(57)【要約】      （修正有）【課題】種汚泥などを用いずにメタンガスを発生することが可能なメタン発酵の立ち上げ方法の提供。【解決手段】メタン生成菌を含有する牛糞と、飼料とを準備する工程（Ｓ１１）と、牛糞と飼料とを所定の比率にして牛糞および飼料を発酵槽に投入する工程（Ｓ１２）と、発酵槽内でメタン生成菌を培養してメタンガスを発生させる工程（Ｓ１３）とを備えた、メタン生成菌を培養してメタンガスを発生させる、メタン発酵の立ち上げ方法（ＳＴＥＰ１）。【選択図】図３
2019177372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタン生成菌を培養してメタンガスを発生させるメタン発酵の立ち上げ方法であって、
メタン生成菌を含有する牛糞と、飼料とを準備する工程と、
前記牛糞と前記飼料とを所定の比率にして前記牛糞および前記飼料を発酵槽に投入する工程と、
前記発酵槽内でメタン生成菌を培養してメタンガスを発生させる工程とを備えた、メタン発酵の立ち上げ方法。
【請求項２】
乾物重量比における前記飼料の投入量は、前記牛糞の投入量の０．１〜２０％である、請求項１に記載のメタン発酵の立ち上げ方法。
【請求項３】
前記発酵槽内の温度が３６℃の場合、乾物重量比における前記飼料の投入量は、前記牛糞の投入量の０．５〜１０％である、請求項１または２に記載のメタン発酵の立ち上げ方法。
【請求項４】
前記発酵槽内の温度が４２℃の場合、乾物重量比における前記飼料の投入量は、前記牛糞の投入量の０．１〜２．５％である、請求項１または２に記載のメタン発酵の立ち上げ方法。
【請求項５】
前記牛糞と前記飼料とを前記発酵槽内に投入後、前記発酵槽内の温度を３６℃から４２℃まで徐々に昇温する、請求項１または２に記載のメタン発酵の立ち上げ方法。
【請求項６】
乾物重量比における前記飼料の投入量は、前記牛糞の投入量の０．５〜１０％である、請求項５に記載のメタン発酵の立ち上げ方法。
【請求項７】
前記発酵槽内に投入する全重量に対する前記牛糞および前記飼料の固形分の合計重量は、１０％〜１５％である、請求項１〜６のいずれかに記載のメタン発酵の立ち上げ方法。
【請求項８】
前記発酵槽内での前記牛糞のメタン生成菌の培養が安定した後に、前記牛糞に加えて、前記牛糞とは異なるバイオマス原料を前記発酵槽内に投入する、請求項１〜７のいずれかに記載のメタン発酵の立ち上げ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、メタン生成菌を培養してメタンガスを発生させるメタン発酵の立ち上げ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、メタン発酵のプラントを立ち上げて稼働させる場合、メタン生成菌は既に稼働しているプラントから消化液（種汚泥）を入手する必要がある。
【０００３】
たとえば、特開２００５−４６７８８号公報（特許文献１）には、メタン発酵の開始時、再起動時などに、種汚泥または発酵液中の菌体を濃縮した菌濃縮液を、被処理物に添加することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−４６７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
メタン発酵プロセスを効率よく立ち立ち上げるには、既設のプラントから種汚泥を入手することが望ましい。しかし、立ち上げるプラントと同条件のメタン発酵施設を見つけることが困難な場合がある。また、特許文献１のメタン発酵処理方法は、プラント立ち上げの際に既設のプラントから種汚泥を入手する必要がある。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は種汚泥などを用いずにメタンガスを発生することが可能なメタン発酵の立ち上げ方法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】
本発明の一態様に係るメタン発酵の立ち上げ方法は、メタン生成菌を培養してメタンガスを発生させるメタン発酵の立ち上げ方法であって、メタン生成菌を含有する牛糞と、飼料とを準備する工程と、牛糞と飼料とを所定の比率にして牛糞および飼料を発酵槽に投入する工程と、発酵槽内でメタン生成菌を培養してメタンガスを発生させる工程とを備える。
【０００８】
好ましくは、乾物重量比における飼料の投入量は、牛糞の投入量の０．１〜２０％である。
【０００９】
好ましくは、発酵槽内の温度が３６℃の場合、乾物重量比における飼料の投入量は、牛糞の投入量の０．５〜１０％である。
【００１０】
好ましくは、発酵槽内の温度が４２℃の場合、乾物重量比における飼料の投入量は、牛糞の投入量の０．１〜２．５％である。
【００１１】
好ましくは、牛糞と飼料とを発酵槽内に投入後、発酵槽内の温度を３６℃から４２℃まで徐々に昇温する。
【００１２】
好ましくは、乾物重量比における飼料の投入量は、牛糞の投入量の０．５〜１０％である。
【００１３】
好ましくは、発酵槽内に投入する全重量に対する牛糞および飼料の固形分の合計重量は、１０％〜１５％である。
【００１４】
好ましくは、発酵槽内での牛糞のメタン生成菌の培養が安定した後に、牛糞に加えて、牛糞とは異なるバイオマス原料を発酵槽内に投入する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、種汚泥などを用いずにメタンガスを発生することが可能なメタン発酵の立ち上げ方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係るメタン発酵方法の全体的な流れを示すフローチャートである。
【図２】本発明の実施の形態に係るメタン発酵方法によって発生するバイオガス量の推移を示す模式的なグラフである。
【図３】メタン発酵の立ち上げ工程（ＳＴＥＰ１）を示すフローチャートである。
【図４】各工程における温度、ｐＨ、ＯＲＰ、メタン濃度の推移を示すグラフである。
【図５】バイオマス原料を段階的に投入する工程（ＳＴＥＰ２）および複数種類のバイオマス原料を連続的に投入する工程（ＳＴＥＰ３）を示すフローチャートである。
【図６】バイオマス原料を投入する手順を示す模式的なグラフである。
【図７】バイオマス原料を段階的に投入する工程（ＳＴＥＰ２）における発酵槽内の分解菌の状態を示す模式図である。
【図８】リカバリ工程（ＳＴＥＰ４）に切替えるかどうかを決定するフローチャートである。
【図９】リカバリ工程（ＳＴＥＰ４）を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００１８】
図１，図２を参照して、本発明の実施の形態に係るメタン発酵方法の全体的な流れについて説明する。図１は、メタン発酵方法の全体的な流れを示すフローチャートである。図２は、メタン発酵方法によって発生するバイオガス量の推移のイメージを示す線グラフであり、縦軸はバイオガス量を示し、横軸は処理日数を示す。
【００１９】
本実施の形態に係るメタン発酵方法の全体的な流れは、メタン発酵の立ち上げ工程（ＳＴＥＰ１）後に、複数種類のバイオマス原料を段階的に発酵槽内に投入する工程（ＳＴＥＰ２）を行い、その後に複数種類のバイオマス原料を連続的に発酵槽内に投入する工程（ＳＴＥＰ３）を行う。
【００２０】
ＳＴＥＰ１のメタン発酵の立ち上げ工程では、発酵槽内でメタン生成菌を培養させてメタン生成菌を増殖させる。ＳＴＥＰ２のバイオマス原料を段階的に投入する工程では、投入するバイオマス原料の種類を１種類ずつ増やして発酵槽に投入する。ＳＴＥＰ３の複数種類のバイオマス原料を連続的に投入する工程では、ＳＴＥＰ２で投入した複数種類のバイオマス原料をすべて混ぜ合わせて発酵槽に投入する。また、ＳＴＥＰ１でメタンガスが正常に発生しなかった場合、または、ＳＴＥＰ３の最中にバイオガス生成量が減少した場合などにリカバリ工程（ＳＴＥＰ４）を行う。
【００２１】
図２に示すように、ＳＴＥＰ１、ＳＴＥＰ２、ＳＴＥＰ３に移行するにつれ、発酵槽内のバイオガス量が増加する。バイオガスとは、発酵槽内でバイオマス原料が分解されることなどによって発生する気体であり、たとえばメタン、二酸化炭素および微量の硫化水素などを含む気体である。ＳＴＥＰ１からＳＴＥＰ２、ＳＴＥＰ２からＳＴＥＰ３へ切替える条件については、後述する。
【００２２】
以下、それぞれのＳＴＥＰについて詳細に説明する。
【００２３】
＜メタン発酵の立ち上げ工程（ＳＴＥＰ１）＞
図３は、メタン発酵の立ち上げ工程（ＳＴＥＰ１）を示すフローチャートである。図３を参照して、メタン発酵の立ち上げ工程（ＳＴＥＰ１）について説明する。メタン発酵の立ち上げ工程は、メタン生成菌を用いてメタンガスを発生させる工程である。メタン発酵の立ち上げ工程（ＳＴＥＰ１）は、牛糞と飼料を準備する工程Ｓ１１と、第１原料投入工程Ｓ１２と、第１メタン生成菌培養工程Ｓ１３とを備える。
【００２４】
牛糞は、牛の糞であり、メタン生成菌を含有する。飼料は、典型的には牛の飼料であるが、豚、鶏、馬など家畜の飼料であってもよい。牛の飼料としては、典型的にはサイレージであるが、配合飼料、青刈りの飼料作物（乳酸発酵していないもの）などであってもよい。サイレージは、たとえばイネ科主体の牧草サイレージ、トウモロコシのコーンサイレージなどである。配合飼料は、麦やトウモロコシなど種々の原料を配合して、栄養素が調整された飼料である。配合飼料は、たとえばサイレージを含んだ配合飼料などであってもよい。
【００２５】
第１原料投入工程Ｓ１２は、牛糞と飼料とを所定の比率にして、牛糞と飼料を発酵槽に投入する工程である。乾物重量比における飼料の投入量は、牛糞の投入量の０．１〜２０であり、好ましくは０．１〜１０％であり、さらに好ましくは０．５〜１０％である。また、発酵槽内に投入する合計重量に対する牛糞および飼料の固形分の合計重量は、たとえば５％〜２０％、好ましくは１０％〜１５％である。なお、発酵槽内には、牛糞および飼料の他に、たとえば固形分、水分などが投入されている。
【００２６】
第１メタン生成菌培養工程Ｓ１３は、発酵槽内でメタン生成菌を培養しながらメタンガスを発生させる工程である。牛糞と飼料とを発酵槽内に投入後、発酵槽内の発酵温度を３６℃から４２℃まで徐々に昇温する。昇温は、たとえば１日１℃のペースで行うことが好ましい。最終的な発酵槽内の発酵温度は４２℃であり、発酵槽内の温度を４２℃に維持することが好ましい。発酵温度を４２℃に維持することにより、３６℃のメタン発酵と比較して、処理時間を短縮することができ、発酵槽の容量を小さくすることができる。
【００２７】
一般的に、メタン発酵のプロセスを新たに立ち上げる場合は、そのプロセスと同条件（同温度）の稼働プラントから消化液（種汚泥）を入手することが望ましい。しかし、新たに立ち上げるプロセスと同条件の稼働プラントを見つけることができず、種汚泥を入手できない場合がある。現在国内では、発酵温度が４２℃の稼働プラントが存在しないため、発酵温度４２℃の種汚泥を入手することは困難である。しかし、本実施の形態の工程を用いることにより、他の稼働プラントの種汚泥を入手する必要はなく、一からメタン発酵の立ち上げを行うことができる。さらに、乾物重量比における飼料の投入量を牛糞の投入量の０．１〜２０％とすることにより、短時間でメタン生成菌を培養することが可能となり、メタン発酵を早期に立ち上げることができる。また、発酵温度を３６℃から４２℃まで徐々に昇温する場合は、乾物重量比における飼料の投入量を牛糞の投入量の０．５〜１０％とすることにより、短時間でメタン生成菌を培養することが可能となる。
【００２８】
ＳＴＥＰ１からＳＴＥＰ２に切替えるタイミングは、牛糞および飼料のメタン生成菌の培養が安定した場合である。すなわち、発酵槽内のｐＨ、ＯＲＰ（酸化還元電位）およびメタン濃度の測定結果が好適範囲になった場合である。また、発酵槽内の上記の測定結果が好適範囲になった場合は、具体的には、発酵槽内のｐＨが６．５以上、好ましくは６．５以上８以下であり、ＯＲＰが−３５０ｍＶ以下であり、メタン濃度が５０％以上、好ましくは５０％〜６０％であるという条件を満たす場合であってもよい。
【００２９】
図４は、上から温度、ｐＨ、ＯＲＰ、メタン濃度の推移を示すグラフである。縦軸はそれぞれ温度（℃）、ｐＨ、ＯＲＰ（ｍＶ）、メタン濃度（％）を示し、横軸は処理日数を示す。図４に示すように、ＳＴＥＰ１とＳＴＥＰ２との境界では、温度が約４２℃であり、ｐＨが約６．８であり、ＯＲＰが約−３５０ｍＶであり、メタン濃度が約５０％であるため、ほぼ上記条件を満たす。このように、発酵槽内の牛糞および飼料のメタン生成菌の培養が安定することが、ＳＴＥＰ１からＳＴＥＰ２に切替えるタイミングである。
【００３０】
上述のように、乾物重量比における飼料の投入量は、牛糞の投入量の０．１〜２０であり、好ましくは０．１〜１０％であり、さらに好ましくは０．５〜１０％である。この投入量は、本発明者が鋭意研究した結果、見出したものである。下記の表１〜４を参照して、その研究内容について述べる。
【００３１】
表１，２は、発酵温度を３６℃にした場合におけるメタン濃度の推移を示す表であり、表１は、飼料としてサイレージを用いた場合を示し、表２は、飼料として配合飼料を用いた場合を示す。表３，４は、発酵温度を４２℃にした場合におけるメタン濃度の推移を示す表であり、表３は、飼料としてサイレージを用いた場合を示し、表４は、飼料として配合飼料を用いた場合を示す。なお、縦列は牛糞に対するサイレージまたは配合飼料の割合を示し、横列は処理日数および到達日数を示す。ここで、到達日数とは、それぞれの配合割合において、メタン濃度が５０％以上となるまでに必要とする日数を示す。なお、メタン濃度が５０％以上ということは、メタン生成菌の培養が安定したという状態であるため、ＳＴＥＰ１からＳＴＥＰ２に切り替えるタイミングであるということを意味する。また、以下の表において、牛糞にサイレージまたは配合飼料を配合していないもの、すなわち牛糞だけを発酵槽内に投入したものは、配合割合０％と示している。表１〜４の網掛け部分は、牛糞だけを発酵槽内に投入したもの（飼料の配合割合０％）と比較してメタン濃度が高くなっているもの、または、メタン濃度が５０％を超えるまでに必要とする日数が短いものである。
【００３２】
表１〜４の説明に先立ち、これらの試験方法について説明する。まず、牛糞と飼料（サイレージ、配合飼料）を準備し、それらを混合する。混合した牛糞と飼料５ｍｌを１０ｍｌのバイアル瓶に入れ、ブチルゴム栓とアルミキャップで密封し、３６℃または４２℃に設定した孵卵器（インキュベーター）内で保温する。さらに、バイアル瓶を定期的に振盪してメタン生成菌を培養する。開始日から３，５，７，１０，１４，２１日目に、バイアル瓶からバイオガス１００μｌを引き抜いて、ガスクロマトグラフ分析（ＧＣ分析）により、メタン濃度を測定する。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
【表２】
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【００３５】
【表３】
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【００３６】
【表４】
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【００３７】
まず、発酵温度を３６℃にした場合について説明する。表１に示すように、サイレージの配合割合が０．５〜１０％の範囲内である場合は、サイレージの配合割合が０％の場合と比較して、メタン濃度が高いことがわかる。メタン濃度が高いということは、メタン発酵が効率よく行えている、つまりメタン生成菌の培養が効率よく行えているということと読み替えることができる。すなわち、サイレージの配合割合が０．５〜１０％である場合は、牛糞だけを投入する場合と比較して、メタン発酵の立ち上げが良好であることがわかる。
【００３８】
また、サイレージの配合割合が０．５〜２０％の範囲である場合は、サイレージの配合割合が０％の場合と比較して、メタン濃度が５０％以上になるまでの日数が短いことがわかる。メタン濃度が５０％以上になるまでの日数が短いということは、メタン濃度が５０％に到達するまでの期間が短く、ＳＴＥＰ２に早期に移行できるということである。なお、サイレージの配合割合が２０％である場合は、１４日以内においてサイレージを配合しない場合と比較してメタン濃度が低いものの、メタン濃度が５０％以上になる日数が、牛糞だけを投入する場合と比較して短いため、ＳＴＥＰ２に早期に移行できるという点で良好である。
【００３９】
表２に示すように、配合飼料の配合割合が０．１〜２．５％の範囲内である場合は、牛糞だけを投入する場合と比較して、メタン発酵の立ち上げが良好であることがわかる。また、配合飼料の配合割合が０．１〜１．０％の範囲である場合は、牛糞だけを投入する場合と比較して、ＳＴＥＰ２に早期に移行できる。
【００４０】
次に、発酵温度を４２℃にした場合について説明する。表３に示すように、サイレージの配合割合が０．１〜２．５％である場合は、牛糞だけを投入する場合と比較して、メタン発酵の立ち上げが良好であり、牛糞だけを投入する場合と比較して、ＳＴＥＰ２に早期に移行できる。
【００４１】
表４に示すように、配合飼料の配合割合が０．１〜１．０％である場合は、牛糞だけを投入する場合と比較して、メタン発酵の立ち上げが良好であり、牛糞だけを投入する場合と比較して、ＳＴＥＰ２に早期に移行できる。
【００４２】
表１に示すようにサイレージの配合割合が３０％以上、表２に示すように配合飼料の配合割合が１．５％以上、表３に示すようにサイレージの配合割合が５．０％以上、表４に示すように配合飼料の配合割合が１．５％以上であると、牛糞だけを投入する場合と比較して、メタン濃度が低いことがわかる。すなわち、メタン発酵を早期に立ち上げるためには、牛糞と飼料を発酵槽に投入することに加えて、牛糞と飼料の配合割合も重要であることがわかる。以上の説明において、飼料としてサイレージおよび配合飼料を用いたが、飼料の種類としてこれらに限定されることはない。
【００４３】
以上、表１〜４に示すように、乾物重量比における飼料の投入量が牛糞の投入量の０．１〜２０％である場合に、メタン発酵の立ち上げを早期に行うことができ、ＳＴＥＰ２に早期に移行することができる。好ましくは、発酵温度が３６℃である場合は、乾物重量比における飼料の投入量が牛糞の投入量の０．５〜１０％である場合に、メタン発酵の立ち上げを早期に行うことができ、ＳＴＥＰ２に早期に移行することができる。また、発酵温度が４２℃である場合は、乾物重量比における飼料の投入量が牛糞の投入量の０．１〜２．５％である場合にメタン発酵の立ち上げを早期に行うことができ、ＳＴＥＰ２に早期に移行することができる。
【００４４】
ＳＴＥＰ２では、牛糞に加えて、牛糞とは異なるバイオマス原料を発酵槽内に投入する。牛糞とは異なるバイオマス原料は、たとえば豚糞、鶏糞、いわゆる生ごみとしての食品残渣、グリストラップ汚泥などである。次に、ＳＴＥＰ２について詳細に説明する。
【００４５】
＜バイオマス原料を段階的に投入する工程（ＳＴＥＰ２）＞
図２，図４〜図７を参照して、本発明の実施の形態に係るメタン発酵方法における、バイオマス原料を段階的に投入する工程（ＳＴＥＰ２）について説明する。ＳＴＥＰ２は、複数種類のバイオマス原料を一括で混合投入するのではなく、バイオマス原料を１種類ずつ増やしながら段階的に投入する工程である。
【００４６】
図５に示すように、バイオマス原料を段階的に投入する工程（ＳＴＥＰ２）は、第１混合原料投入工程Ｓ２１と、第２混合原料投入工程Ｓ２２とを備える。第１混合原料投入工程Ｓ２１は、ＳＴＥＰ１の牛糞および飼料のメタン生成菌の培養が安定した後に行う工程である。
【００４７】
図６は、バイオマス原料を投入する手順を示す模式的なグラフである。縦軸は発酵槽内のバイオマス原料の湿重量を示し、横軸は処理日数を示す。第１混合原料投入工程Ｓ２１は、第１バイオマス原料と、第１バイオマス原料とは異なる第２バイオマス原料とを含む第１混合原料を発酵槽へ投入する工程である。図６に示すように、本実施の形態では、第１バイオマス原料は牛糞であり、第２バイオマス原料は豚糞である。第１混合原料投入工程Ｓ２１では、牛糞と豚糞を含む第１混合原料を発酵槽へ投入する。
【００４８】
第２混合原料投入工程Ｓ２２は、第１混合原料投入工程Ｓ２１後に、発酵槽内での第１混合原料のメタン生成菌の培養が安定した後に、第１バイオマス原料と、第２バイオマス原料と、第１バイオマス原料および第２バイオマス原料とは異なる第３バイオマス原料とを含む第２混合原料を発酵槽へ投入する工程である。図６に示すように本実施の形態では、第２混合原料投入工程Ｓ２２は３つの工程があり、牛糞と豚糞と鶏糞を混合した３種原料を発酵槽に投入する３種混合原料投入工程Ｓ２２ａと、牛糞と豚糞と鶏糞と食品残渣とを混合した４種原料を投入する４種混合原料投入工程Ｓ２２ｂと、牛糞と豚糞と鶏糞と食品残渣とグリストラップ汚泥とを混合した５種原料を投入する５種混合原料投入工程Ｓ２２ｃとを含む。このように、第２混合原料投入工程Ｓ２２は、複数の混合原料を段階的に投入する工程を複数含んでもよい。
【００４９】
混合原料を投入するタイミング、具体的には第１混合原料投入工程Ｓ２１から３種混合原料投入工程Ｓ２２ａに移行するタイミング、３種混合原料投入工程Ｓ２２ａから４種混合原料投入工程Ｓ２２ｂに移行するタイミング、４種混合原料投入工程Ｓ２２ｂから５種混合原料投入工程Ｓ２２ｃに移行するタイミングは、発酵槽内での混合原料のメタン生成菌の培養が安定した状態になった場合である。すなわち、発酵槽内のｐＨ、ＯＲＰ（酸化還元電位）およびメタン濃度の測定結果が好適範囲になった場合である。また、発酵槽内の上記の測定結果が好適範囲になった場合は、具体的には、発酵槽内のｐＨが６．５以上、好ましくは６．５以上８以下であり、ＯＲＰが−３５０ｍＶ以下であり、メタン濃度が５０％以上、好ましくは５０％〜６０％であるという条件を満たす場合であってもよい。なお、混合原料を発酵槽内に投入するタイミングは、たとえば数時間毎であってもよいが、数日毎であることが好ましい。
【００５０】
図４に示すように、混合原料を投入するタイミングでは、ｐＨ、ＯＲＰ，メタン濃度のいずれも数値が変動しているものの、温度は約４２℃であり、ｐＨが約６．８からｐＨ７の間であり、ＯＲＰが約−３５０ｍＶから−５００ｍＶの間であり、メタン濃度が約５０％から６０％の間であるため、ほぼ上記条件を満たす。
【００５１】
第２バイオマス原料は、第１バイオマス原料よりも発酵負荷が高く、第３バイオマス原料は、第２バイオマス原料よりも発酵負荷が高いことが好ましい。つまり、本実施の形態では、牛糞、豚糞、鶏糞、食品残渣、グリストラップ汚泥の順に発酵負荷が高くなり、牛糞の発酵負荷が最も低く、グリストラップ汚泥の発酵負荷が最も高い。ここで、発酵負荷とは、メタン発酵に要する負荷のことをいい、具体的には、油分、アンモニア濃度などの含有率が高いものが発酵負荷が高く、それらの含有率が低いものが発酵負荷が低い。つまり、発酵負荷が高いと発酵しにくく、過剰投入すると発酵阻害が起きやすいのに対し、発酵負荷が低いと発酵しやすいことを意味する。したがって、本実施の形態では、発酵負荷の低い牛糞から投入し、発酵負荷の高いグリストラップ汚泥を最後に追加する。
【００５２】
図７は、バイオマス原料を段階的に投入する工程（ＳＴＥＰ２）における発酵槽内の分解菌の状態を示す模式図である。バイオマス原料の種類によって、分解菌（加水分解菌・酸生成菌）は異なる。図７に示すように、メタン発酵を牛糞と飼料で立ち上げた場合、発酵槽内には牛糞の分解菌が増殖する。牛糞の分解菌が増殖した発酵槽内に、牛糞とは異なるバイオマス原料（図７においては豚糞）を加えた場合、その豚糞に対応する分解菌だけが増殖し、牛糞の分解菌が減少してしまう可能性がある。そのため、発酵槽内において、牛糞の分解菌および豚糞の分解菌をバランスよく増殖させるために、追加する豚糞だけを投入するのではなく、牛糞をベースに豚糞の追加投入を行う。これにより、発酵槽内において豚糞に対応する分解菌、および、牛糞に対応する分解菌がバランスよく生育する。
【００５３】
このような原則を考慮すると、以下のように牛糞をベースに投入することが好ましい。すなわち、図６に示すように、仮に第１混合原料投入工程Ｓ２１の牛糞と豚糞の湿重量比をａ：ｂとした場合、第２混合原料投入工程Ｓ２２の３種混合原料投入工程Ｓ２２ａの牛糞と豚糞と鶏糞の湿重量比はａ：ｂ：ｃであり、４種混合原料投入工程Ｓ２２ｂの牛糞と豚糞と鶏糞と食品残渣の湿重量比はａ：ｂ：ｃ：ｄであり、５種混合原料投入工程Ｓ２２ｃの牛糞と豚糞と鶏糞と食品残渣とグリストラップ汚泥の湿重量比はａ：ｂ：ｃ：ｄ：ｅである。
【００５４】
つまり、豚糞の初回投入工程（Ｓ２１）における牛糞と豚糞との湿重量比は、その後の混合原料投入工程（Ｓ２２ａ，Ｓ２２ｂ，Ｓ２２ｃ，ＳＴＥＰ３）においても一定である。鶏糞の初回投入工程（Ｓ２２ａ）、食品残渣の初回投入工程（Ｓ２２ｂ）、グリストラップ汚泥の初回投入工程（Ｓ２２ｃ）における他のバイオマス原料との湿重量比についても同様である。すなわち、第１，２混合原料投入工程Ｓ２１，Ｓ２２ａ，Ｓ２２ｂ，Ｓ２２ｃにおいて投入するバイオマス原料の湿重量比は、その後の投入工程においても常に同一である。これにより、前回投入したバイオマス原料をベースに新たなバイオマス原料を追加投入するため、発酵槽内でそれぞれのバイオマス原料に対応する分解菌をバランスよく生育させることができる。
【００５５】
ＳＴＥＰ２において最終的に投入する原料である５種原料（牛糞、豚糞、鶏糞、食品残渣、グリストラップ汚泥）を投入する５種混合原料投入工程Ｓ２２ｃの後、次のＳＴＥＰ３に切替える。
【００５６】
ＳＴＥＰ２からＳＴＥＰ３に切替えるタイミングは、５種原料のメタン生成菌の培養が安定した場合である。すなわち、発酵槽内のｐＨ、ＯＲＰ（酸化還元電位）およびメタン濃度の測定結果が好適範囲になった場合である。また、発酵槽内の上記の測定結果が好適範囲になった場合は、具体的には、発酵槽内のｐＨが６．５以上、好ましくは６．５以上８以下であり、ＯＲＰが−３５０ｍＶ以下であり、メタン濃度が５０％以上、好ましくは５０％〜６０％であるという条件を満たす場合であってもよい。
【００５７】
図４に示すように、ＳＴＥＰ２とＳＴＥＰ３との境界では、温度が約４２℃であり、ｐＨが約７．４であり、ＯＲＰが約−４５０ｍＶであり、メタン濃度が約６０％であり、ほぼ上記条件を満たす。このように、発酵槽内のバイオマス原料のメタン生成菌の培養が安定すると、ＳＴＥＰ２からＳＴＥＰ３に切替える。このＳＴＥＰ２からＳＴＥＰ３に切替えるタイミングは、上述した、ＳＴＥＰ１からＳＴＥＰ２に切替えるタイミングと同じ条件である。
【００５８】
ＳＴＥＰ３は、複数種類のバイオマス原料を連続的に投入する工程である。次に、ＳＴＥＰ３について詳細に説明する。
【００５９】
＜複数種類のバイオマス原料を連続的に投入する工程（ＳＴＥＰ３）＞
図２，５，６を参照して、複数種類のバイオマス原料を連続的に投入する工程（ＳＴＥＰ３）について説明する。
【００６０】
ＳＴＥＰ３は、発酵槽内での第２混合原料のメタン生成菌の培養が安定した後に第２混合原料の投入を行う連続混合原料投入工程（Ｓ３０）である。図６に示すように、本実施の形態では、たとえば、計画原料が５種類ある場合、５種混合原料投入工程Ｓ２２ｃで投入した牛糞、豚糞、鶏糞、食品残渣とグリストラップ汚泥の５種の混合原料を発酵槽へ投入する。その後、発酵槽内の発酵液量が規定量に戻るまで発酵槽内の消化液（発酵液）を引き抜く。発酵槽内のバイオマス原料が多い場合は、発酵槽内の消化液を引き抜いた後に５種の混合原料を発酵槽へ投入する。発酵槽へ投入する牛糞と豚糞と鶏糞と食品残渣とグリストラップ汚泥の湿重量比はａ：ｂ：ｃ：ｄ：ｅであり、前工程（５種混合原料投入工程Ｓ２２ｃ）の湿重量比と同一である。また、これらの５種の混合原料を連続的に投入するタイミングは、たとえば数日毎であってもよいが、数時間毎であることが好ましい。
【００６１】
ＳＴＥＰ２のような段階的なステップを踏むことにより、それぞれのバイオマス原料に対応した分解菌がバランスよく生育するため、ＳＴＥＰ３において複数種類のバイオマス原料を混合して一括投入しても、安定したメタン発酵を行うことができる。また、ＳＴＥＰ３おけるバイオマス原料の乾物量比をＳＴＥＰ２におけるバイオマス原料の乾物量比と同一にすることで、それぞれのバイオマス原料に対応した分解菌のバランスを保つことができる。さらに、複数種類のバイオマス原料を用いてメタン発酵を行うことができるため、従来の単一のバイオマス原料を用いる場合と比較して、より多くのメタンガス量を見込むことができる。
【００６２】
なお、本実施の形態において、複数種類のバイオマス原料として、牛糞、豚糞、鶏糞などの家畜の排泄物、食品残渣、グリストラップ汚泥などの食品廃棄物を用いたが、その他の原料、たとえば藻、草本などの資源作物などを用いてもよい。
【００６３】
また、本実施の形態において、バイオマス原料を段階的に投入する工程（ＳＴＥＰ２）は、第１混合原料投入工程Ｓ２１と、第２混合原料投入工程Ｓ２２とを備えるとしたが、少なくとも第１混合原料投入工程Ｓ２１だけを備えていればよい。すなわち、投入するバイオマス原料が牛糞と鶏糞である場合、メタン発酵方法としては、牛糞と鶏糞を混合した第１混合原料を投入する工程だけを備えていればよく、本実施の形態のように計画原料が５種類用いられる必要はない。
【００６４】
また、発酵槽内に最終的に投入すべきすべての種類の原料が５種類以上である場合であっても、発酵槽内へ投入する原料の種類を順次増加していき、最終的に投入すべきすべての種類の原料を投入し、発酵槽内でのメタン生成菌の培養が安定した後に、最終的に投入すべきすべての種類の原料を発酵槽へ投入すればよい。
【００６５】
上述したＳＴＥＰ３により、複数種類のバイオマス原料を用いたメタン発酵の安定した稼働が可能である。しかし、メタン発酵は、微生物が行う反応であるため、内的要因、外的要因など様々な原因で発酵阻害が生じることがあり、結果としてバイオガス量が減少したり、メタン発酵が停止する場合がある。そのような場合に、以下の工程を行う。
【００６６】
＜リカバリ工程（ＳＴＥＰ４）＞
図８，９を参照して、リカバリ工程（ＳＴＥＰ４）について説明する。リカバリ工程（ＳＴＥＰ４）は、たとえば発酵阻害などメタン発酵が不調の場合に行って、バイオガス発生量を正常な状態に戻すための工程である。
【００６７】
図８は、リカバリ工程（ＳＴＥＰ４）に切替えるかどうかを決定するフローチャートである。図８に示すように、まず発酵槽内のメタン濃度を測定する（Ｓ３１）。発酵槽内のメタン濃度が５０％未満でない場合、すなわちメタン濃度が５０％以上である場合、引き続きＳＴＥＰ３の連続混合原料投入工程を行う（Ｓ３０）。具体的には、５種の混合原料を投入し、たとえば数時間から数日待機してメタン生成菌を培養した後、再度発酵槽内のメタン濃度を測定する（Ｓ３１）。この工程は、メタン発酵が正常に行われている場合の工程である。
【００６８】
これに対し、発酵槽内のメタン濃度が５０％未満の場合、モードをリカバリ工程に切替える（Ｓ３４）。メタン濃度が５０％未満であるということは、メタン発酵が効率よく行われていないということだからである。発酵槽内のメタン濃度を測定する際に、発酵槽のｐＨ、ＯＲＰおよびバイオガス量を測定することが好ましい。これらの数値の好適範囲は、発酵槽のｐＨが６．５〜８、ＯＲＰが−３５０ｍＶ以下である。バイオガス量は、投入するバイオガス原料によって決定される任意の値である。
【００６９】
図９は、リカバリ工程（ＳＴＥＰ４）を示すフローチャートである。図９に示すように、発酵槽内のアンモニア濃度および有機酸濃度を測定し（Ｓ４１）、アンモニア濃度および有機酸濃度の測定結果に応じて、発酵槽内の発酵液の希釈倍率を調整する。具体的には、発酵槽内のアンモニア濃度および有機酸濃度のうちの少なくともいずれか一方が所定の閾値を超えた場合、所望の希釈倍率になるように希釈倍率を算出し（Ｓ４３）、希釈液を発酵槽に投入して希釈する（Ｓ４４）。アンモニアおよび有機酸は、メタン生成菌の生育を阻害する物質であるため、所定の閾値を超えるとメタン生成菌の培養が阻害され、メタン発酵が正常に行われないからである。なお、希釈液を投入する前に、発酵槽内の消化液を引く抜くことが好ましい。
【００７０】
希釈液の希釈倍率は、発酵槽内のアンモニア濃度と、発酵槽内の有機物濃度とを考慮して決定される数値であり、かつ、希釈倍率は１０倍以下である。ここで、発酵槽内のアンモニア濃度（ＣＮＨ４＋）の閾値となる範囲は、４０００ｍｇ／ｌ未満である。発酵槽内の有機酸濃度（ＣＶＦＡ）の閾値となる範囲は、３０００ｍｇ／ｌ未満である。有機酸濃度は、発酵槽内の全有機炭素濃度（ＴＯＣ）としての有機物濃度（ＣＴＯＣ）から算出された潜在的な有機酸濃度（ＣＶＦＡ２）と、発酵槽内の有機酸濃度（ＣＶＦＡ１）とを合わせた数値ＣＶＦＡ１＋ＣＶＦＡ２である。なお、潜在的な有機酸濃度とは、発酵槽内の未消化の有機物から生成される可能性のある有機酸濃度である。希釈液の希釈倍率は、アンモニア濃度（ＣＮＨ４＋）が４０００ｍｇ／ｌ未満で、有機酸濃度（ＣＶＦＡ１＋ＣＶＦＡ２）が３０００ｍｇ／ｌ未満、かつ、希釈倍率が１０未満となるように決定する。発酵槽内のアンモニア濃度と、発酵槽内の有機物濃度を測定する際に、発酵槽内のメタン菌濃度を測定してもよい。メタン菌濃度が１０７ｃｅｌｌｓ／ｍｌ未満である場合、種汚泥およびメタン生成菌を含有する牛糞などのバイオマス原料を発酵槽に投入する。メタン菌濃度が１０７ｃｅｌｌｓ／ｍｌ未満でメタン濃度が低い（５０％未満）ということは、メタン生成菌が少なくてメタン発酵が低下しているということを意味するからである。
【００７１】
その後、メタン生成菌を生育させるために、たとえば数分から数時間待機し（Ｓ４５）、発酵槽のメタン濃度を測定する（Ｓ４６）。発酵槽内のメタン濃度を測定する際に、発酵槽のｐＨ、ＯＲＰおよびバイオガス量を測定することが好ましい。これらの数値の好適範囲は、発酵槽のｐＨが６．５〜８、ＯＲＰが−３５０ｍＶ以下である。バイオガス量は、投入するバイオガス原料によって決定される任意の値である。メタン濃度が５０％以上である場合（Ｓ４６）、ＳＴＥＰ３の通常のモードに切替える（Ｓ４７）。メタン濃度が５０％未満である場合、再度上述のステップＳ４２〜Ｓ４６を検討する。
【００７２】
従来、発酵槽のバイオガス量が減少したり発酵が停止した場合、オペレーターの経験に頼るか、メタン発酵の立ち上げ工程を一から行う必要があった。本実施の形態に係るリカバリ工程（ＳＴＥＰ４）により、メタン発酵が正常に行われない場合の管理項目と操作方法を明確にすることができるため、オペレーターの経験に頼らないメタン発酵のリカバリ手段を提供することができる。
【００７３】
なお、リカバリ工程は、メタン発酵の立ち上げ工程（ＳＴＥＰ１）を失敗した場合、つまり発酵槽内のメタン濃度が５０％以上にならなかった場合に行うことも可能である。
【００７４】
以上、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明したが、この発明は、図示した実施の形態のものに限定されない。図示した実施の形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明のメタン発酵方法は、バイオマス原料を用いてメタン発酵を行うメタン発酵方法において有効に活用される。
【図１】
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【図２】
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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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