入水質（総浮遊物質、ｐＨ、温度、塩分濃度など）、または温度、圧力、内部抵抗、電流密度のような他の測定可能な因子、またはシステム稼動に関連する他の任意の因子に応じて、電極間の間隙を反応器に沿って様々な時点で変化させてもよい。
【００６８】
アノード電極とカソード電極の材料は同じであっても異なっていてもよく、アノードおよびカソード自体が１種類または複数の種類の電源材料で作られていてよい。例えば、アノードおよびカソードは、ワイヤメッシュまたは炭素布またはステンレス鋼で作られていてよい。あるいは、アノードがある種の炭素（布、フェルト、顆粒、メッシュなど）で作られていて、カソードがステンレス鋼で作られていてもよい。あるいは、カソードまたはアノードが２種類以上の電極材料（例えば、炭素布に強く巻き付けたステンレス鋼）からなっていてもよい。あるいは、アノードおよびカソード電極が、活性炭／結合剤混合物でコーティングされたステンレス鋼メッシュを有し、アノードの腐食の可能性を取り除き、カソード触媒反応を向上させてもよい。また適当な電極材料としては、バイオチャー、石炭および活性炭、またはグラファイト粒のような他の粒状媒体も挙げられる。図３に示される構造と同様であるが、多孔性絶縁層５０３により分離された粒状カソード５０２ａおよび粒状アノード５０２ｂを代わりに用いた構造の例を、図５に示す。水またはガスは、粒状アノードおよびカソードの中を矢印Ａの方向に流れる。粒状カソード／アノード粒状アノードの使用は、ガス除去に特によく適している。この設計を、各電極を囲むカセットまたはフィルタカートリッジに用いてもよい。また、固体をろ過する粒状媒体を上向流システムの底部に取り付けてもよい（例えば、図３の３０５を参照）。
【００６９】
電極は任意の大きさおよび形状であってよい。好適な実施形態は、図６に示されるように、曲がったまたは角度の付いた電極対（５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、５０２ｄ）を有する（例えば、ガストラッピングを避けるために）。一実施形態では、電極の最も外壁に近い端が上向きに曲がっており、ガスが泡立つように電極と外壁との間に隙間がある。別の実施形態では、電極は、下向きに、外壁に向かって、またはチャンバの中心に向かって角度が付いている。図７に示されるように、システムは、ガスまたは不純物をチャンバの両側に逸らせるように設計された、傾けた固体の仕切り層６０１を、水またはガスの流れに沿って一定間隔で有していてもよい。
【００７０】
ある実施形態では、１つ以上のアノード／カソード対のアノードとカソードの間に電子貯蔵装置を配置して、アノードの酸化とカソードの還元と分離する。このような配置を用いて、嫌気性反応チャンバ内のｐＨおよびガス成分を管理することができる。例えば、ｐＨレベルが高くなれば、カソードへの流れを止めてカソード活性を停止させると同時にアノードでの活性を維持することができ、電子が電子貯蔵装置に貯蔵される。逆にｐＨレベルが低下すれば、アノードへの流れを止めてアノード活性を停止させることができ、電子貯蔵装置からカソードへ電子を送り出すことができる。
【００７１】
特定の実施形態では、下の実施例１〜２に記載されているように、典型的なＢＥＳシステムのアノードをＨ２Ｓバイオ散水ろ床に変換する。したがって、フィルタ媒体は導電性のものとなり、本発明者らは最初に、グラファイト粒を使用することを提案した。各電極に電圧を印加して、電極をＨ２Ｓ酸化電圧で平衡状態にしてよい。あるいは、必要な電位を維持するように微生物集団を最適化してもよい。
【００７２】
本明細書に記載のＢＥＳ構造を、下の実施例３に記載されているように、前処理または嫌気性消化槽もしくは他の天然ガス生成工程の後処理として、嫌気性消化工程とさらに連動させてもよい。例えば、１つ以上のアノード／カソード対が嫌気性消化工程に対して調整され、他のアノード／カソード対がガス洗浄に対して調整されるように、異なる電気生成微生物を含む１つ以上のチャンバ内の異なるアノード／カソード対に、異なる電圧を印加してもよい。
【００７３】
電気生成微生物
任意の適当な電気生成微生物を、本明細書に記載の生物−電気化学的システムに使用することができる。ある実施形態では、システムのアノード（１つまたは複数）が硫化物酸化細菌を多く含む。例えば、シュードモナス（Ｐｓｕｅｄｅｍｏｎａｓ）属の多数の細菌が生物−電気化学的システムにおいて機能することが示されており、また他のものはＨ２Ｓを酸化することが示されている。特定の実施形態では、硫化物酸化細菌はシュードモナス・プチダ（Ｐｓｕｅｄｅｍｏｎａｓ  ｐｕｔｉｄａ）である。硫化物酸化細菌の他の例としては、特に限定されないが、アクロマチウム（Ａｃｈｒｏｍａｔｉｕｍ）属、ベギアトア（Ｂｅｇｇｉａｔｏａ）属、クロマチウム（Ｃｈｒｏｍａｔｉｕｍ）属、カンピロバクター（Ｃａｍｐｙｌｏｂａｃｔｅｒ）属またはカンピロバクター（Ｃａｍｐｙｌｏｂａｃｔｅｒ）様の種、ハロチオバチルス（Ｈａｌｏｔｈｉｂａｃｉｌｌａｃｅａｅ）属、マクロモナス（Ｍａｃｒｏｍｏｎａｓ）属、スルホロブス（Ｓｕｌｆｏｌｏｂｕｓ）属、チオバチルス（Ｔｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓ）属、チオミクロスピラ（Ｔｈｉｏｍｉｃｒｏｓｐｉｒａ）属、チオトリックス（Ｔｈｉｏｔｈｒｉｘ）属、チオスピラ（Ｔｈｉｏｓｐｉｒａ）属、チオプロカ（Ｔｈｉｏｐｌｏｃａ）属およびチオスピリロプシス（Ｔｈｉｏｓｐｉｒｉｌｌｏｐｓｉｓ）属の種が挙げられる。混合培養を用いて他の種の硫化物酸化細菌を同定してもよい。例えば、微生物が増殖する酸化還元条件を徐々に変化させることにより（例えば、電極電位を減少または増加させることにより）硫化物酸化反応を完了させる定向進化法を用いて、または硫化物酸化細菌がこれらの反応を完了できるようにする遺伝子操作法により、微生物を同定してもよい。このストラテジーは、異種シトクロームタンパク質、ピリン構造、分泌型酸化還元メディエーター分子または他の外膜タンパク質の発現を含み得る。
【００７４】
本明細書に記載の生物−電気化学的システムは、システムを嫌気性消化工程と、このような工程により生成されるサワーガスの処理の両方に使用することができるように、メタン生成微生物をさらに含み得る。適当なメタン生成微生物の例としては、特に限定されないが、メタノバクテリウム（Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ）属、メタノサルシナ（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ）属、メタノコッカス（Ｍｅｔｈａｎｏｃｏｃｃｕｓ）属およびメタノスピリルム（Ｍｅｔｈａｎｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ）属の種が挙げられる。
【００７５】
ここまで、本発明を明細書という形で記載してきたが、当業者には、各種実施形態で本発明を実施することができるということ、および上の記載および下の実施例は説明するのが目的であり、後の特許請求の範囲を限定するのが目的ではないということがわかるであろう。
【００７６】
実施例
行った実験および得られた結果を含む以下の実施例は、単なる例示目的で提供されるものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。
【００７７】
実施例１：バイオ散水ろ床に基づく生物−電気化学的システム
バイオ散水ろ床ＢＥＳシステムは、基本的なバイオ散水ろ床を生物−電気化学的システムに変換するものである。従来のバイオ散水ろ床では、浄化する必要があるサワーガスなどのガスを、細菌が増殖可能な火山岩のような固体マトリックスを通って上方向に通過させる。液体が再循環して栄養分を供給し、液体反応生成物を除去する。通常、Ｈ２Ｓ除去の場合、これは酸性が強く、石灰のような塩基と反応させなければならない水を生じる。
【００７８】
図８に示すシステム（Ａ＝アノードによるＨ２Ｓ酸化；Ｂ＝アノードとカソード間の電気的接続；Ｃ＝電気を絶縁する多孔性の層；Ｄ＝カソード：ＣＯ２還元；Ｅ＝再循環ポンプ）では、増殖のための固体基質が、グラファイト粒またはステンレス鋼ワイヤのような導電性の基質（Ａ）および（Ｄ）に置き換わっている。最初の設計では、本発明者らは、２つのチャンバを間隙または電気を絶縁する多孔性の層（Ｃ）で分離し、１つのチャンバをアノードとして、もう一方のチャンバをカソードとして扱う。この設計の一実施形態では、チャンバ（Ｄ）をカソードとして、チャンバ（Ａ）をアノードとして扱う。Ｈ２Ｓなどの望ましくないガスがアノードで酸化されて、硫酸のような液相の副生成物が生じる。次いで、この酸性生成物がカソード（Ｄ）に滴下されて、そこで還元され得る。印加電圧を用いて、システムの性能を調節することができる。
【００７９】
実施例２：バイオ散水ろ床に基づく別の生物−電気化学的システム
散水ろ床全体をアノード区画（Ａ）として用いる、上記の設計とは別の設計を図９に示す（Ａ＝アノード区画（気相／液相）；Ｂ＝アノードとカソード間の電気的接続；Ｃ＝カソード区画（液相）；Ｄ＝再循環ポンプ；Ｅ＝発生したカソードガスを集めるためのバッフル）。この場合、媒体は、グラファイト粒もしくはステンレス鋼ワイヤのような導電性の固体マトリックス、または他の任意の導電性基質であってよい。Ｈ２Ｓなどのガス種がアノードで酸化され、基質の上方を流れる液体が反応生成物をカソードチャンバ（Ｃ）内に滴下する。反応生成物によっては、液相でのカソードによる還元で水素のようなガスが発生することがあるが、これをバッフル（Ｅ）で集め、付加価値生産物として使用しても、または浄化されたバイオガスと組み合わせてより価値の高い流れを生成してもよい。バッフルは任意選択のものであり、またシステムを、印加電圧および平衡電位を使用して用いても、用いなくてもよい。
【００８０】
実施例３：生物−電気化学的システムに基づく嫌気性消化とＨ２Ｓフィルタの組合せ
図１０に示すＢＥＳシステム構造（Ａ＝嫌気性消化槽；Ｂ＝気相がアノード、液相がカソードである電極）では、上記のＨ２Ｓ洗浄技術を嫌気性消化槽と連動させる。アノードがガス中の硫化水素を酸化し、カソードが流れまたは流入水の液体部分内のＣＯ２および他の要素を還元する。電極上の複数のメタン生成および電気生成微生物による酸化および還元の速度を最適化するために、アノードとカソードの間に電圧を印加してもよい。結果として、他の場合よりも酸性物質の少なく（例えば、硫化水素が少なく）、ＣＯ２に対してメタンの量が多いバイオガスまたは天然ガスが得られるであろう。電極は任意の形状または材料であってよく、このようなものとしては、特に限定されないが、グラファイトもしくはステンレス鋼の平らなディスク、またはグラファイト粒もしくは任意の導電性の媒体が挙げられる。電極は、気相および液相内で増殖する細菌を支える。
【００８１】
別の設計を図１１に図示する。図中、Ａ＝嫌気性消化槽またはメタン生成チャンバ；Ｂ＝アノード（浮遊アノードであってよい）；Ｃ＝アノードとカソード間の電気的接続；Ｄ＝カソード（液体部分に沈んでいる）；Ｅ＝メタン生成チャンバのガス部分；およびＦ＝メタン生成チャンバの液体／固体部分
【００８２】
実施例４：可動式生物−電気ろ過システム（ＭＢＦＳ）
本実施例の目的は、本発明者らが「可動式生物−電気ろ過システム」（ＭＢＦＳ）と呼ぶ多ユニットの可動式廃水処理工程を開発することであった。このシステムは、４つの独立したチャンバを含み、システムの設置面積を削減できるようにそれぞれが最適化されている（図１２）。独自の用途、すなわちバイオガス生成の増大に生物−電気化学的工程を利用して、ＭＢＦＳは以下の使用を満たすように設計されている：（１）雑排水および汚水（別々にまたは一緒に）を処理する；（２）１日当たり２５０ガロン（約１．１ｍ３）以上を処理することができる（３）エネルギーポジティブでないとしても、少なくともエネルギーニュートラルである。
【００８３】
ＭＢＦＳの中心となるのは、生物電極により強化された嫌気性消化槽のチャンバ２である。生物−電気化学的システムに関する従来の研究は、メタン形成を最小限にしながら電気生成を最大にしようとするものであった。しかし、以下でより詳細に記載されている主題に基づき、本発明者らの高速消化槽が、生物−電気化学的工程を用いてメタン形成を急速に加速することでこのパラダイムを覆すであろう。これには、極めてよく理解された堅固な生物学的工程を利用し、それを新たな工程で補強する利点がある。システムの稼動法によっては、少量の電気を発生させることが可能であり、または平衡電位を印加して処理率をさらに増大させることが可能である。最終的には、よりコンパクトな嫌気性消化槽、熱としてまたはジェネレータで使用するための比較的純粋なバイオガス、または携帯用メタン燃料電池が得られる。予測される高速嫌気性消化槽のパフォーマンス目標および特徴は以下の通りである：
−反応器寸法：４．８×２．４×２．６ｍ（１２，０００ガロンに相当）
−滞留時間：１日
−ＴＣＯＤ除去率：約９０％
−生物−電気的な最大電圧：約４００ｍＶ（１ｋΩ）
−生物−電気的なエネルギー：約３０Ｗｈ／日・ｍ３
−バイオガス生成量：約２５０ｍ３／日。
【００８４】
高速消化の利点
簡潔に述べれば、生物−電気化学的工程により強化された高速消化槽には、従来のシステムに比べて以下のような潜在的な利点がある：
１．競合する高速の消化槽よりも、小規模でのメタン形成速度が速い。
２．既存の高速嫌気性消化槽よりも処理率が増加している。
３．稼動モードによっては電気がいくらか生成される。
４．カソード反応を介してｐＨが調節される。
【００８５】
ＭＢＦＳシステム構造：
４チャンバシステムは、２つの前処理チャンバと、高速消化槽チャンバ（図１３）と、洗浄のための膜による生物膜反応器を有する曝気チャンバとを含む。２つの前処理チャンバは、雑排水および汚水の温度およびｐＨを別々に調節するものである。汚水は、ＣＯＤおよびＴＳＳの大部分を除去する高速嫌気性消化槽（ＡＡＤ）に流入する。ＡＡＤからの流出物および雑排水は洗浄チャンバに送られ、そこで曝気および膜による生物学的ろ過を受ける。ＣＯＤのための各チャンバで可能な大きさおよび性能を下の表３にまとめる。
【００８６】
表３：チャンバの大きさ、ＣＯＤ負荷率、および必要なＣＯＤ除去性能目標の計算例。ここでは、１日当たり１０，０００ガロン（約４５ｍ３）の負荷を想定している。システムの全容積は１２，４４４ガロン（４７．１ｍ３）であり、これは、ＭＢＦＲがシステム容積の２０％、２つの前処理チャンバが合計１５％、残りを含めたＡＡＤが６５％であることを想定したものである。ＴＳＳおよびＣＯＤはこのように計算することができる。
【表３】
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【００８７】
電極の設計：
ＡＡＤ（図１３）では、電気生成およびＡＤ工程促進の両方に生物学的アノード（例えば、バイオチャー）を用いる。このような電極は、軽量で表面積が大きくなければならない。本明細書に記載の特許システムでは、バイオチャー顆粒を用いて導電性マトリックスを形成し、利用可能な微生物面積の増加と、エクソエレクトロジェニック（ｅｘｏｅｌｅｃｔｒｏｇｅｎｉｃ）導電性生物膜マトリックスの発達の促進の両方を行う。バイオチャーは、軽量で高導電性、かつ微生物親和性を併せ持つ、生物−電気化学的システムのための革新的な電極概念である。電流コレクタを炭素布とＰＶＣチューブで作成する。空気カソードをアノードと同じ大きさにして対にする。上記のように、電極を平衡状態にして反応速度を増大させてもよく、また平衡でない状態にしておいて、少量の電気を利用してもよい。
【００８８】
システム分析および予備設計
本発明者らの複合システムは、前処理、高速嫌気性消化、曝気／膜ろ過および病原体除去の４つのチャンバを含む。システム分析の目標は、以下のものを計算することである：（１）推定されるチャンバの大きさ；（２）チャンバ当たりのＣＯＤ負荷量；（３）ガス生成速度；（４）チャンバ性能要件。上に記載した表３は、ＣＯＤのみ（ＴＳＳなし）を用いた計算例を提供するものである。これは、流入ＣＯＤが汚水で２０００ｍｇ／ｌ、雑排水で１００ｍｇ／ｌであることを想定したものである。実験結果およびさらなる背景調査により、ＴＳＳ、ＣＯＤなどの汚染物質と組み合わせて、これらの計算および大きさを完成させることができる。
【００８９】
これらの解析を用いて、所要ポンプ量、所要電力、電力生産、および予備設計に必要な他のパラメータを推定することができる。これを用いて、複合システムの予備設計を作成する（１）全出力；（２）所要電力；（３）チャンバの大きさ；（４）バイオガス生成の定量化；および（５）エネルギー生産システム（燃料電池、ジェネレータ、太陽パネル）の予備選択。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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