(57)【要約】【課題】食品廃棄物の種類によらず、安定的に多量のメタンガスを回収可能な湿式メタン発酵設備を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の湿式メタン発酵設備は、食品廃棄物を処理してメタンガスを得るための、酸発酵槽及びメタン発酵槽を有する、２相発酵の湿式メタン発酵設備であって、酸発酵槽の発酵液のｐＨが３から４であり、酸発酵槽に存在する酸発酵菌の８０％以上が乳酸菌である。これにより、酸発酵槽で乳酸が多量に生成し、他の有機酸の生成量が低く抑えられることにより、メタン発酵槽においても、メタンガスの生成量が増加する。このような効果は、食品廃棄物の種類によらず認められ、本発明の湿式メタン発酵設備において、安定的に多量のメタンガスが回収可能となる。【選択図】図１
2018008203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
食品廃棄物を処理してメタンガスを得るための、酸発酵槽及びメタン発酵槽を有する、２相発酵の湿式メタン発酵設備であって、
酸発酵槽の発酵液のｐＨが３から４であり、
酸発酵槽に存在する酸発酵菌の８０％以上が乳酸菌である、湿式メタン発酵設備。
【請求項２】
食品廃棄物は、事業系又は家庭系の一般廃棄物の固形廃棄物である、請求項１に記載の湿式メタン発酵設備。
【請求項３】
メタン発酵槽において、中温発酵が行われている、請求項１又は２に記載の湿式メタン発酵設備。
【請求項４】
メタン発酵槽に存在する細菌の１５％以上３０％以下がＷＷＥ１門の真正細菌に属する桿菌である、請求項１から３のいずれかに記載の湿式メタン発酵設備。
【請求項５】
メタン発酵槽に存在する細菌の３５％以上４５％以下がバクテロイデス門（Ｂａｃｔｅｒｏｉｄｅｔｅｓ）の真正細菌であり、２５％以上３５％以下がファーミキューテス門（Ｆｉｒｍｉｃｕｔｅｓ）の真正細菌である、請求項４に記載の湿式メタン発酵設備。
【請求項６】
酸発酵槽及びメタン発酵槽に存在する微生物が野生型株である、請求項１から５のいずれかに記載の湿式メタン発酵設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、食品廃棄物を処理してメタンガスを得るための湿式メタン発酵設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
食品循環資源の再生利用等の促進に関する法律（食品リサイクル法）が、平成１３年に施行された。食品リサイクル法は、食品の製造、流通・小売等を業として行う食品関連事業者による食品循環資源（食品廃棄物であって、飼料・肥料等の原料となる等有用なもの）の再生利用を促進するための措置を講ずることにより、食品に係る資源の有効な利用の確保及び食品に係る廃棄物の排出の抑制等を図ることを目的としている（例えば、図４参照）。一方で、食品関連事業者から廃棄される食品廃棄物等の発生量は増え続けており、再生利用事業者により処理される食品循環資源は増え続けている。
【０００３】
平成２５年度における食品廃棄物の再利用の用途は、飼料・肥料が約９２％であるものの、約５％をメタンガスが占めている。食品廃棄物からメタンガスを再生する場合、メタン発酵法を利用する。メタン発酵法では、バイオガスとしてメタンガスを回収する（バイオガスには、概ね、６０％のメタンガスと４０％の二酸化炭素が含まれる）とともに、メタン発酵残渣については、脱水して汚泥と排水に分離される。回収されたメタンガスは、発電設備に供給することにより発電に利用可能であるため、現在、地球温暖化防止対策推進の観点からも、食品廃棄物のメタン発酵が注目を集めている。特に、再生可能エネルギー固定価格買取制度（ＦＩＴ）が、平成２４年から開始されて以降、メタン発酵を活用したバイオマス発電事業に参入する企業は増加傾向にある。
【０００４】
一般に、メタン発酵法としては、有機性廃棄物の固形分濃度を２０％以下程度にしてメタン発酵を行う湿式メタン発酵法と、有機性廃棄物の固形分濃度が２０％から４０％程となる条件でメタン発酵を行う乾式メタン発酵法が知られている（例えば、特許文献１参照）。湿式メタン発酵法は、水分を多く含む廃棄物であっても処理することができ、食品廃棄物中の窒素分によるアンモニアの影響を低減できる利点がある一方で、乾式メタン発酵法は、高固形分濃度の廃棄物を低動力で処理できるとともに、排水処理設備を小型化できる等の利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１８８５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、湿式メタン発酵設備においては、一般に、固形分濃度が低く、水分含量が多い廃棄物をメタン発酵するため、一般的に設備の規模が大きくなる傾向にあり、設備投資額が増大する傾向にある。このため、メタン発酵を安定的に行うことが、廃棄物処理事業の収益性を増大させるために重要となる。さらに、食品廃棄物からメタン発酵を行ってメタンガスを回収する場合、季節等に応じて受け入れられる食品廃棄物の内容物が異なってくるため、食品廃棄物の種類によらずに安定的にメタンガスを回収し、再生可能エネルギーの普及拡大に貢献できるメタン発酵法が求められていた。したがって、本発明は以上の課題に鑑みてなされたものであり、食品廃棄物の種類によらず、安定的に多量のメタンガスを回収可能な湿式メタン発酵設備を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発明者は、上記課題に鑑み、１０年以上の間、鋭意研究を行い、試行錯誤を行った。その結果、湿式メタン発酵設備において、酸発酵槽の発酵液のｐＨを３から４とし、酸発酵槽に存在する酸発酵菌の８０％以上が乳酸菌となるように調整することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的には、本発明は、以下のものを提供する。
【０００８】
（１）本発明の第１の態様は、食品廃棄物を処理してメタンガスを得るための、酸発酵槽及びメタン発酵槽を有する、２相発酵の湿式メタン発酵設備であって、酸発酵槽の発酵液のｐＨが３から４であり、酸発酵槽に存在する酸発酵菌の８０％以上が乳酸菌である、湿式メタン発酵設備である。
【０００９】
（２）本発明の第２の態様は、（１）に記載の湿式メタン発酵設備であって、食品廃棄物は、事業系又は家庭系の一般廃棄物の固形廃棄物であることを特徴とするものである。
【００１０】
（３）本発明の第３の態様は、（１）又は（２）に記載の湿式メタン発酵設備であって、メタン発酵槽において、中温発酵が行われていることを特徴とするものである。
【００１１】
（４）本発明の第４の態様は、（１）から（３）のいずれかに記載の湿式メタン発酵設備であって、メタン発酵槽に存在する細菌の１５％以上３０％以下がＷＷＥ１門の真正細菌に属する桿菌であることを特徴とするものである。
【００１２】
（５）本発明の第５の態様は、（４）に記載の湿式メタン発酵設備であって、メタン発酵槽に存在する細菌の３５％以上４５％以下がバクテロイデス門（Ｂａｃｔｅｒｏｉｄｅｔｅｓ）の真正細菌であり、２５％以上３５％以下がファーミキューテス門（Ｆｉｒｍｉｃｕｔｅｓ）の真正細菌であることを特徴とするものである。
【００１３】
（６）本発明の第６の態様は、（１）から（５）のいずれかに記載の湿式メタン発酵設備であって、酸発酵槽及びメタン発酵槽に存在する微生物が野生型株であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明においては、２相発酵の湿式メタン発酵設備において、酸発酵槽の発酵液のｐＨが３から４となるように調整した。これにより、酸発酵槽に存在する酸発酵菌の大部分が乳酸菌となり、酸発酵槽で生成する有機酸が乳酸となる。本発明における湿式メタン発酵設備の操業条件は、１０年に亘る発明者らの試行錯誤の結果、見出されたものであり、詳細なメカニズムは不明ではあるが、酸発酵槽で乳酸が多量に生成し、メタン発酵槽において、それを栄養源としたＷＷＥ１門の真正細菌を優先菌としたメタン発酵液の発酵効果により、メタンガスの生成量が増加する。このような効果により、本発明の湿式メタン発酵設備において、安定的に多量のメタンガスが回収可能となる。本発明の湿式メタン発酵設備では、従来のメタン発酵設備と比較して、メタンガスの生成量が３０％以上増加する。すなわち、メタンガスの生成量が３０％以上増加することは、有機物の分解能力が、従来のメタン発酵設備よりも３０％増大したことを意味している。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の湿式メタン発酵設備の概略を示す図面である。
【図２】従来のメタン発酵における有機物の分解経路を記載した図面である。
【図３】本発明の湿式メタン発酵設備における有機物の分解経路を示した図面である。
【図４】食品リサイクル法における食品循環資源の再生利用の概要を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明について図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
＜湿式メタン発酵設備＞
図１は、本発明の湿式メタン発酵設備１００の概略を示す図面である。湿式メタン発酵設備１００は、別途設けられる分別設備１０で分別された有機性廃棄物を処理して、バイオガスと、消化液とを生成することができる設備である。
【００１８】
図２は、従来のメタン発酵における有機物の分解経路を記載した図面であり、図３は、本発明の湿式メタン発酵設備１００における有機物の分解経路を示した図面である。一般に、食品廃棄物のような多種多様な有機物をメタン発酵させる場合には、酸発酵工程とメタン発酵工程とから構成される２相発酵プロセスが採用される。従来の２相発酵プロセスにおいては、まず、酸発酵槽において、酸発酵菌により有機物（炭水化物・食物繊維等の糖質、脂質、タンパク質）を可溶化・加水分解し、有機酸に転換する。そして、メタン発酵槽において、有機酸を酢酸・水素に転換して、更にメタン生成細菌群により、メタンガスを生成する。したがって、本発明においても、湿式メタン発酵設備１００は、有機性廃棄物から有機酸と水素とを生成する酸発酵槽２０と、酸発酵槽２０で生成された有機酸を含む溶液から、メタンガスを主成分とするバイオガスを生成するメタン発酵槽３０とを有する。メタン発酵槽３０から発生したバイオガスは、ガスタンク４０に貯留される。
【００１９】
ところで、従来、酸発酵工程からメタン発酵工程を経由する間、酸発酵工程以前において、食品廃棄物に特別な前処理を行うことが必要であった（例えば、特開２００８−２８４４９９号公報、特開２００９−２４８０４０号公報、及び特開平１１−３００３２３号公報参照）。これは、食品廃棄物の中には、油脂分やタンパク質系成分、塩分等が多く含まれることがあるためであり、油脂、タンパク質、塩分等が酸発酵工程における円滑な酸発酵を阻害するためであった。表１に、従来のメタン発酵設備における酸発酵槽における酸発酵液の管理項目を、本発明の酸発酵槽２０における酸発酵液の管理項目と比較して記載するが、本発明においては、ｐＨを所定の数値範囲に調整することにより、従来の酸発酵槽の管理項目よりも少ない管理項目で酸発酵液を管理しつつ、メタン発酵を実施することができる。
【００２０】
【表１】
2018008203.tif 000003
【００２１】
本発明の湿式メタン発酵設備１００では、例えば、以下のように、食品廃棄物から、メタンガスを主成分とするバイオガスを生成して回収する。
【００２２】
［分別工程］
分別設備１０により行われる分別工程では、食品廃棄物をホッパに受け入れ、ホッパから取り出した適当な量の食品廃棄物を、粉砕機及び分別機で、プラスチック類と有機性廃棄物（いわゆる、生ごみ）とに分別する。そして、この有機性廃棄物を、湿式メタン発酵設備１００で処理する。
【００２３】
［湿式メタン発酵工程］
（酸発酵工程）
分別工程で分別された有機性廃棄物は、酸発酵槽２０に投入され、酸発酵槽２０内に存在する真正細菌等の酸生成菌の作用により、有機性廃棄物から有機酸と水素とを生成する。有機酸としては、一般に、乳酸、酢酸、ギ酸、プロピオン酸、及び酪酸等が挙げられるが、本発明においては、酸発酵槽２０の発酵液のｐＨが３から４に維持されているので、主として乳酸が生成する。これは、３から４のｐＨにおいては、酸発酵槽２０の発酵液の中で、主として乳酸菌が繁殖するためで、酸発酵槽２０の発酵液中に存在する乳酸菌の存在率は、酸発酵菌の８０％以上、好ましくは８５％以上にものぼる。酸発酵槽２０の温度は、乳酸菌等の酸発酵菌が活発に代謝を行うことができる温度に調整されており、具体的には、３０℃以上３８℃以下の温度に調整されている。酸発酵槽２０に投入された有機性廃棄物は、通常、１日半から３日間、酸発酵槽２０内に滞留して有機酸に消化される。
【００２４】
酸発酵槽２０において、乳酸菌は、通常、炭水化物を分解したり、単糖類・二糖類から乳酸を生成したりする。しかしながら、乳酸菌は、セルロース等の食物繊維は分解不能なため、セルロース等の食物繊維は、酸発酵槽２０においては分解されず、そのまま、後述するメタン発酵槽３０に移行する。従来の湿式メタン発酵設備における酸発酵槽においては、生成する処理液中の有機酸は、大部分が乳酸以外の有機酸であったが、本発明の湿式メタン発酵設備１００における酸発酵槽２０においては、固形廃棄物を主として処理しており、乳酸菌が生育しやすい環境が整っているため、乳酸が有機酸の大部分を占める。本発明の湿式メタン発酵設備１００の酸発酵槽２０においては、ＣＯＤｃｒ換算において、乳酸が１０％から２０％を占め、残りが有機酸以外の有機物となっている。
【００２５】
酸発酵槽２０のｐＨは、槽内の酸発酵菌群によりほぼ決定し、特に外部からｐＨ調整を行う必要はないものの、もし、ｐＨを調整する場合には、従来公知のｐＨ調整剤を使用すればよい。そのようなｐＨ調整剤としては、塩酸、硫酸、炭酸等の無機酸を挙げることができるが、炭酸を用いることが好ましい。
【００２６】
酸発酵槽２０では、乳酸菌をはじめとした各種の酸発酵菌が見出されるが、これらの酸発酵菌は、野生型株であることが好ましく、下水等から分離される酸発酵菌であることが好ましい。本発明においては、酸発酵槽２０のｐＨを３から４に調整することにより、野生型株の酸発酵菌を用いたとしても、メタン発酵槽３０にて多量のメタンガスを回収することができる。
【００２７】
（メタン発酵工程）
酸発酵槽２０で生成した乳酸等の有機酸を含む処理液は、次いで、メタン発酵槽３０に投入される。メタン発酵槽３０においては、各種の真正細菌の作用により、酸発酵槽２０で分解されなかった炭水化物、食物繊維、タンパク質、脂肪や、酸発酵槽２０で生成した乳酸等の有機酸が、酢酸と水素とに分解され、これらの酢酸と水素から、古細菌の働きにより、メタンガスが生成する。
【００２８】
本発明の湿式メタン発酵設備１００においては、メタン発酵槽３０内の細菌は、真正細菌が１．０×１０８細胞／ｍＬから１．０×１０９細胞／ｍＬ、好ましくは、７．０×１０８細胞／ｍＬであり、古細菌は、１．０×１０６細胞／ｍＬから１．０×１０８細胞／ｍＬであり、好ましくは、５．５×１０７細胞／ｍＬである。また、メタン発酵槽３０に存在する細菌の１５％以上３０％以下がＷＷＥ１門の真正細菌であることが好ましく、３５％以上４５％以下がバクテロイデス門の真正細菌であることが好ましく、２５％以上３５％以下がファーミキューテス門の真正細菌であることが好ましい。ＷＷＥ１門の真正細菌、バクテロイデス門の真正細菌、及びファーミキューテス門の真正細菌は、それぞれ、酸発酵槽２０において消化されなかったセルロース等の食物繊維や残存する炭水化物を単糖類や二糖類に分解するとともに、バクテロイデス門の真正細菌やファーミキューテス門の真正細菌は、酸発酵槽２０において、消化されなかったタンパク質や脂質をアミノ酸や脂肪酸に分解する。そして、これらの細菌の作用により、単糖類、二糖類、アミノ酸、脂肪酸が、更に中間体である酪酸、乳酸等の有機酸に分解され、これをＷＷＥ１門の細菌が、更に酢酸や水素に分解する。最終的には、酢酸や水素等から、古細菌であるメタン生成細菌群がメタンガスを生成する。
【００２９】
表２に、本発明の湿式メタン発酵設備１００のメタン発酵槽３０で見出される細菌の種類を示す。本発明の湿式メタン発酵設備１００のメタン発酵槽３０においては、ＷＷＥ１門の真正細菌、バクテロイデス門の真正細菌、ファーミキューテス門の真正細菌をはじめとして、様々な細菌が存在するが、これらの細菌はいずれも野生型株であることが好ましい。本発明の湿式メタン発酵設備１００においては、１０年にも及ぶ試行錯誤の結果、ＷＷＥ１門の真正細菌、バクテロイデス門の真正細菌、ファーミキューテス門の真正細菌が特異な存在率で存在するに至っており、これがメタンガスの多量の生成に寄与しているものと考えられるが、ＷＷＥ１門の真正細菌、バクテロイデス門の真正細菌、ファーミキューテス門の真正細菌自体は、下水等にもみられるものであり、自然界から容易に単離できるものである。なお、文献等によれば、ＷＷＥ１門の真正細菌の自然界における存在率は高くても１４％であり、このうち、糖蜜排水の中温メタン発酵の発酵槽におけるＷＷＥ１門の真正細菌の存在率が８％、下水汚泥の嫌気性発酵の発酵槽におけるＷＷＥ１門の真正細菌の存在率が０％から１２％であり、本発明の発明者が近隣の下水汚泥消化液中のＷＷＥ１門の真正細菌の存在割合を調べたところ、その存在割合は１．７％であった。このため、本発明における１５％を超えるＷＷＥ１門の真正細菌の存在率は、従来技術と比較しても、特異なものであることが分かる。
【００３０】
【表２】
2018008203.tif 000004
【００３１】
メタン発酵槽３０における処理温度は、３５℃から３８℃であることが好ましく、中温発酵によりメタン発酵を行うことが好ましい。また、メタン発酵槽３０における滞留時間は、通常、２０日から３０日間である。メタン発生後の残渣である消化液は、汚泥分離工程で処理する。メタン発酵槽３０で生成されたバイオガスは、ガスタンク４０に貯留する。
【００３２】
［汚泥分離工程］
次いで、メタン発酵工程においてバイオガスを生成した後の残渣である消化液を、固液分離装置で汚泥と分離液とに分離する。汚泥の含水率は、８５％以下、好ましくは７５％以下とする。汚泥は、所望により更に乾燥し、含水率を２０％から３５％にすることが好ましい。分離液は、水処理設備５０にて適切な水処理をした後、下水道に放流する。
【００３３】
［食品廃棄物］
本発明の湿式メタン発酵設備１００に投入される食品廃棄物は、事業系又は家庭系の一般廃棄物の固形廃棄物であることが好ましく、事業系の一般廃棄物の固形廃棄物であることが好ましい。事業系の一般廃棄物である食品廃棄物は、多分野の排出事業者から排出される食品廃棄物で構成されるため、含有する有機物（糖質、脂質、タンパク質）の構成比率も、日々変動することが知られている。このため、従来のメタン発酵設備においては、メタンガスが安定的に回収されないことが多いが、本発明の湿式メタン発酵設備１００においては、１０年以上の試行錯誤により得られた知見が生かされるため、そのような事業系の一般廃棄物の固形廃棄物からであっても、安定的にメタンガスを回収可能である。
【実施例】
【００３４】
酸発酵槽の酸発酵液のｐＨを３から４に調整した、バイオエナジー株式会社の城南島工場における、メタン発酵槽中の微生物の構成を３回に亘り測定した結果を表３に示す。
【表３】
2018008203.tif 000005
【００３５】
酸発酵槽の酸発酵液のｐＨを３から４に調整した、バイオエナジー株式会社の城南島工場における、湿式メタン発酵設備の運転状況を表４に示す。従来のメタン発酵設備におけるバイオガス発生量は、１００Ｎｍ３／トンから１６０Ｎｍ３／トンであると公表されているところ、それに対して、本発明の発酵設備は３０％から１００％増のバイオガス発生量が得られている。すなわち、本発明のメタン発酵設備は、従来のメタン発酵設備に比べて、３０％から１００％増の有機物の分解能力を有しているメタン発酵設備といえる。
【表４】
2018008203.tif 000006
【符号の説明】
【００３６】
１００    湿式メタン発酵設備
１０      分別設備
２０      酸発酵槽
３０      メタン発酵槽
４０      ガスタンク
５０      水処理設備
【図１】
2018008203.tif 000007
【図２】
2018008203.tif 000008
【図３】
2018008203.tif 000009
【図４】
2018008203.tif 000010