(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１種以上の原料からのバイオガス生成を最適化するプロセスであって、該バイオガス生成は少なくとも第２反応器内で行われ、該プロセスは、
（ａ）揮発性固形分（VS）中の全元素状窒素（Ｎ）含量または前記１種以上の原料の炭素対窒素（C/N）モル比を決定し、
（ｂ）第２反応器の内容物の全元素状窒素含量もしくは全アンモニア性窒素含量またはC/Nモル比を決定し、
前記原料のC/Nモル比が15未満であるか、または該原料のVS中の全元素状窒素含量がVS 1 kg当たり40ｇを超える場合、該原料は窒素富化状態であり、
前記原料のC/Nモル比が15を超える場合、または該原料の揮発性固形分中の全元素状窒素含量がVS 1 kg当たり40ｇ未満である場合、該原料は炭素富化状態であり、
反応器内容物中のC/Nモル比が5.0〜12であるか、または反応器内容物中の全アンモニア性窒素量が0.1〜2.5 g/Lであるか、または反応器内容物中の全元素状窒素量が0.3〜2.8 g/Lである場合、第２反応器内の窒素状態は最適であり、
（ｃ）ステップ（ａ）またはステップ（ｂ）における窒素状態の決定により、前記原料が窒素富化と判定された場合、または第２反応器内でC/Nモル比が最適値を下回るか、または全アンモニア性もしくは元素状窒素が最適含量を上回ると判定された場合、第1反応器内の該窒素富化原料を少なくとも１種類のアンモニア生成微生物種で処理し、アンモニア発酵残渣を生成させ、アンモニア発酵残渣は第1反応器に由来する発酵残渣であって、該反応器内では、前記原料の全元素状窒素の50％以上がアンモニアに変換されるまで、該原料のアンモニア化が進行しており、
（ｄ）前記アンモニア発酵残渣を第1反応器から脱窒システムへ移送し、
（ｅ）前記脱窒システム中の前記アンモニア発酵残渣を処理してアンモニア低減化発酵残渣を生成させ、アンモニア低減化発酵残渣は、前記脱窒システムに通されることでアンモニア性窒素の少なくとも80％が除去されており、
（ｆ）前記アンモニア低減化発酵残渣を前記脱窒システムから第２反応器へ移送し、
（ｇ）ステップ（ａ）における窒素状態の決定で前記原料が炭素富化と判定された場合、該炭素富化原料を第２反応器へ直接移送し、
（ｈ）ステップ（ｂ）における窒素状態の決定により、第２反応器内でC/Nモル比が最適値を上回るか、または全アンモニア性もしくは元素状窒素が最適含量を下回ると判定された場合、該窒素富化原料を第２反応器へ直接移送することを含み、
該プロセスは更に、
（ｉ）第２反応器内で、少なくとも１種類のメタン生成微生物種を用いて前記移送された原料からバイオガスを発生させ、
（ｊ）脱窒後の前記アンモニア低減化発酵残渣の窒素状態を判定し、前記脱窒システムの効率と第２反応器へアンモニア低減化発酵残渣の流入とを調節することを含み、
該プロセスは、
窒素富化原料を処理してアンモニア発酵残渣を生成させる第１反応器と、
アンモニア発酵残渣からアンモニア低減化発酵残渣を生成させる脱窒システムと、
前記アンモニア低減化発酵残渣から、または前記炭素富化原料から、または前記窒素富化原料からバイオガスを生成させるための第２反応器と、
前記アンモニア発酵残渣を第１反応器から前記脱窒システムへ移送する手段と、
前記アンモニア低減化発酵残渣を前記脱窒システムから第２反応器へ移送する手段と、
原料またはアンモニア性窒素を第２反応器へ直接移送する手段とを含むシステムによって行われることを特徴とする１種以上の原料からのバイオガス生成を最適化するプロセス。
【請求項２】
請求項１に記載のプロセスにおいて、
第２反応器の内容物のC/Nモル比が最適範囲を超えているか、または第２反応器の内容物の全元素状もしくはアンモニア性窒素含量が最適範囲を下回っている場合、
（ｉ）第２反応器にアンモニア性窒素を添加するステップと、
（ｉｉ）第２反応器内で窒素富化原料と炭素富化原料とを共消化するステップと、
（ｉｉｉ）アンモニア化または脱窒を実行することなく窒素富化原料を第２反応器へ直接移送するステップと、
（ｉｖ）脱窒システムの効率を調節し、第２反応器へのアンモニア低減化発酵残渣の流入を調節することにより、前記アンモニア低減化発酵残渣中の全アンモニア性窒素濃度または全元素状窒素濃度を高めるステップのうちの１つ以上を実行することで、窒素を第２反応器へ供給することを特徴とするプロセス。
【請求項３】
請求項１または２に記載のプロセスにおいて、前記原料は、第1反応器内で該原料中の全元素状窒素の50％以上がアンモニアに変換されるまで処理することを特徴とするプロセス。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載のプロセスにおいて、前記少なくとも１種類のアンモニア生成微生物種は、CBS受託番号136063にて寄託されたアンモニア生成混合微生物群集S1であることを特徴とするプロセス。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載のプロセスにおいて、前記脱窒プロセスは、アンモニアをアンモニア水またはアンモニウム塩として回収することを含むことを特徴とするプロセス。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載のプロセスにおいて、該プロセスは更に、前記アンモニア発酵残渣を前記脱窒システムへ投入する前に、その中に含まれる固形分を減少させることを含むことを特徴とするプロセス。
【請求項７】
請求項６に記載のプロセスにおいて、該プロセスは更に、前記アンモニア発酵残渣から除去された前記固形分を第２反応器へ直接投入することを含むことを特徴とするプロセス。
【請求項８】
請求項６に記載のプロセスにおいて、該プロセスは更に、前記アンモニア発酵残渣から除去された前記固形分を、該固形分を第２反応器へ移送する前にリン回収プロセスへ投入することを含むことを特徴とするプロセス。
【請求項９】
請求項８に記載のプロセスにおいて、該プロセスは更に、リン酸溶液または塩沈殿物の形でリンを回収し、該リン酸溶液を前記脱窒システム内で吸収剤として用いることを含むことを特徴とするプロセス。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかに記載のプロセスにおいて、該プロセスは更に、第２反応器から得られた発酵残渣を、固形分含量を高めた固体画分と固形分含量を減じた液体画分とに分離し、該液体画分を第１または第２反応器に再循環させることを含むことを特徴とするプロセス。
【請求項１１】
請求項１に記載のプロセスにおいて、第1反応器内部および／または第２反応器内部温度は、中温性領域、すなわち30℃〜40℃の範囲にあることを特徴とするプロセス。
【請求項１２】
請求項１に記載のプロセスにおいて、第1反応器内部および／または第２反応器内部の温度は、好熱性領域、すなわち45℃〜60℃の範囲にあることを特徴とするプロセス。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれかに記載のプロセスにおいて、第1反応器内にて、
まず、VS 1 kg当たり60ｇ未満の単糖類、オリゴ糖類、デンプン類または発酵性食物繊維を含む窒素富化原料を第1反応器へ移送して予備アンモニア化を行い、
次に、VS 1 kg当たり60ｇ超の単糖類、オリゴ糖類、デンプン類または発酵性食物繊維を含む窒素富化原料を第1反応器へ移送して、前記予備アンモニア化された原料と共に連続アンモニア化を行うことで、アンモニア化を実行することを特徴とするプロセス。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれかに記載のプロセスにおいて、第1反応器内で生成したガスを第２反応器へ投入してバイオガス収量を増大させることを特徴とするプロセス。
【請求項１５】
アンモニア化を実行してアンモニア発酵残渣を生成させるための原料処理用第１反応器と、
前記アンモニア発酵残渣からアンモニア低減化発酵残渣を生成させる脱窒システムと、
前記アンモニア低減化発酵残渣から、または前記炭素富化原料から、または前記窒素富化原料からバイオガスを生成させるための第２反応器と、
第１反応器へ原料を移送する手段と、
前記アンモニア発酵残渣を第１反応器から前記脱窒システムへ移送する手段と、
前記アンモニア低減化発酵残渣を前記脱窒システムから第２反応器へ移送する手段と、
原料またはアンモニア性窒素を第２反応器へ直接移送する手段とを含み、
揮発性固形分中の全元素状窒素含量または原料中の炭素対窒素モル比を決定する第１測定システムと、
脱窒後の前記アンモニア低減化発酵残渣中の全アンモニア性窒素量、全元素状窒素量またはC/Nモル比を決定する第２測定システムと、
第２反応器の内容物中の全アンモニア性窒素量、全元素状窒素量またはC/Nモル比を決定する第３測定システムと、
窒素富化原料、炭素富化原料または揮発性固形分1 kg当たり60ｇ超の単糖類、オリゴ糖類、デンプン類または発酵性食物繊維を含む窒素富化原料の第１または第２反応器内における分布を調節し、第２反応器内の全アンモニア性窒素量、全元素状窒素量またはC/Nモル比を最適範囲内に保つ手段と、
第２および第３測定システムの測定データに基き、前記脱窒システムの効率および第２反応器への前記アンモニア低減化発酵残渣の流入を調節し、第２反応器内の全アンモニア性窒素量、全元素状窒素量またはC/Nモル比を最適範囲内に維持する手段とを用いて、プロセス途中の窒素状態を制御し、
前記原料のC/Nモル比が15未満であるか、または前記原料のVS中の全元素状窒素含量がVS 1 kg当たり40ｇを超える場合、前記原料は窒素富化状態であり、
前記原料のC/Nモル比が15を超える場合、または前記原料の揮発性固形分中の全元素状窒素含量がVS 1 kg当たり40ｇ未満である場合、前記原料は炭素富化状態であり、
C/Nモル比が5.0〜12であるか、または全アンモニア性窒素量が0.1〜2.5 g/Lであるか、または全元素状窒素量が0.3〜2.8 g/Lである場合、第２反応器内の窒素状態は最適であることを特徴とする原料からのバイオガス生産を最適化するシステム。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、二相嫌気性消化（AD）による材料、すなわちバイオマスまたは有機材料からのバイオガス生産を最適化するための統合プロセスに関する。本発明の統合プロセスはとくに、原料中の窒素状態（炭素対窒素モル比、すなわちC/Nモル比、または全窒素含量もしくはアンモニア性窒素含量)をプロセス中の様々な段階で決定する方法に関する。より具体的には、本発明はADプロセスを最適化し、プロセスに様々な種類の原材料を投入できるようにするための窒素状態の制御方法を提供する。本発明の方法では、ADの第１相で窒素の無機化を行うアンモニア生成微生物を採用し、バイオガスを生成するADの第２相を開始する前に窒素とリンの分離・回収ステップを採用する。更に、本発明の方法によれば、バイオガス化工程からの廃水をプロセス内で再利用することが容易となる。
【発明の背景】
【０００２】
バイオマスの嫌気性消化は、(1)加水分解、(2)酸生成、(3)酢酸生成および(4)メタン生成の４段階で進行する。加水分解段階では、有機高分子がオリゴマー、二量体、単量体等の低分子単位に分解される。出発物質に応じて、これら低分子単位は糖、アミノ酸または脂肪酸となる。続く酸生成段階では、これらの分子が短鎖カルボン酸、ケトン、アルコール、水素および二酸化炭素に転化される。酢酸生成段階では、短鎖カルボン酸およびアルコールが酢酸、水素、二酸化炭素に転化され、これらは続いてメタン生成段階でメタンに転化される。嫌気性消化の各段階は、それぞれ別個の群の微生物が担当している。これらの微生物群は共同して微生物コンソーシアを形成し、バイオマスを相乗的に消化することができる。このコンソーシアは、(a)加水分解微生物および酸生成微生物、(b)酢酸生成微生物、および(c)メタン生成微生物から構成される。嫌気性消化の結果生成するバイオガスはメタン（50〜75％）と二酸化炭素（25〜50％）との混合物であり、これに他の少量成分、例えば硫化水素、窒素、水素、水分、酸素、アンモニア、シロキサンが含まれる。
【０００３】
有機材料中の窒素はかなりの部分がアミノ酸中に存在し、このアミノ酸は原材料、すなわちバイオマスの有機物のタンパク画分を構成している。嫌気性消化の過程において、タンパク分解菌およびタンパク発酵菌は主としてクロストリジウム属に属する菌である(Ramsay & Pullammanappallil, 2001)。同出願人による米国特許公開第2014/0271438 A1号公報および同特許権者による米国特許第8,691,551号公報には、混合微生物群集S1（ブダペスト条約に基づきCBS受託番号136063にて寄託済み）が、嫌気的加水分解および酸生成を通じた様々な有機材料中の窒素含有化合物の分解において高い活性を示すことが報告されている。同時に、この微生物活性によって有機窒素が無機アンモニア／アンモニウムの形で放出され、これをアンモニア化または窒素の無機化と称する。
【０００４】
この他によく用いられる有機材料中の窒素源として、尿、尿酸、および動物尿や堆肥中に含まれるアンモニアがある。更に、廃水汚泥等の材料も核酸等の形で大量の窒素を含んでいる可能性がある。植物バイオマスやサイレージは、様々な窒素の存在形態の中でも硝酸塩が豊富である可能性がある。本発明のプロセスで用いられる原材料は、動物由来成分、魚由来成分、屠場廃棄物、一般廃棄物の有機画分、エネルギー作物、生ゴミ、下水汚泥、食品産業副産物、作物栽培副産物等であるが、これらに限られるものではない。
【０００５】
本明細書における「原料」または「原材料」とは、プロセス・プラントへ投入される原料を指す。窒素富化原材料、例えば有機廃棄物材料を原料とするバイオガス生成は、アンモニアの形態によるタンパク性窒素の放出を伴う。アンモニア濃度が高いと嫌気性消化に関与する微生物の活性が阻害され、これによって今度はカルボン酸、すなわち揮発性脂肪酸（VFA）が蓄積してしまう。アンモニア濃度がこのように高いと、メタン生成の最終段階のメタン生成反応を触媒するメチル補酵素Ｍ還元酵素の発現が低下することが近年の研究で示されている（Zhang et al. 2014）。すると、酢酸利用性メタン生成菌による酢酸の利用効率が低下してpHが低下し、VFAが蓄積する。このような条件変化が生ずると、Clostridium sporogenes MD1を用いる培養実験でも示されるようにタンパクの加水分解、酸生成およびアンモニア化が停止し、陰イオン性VFAの流入が細胞内グルタミン酸塩の流出を招く。このグルタミン酸塩は、アミノ酸代謝の脱アミノ反応やアミノ基転移反応においてアミノ基のユニバーサル・キャリアとして働く(Flythe & Russell 2006)。更に、高濃度アンモニアによる最終産物阻害は、アンモニアを産生する代謝プロセスを鈍化させると考えられている。したがって、過剰なアンモニアは多様なレベルで嫌気性消化に影響を与え、その効率のみならず、バイオガス生成も低下させる。
【０００６】
原料の炭素対窒素（C/N）モル比を調節すると、AD中のアンモニア負荷を減らすことができる。C/Nモル比とは窒素原子１個当たり炭素原子の存在数である。C/N比はまた、炭素と窒素の重量比として算出・表示することもできる。C/Nモル比はC/N重量比に1.17を乗じて算出することができる。つまり、C/Nモル比はC/N重量比よりも1.17倍大きい。この計算は、炭素と窒素とのモル質量の違いに基づいている。C/N比を計算するための炭素量または窒素量を示す他の方法としては、炭素量を示す化学的酸素要求量（COD）または全有機炭素（TOC）、および、窒素量を示すケルダール窒素（TKN）または全窒素（全元素状窒素、すなわち硝酸イオンNO3-、亜硝酸イオンNO2-、有機窒素およびアンモニア性窒素の合計で、測定方法に依る）がある。
【０００７】
バイオガス生成では、高C/N比、すなわち窒素不足であると微生物バイオマスの減少により炭素の利用効率が低下し、一方、低C/N比、すなわち窒素過剰であるとメタン生成のアンモニア阻害が生ずる。最適C/N比は窒素に富む原料と窒素の少ない原料とを共消化することで達成し得る。しかし、例えば窒素に富む屠場副産物をバイオガス化する場合、炭素富化原料を共消化することによりCODを上昇させても、窒素富化原料からのメタン生成は促進されなかった（Resch et al. 2011）。窒素富化原材料の二相ADと並行してストリッピングによる窒素回収を行うことで、バイオガス化中のアンモニア濃度を低下させる方法が提案されている（米国特許第6,716,351 B2号）。しかし、この'351特許のプロセスは窒素富化原材料に特化したものである。
【０００８】
それぞれ独立の酸生成相とメタン生成相を設けた二相ADも特許文献に記載されている。例えば、米国特許第4,022,665号には、バイオガス化廃水を第１相に戻して再利用する二相システムが開示され、ここでは加水分解／酸生成はオプションとされている。米国特許第7,309,435 B2号、欧州特許第1,181,252 B1号、および欧州特許第2,220,004 B1号には、酸化還元電位、VFA濃度またはpHを独立に調節することによりプロセス効率を高める二相システムが記載されている。米国特許第8,642,304 B2号には、２基のメタン生成反応器の間でVFA濃度を調節することで消化を改善する二相システムが開示されている。しかし、どの文献も加水分解と酸生成を担う微生物集団について明示も言及もしておらず、栄養素の回収についても述べておらず、原料組成または共消化または単独消化の可能性についても考慮しておらず、またはバイオガス生成を促進する方法として窒素状態制御を採用していない。
【０００９】
ストリッピング以外のアンモニア除去方法もADに用いられている。欧州特許公開第2,039,775 A2号公報には、単一または混合菌種を用いるアンモニア発酵と並行して、発酵材料の攪拌による気体状アンモニアの除去を行う二相システムが開示されている。アンモニアは大気中に放出されるか、または水素生産用にその状態のままで回収されるが、肥料用途に適する形態では回収されない。また、ここで採用されているpH 8〜8.5の弱アルカリ条件および55〜65℃の温度条件は、アンモニアの気化に適していない。欧州特許公開第2,614,890 A1号公報には、イオン交換でアンモニアを除去する単一相プロセスが記載されている。この方法ではイオン交換樹脂の再生に化学薬品が必要であり、また、樹脂に接触させる前の発酵残渣から固形分を丁寧に取り除く必要がある。
【００１０】
国際特許公開第2013038216 A1号公報には、高タンパク基質のADに或る特徴的な微生物集団を用いる単一相プロセスが開示されている。但し、この微生物集団はS1とは大きく異なり、菌の50％までがシュードモナス目であり、また、S1には含まれていないメタン生成古細菌である。
【００１１】
欧州特許公開第2,578,558 A1号公報には、生成したバイオガスを再利用することでストリッピングを行い、ADから窒素を回収する方法が開示されている。無機アンモニウム塩肥料と混合有機肥料とが最終的に得られる。但し、ストリッピングのpHが低いので、アンモニアのストリッピングが非効率的であり、ADのアンモニア阻害が生じてしまう。
【００１２】
米国特許第8,613,894 B2号には、異なる加熱システムおよび曝気システムを用いて嫌気性消化槽の廃水から栄養素を回収する方法およびシステムが記載されている。このプロセスでは、二酸化炭素、メタン、アンモニア等の溶存ガスがAD後に、昇温と12〜36時間の曝気により除去される。但し、この方法は時間がかかり、アンモニアも或る程度までしか除去できない。
【００１３】
欧州特許第 0,970,922 B1号には、液体成分と固体成分との膜分離を利用して、バイオガス反応器からアンモニア等の阻害物質を除去する方法が開示されている。この方法の下流側ではVFAもアンモニアと共に反応器外へ洗い出されてしまい、バイオガス収量が低下する。
【００１４】
欧州特許第 1,320,388 B1号には、固液分離とアンモニア・ストリッピングにより単一相または二相ADから栄養素を回収するプロセスが開示されている。このプロセス内では廃水も再循環される。このプロセスでは、有機窒素を無機窒素に転換する微生物集団のキャラクタリゼーションを行っておらず、またADの最適条件を実現するための窒素状態、すなわちC/N比の調節も行っていない。
【発明の概要】
【００１５】
当該技術分野では上述の諸問題を包括的に解決するプロセスが長年望まれてきた。概略的には、本発明のプロセスは、原料中と反応器内容物中の窒素含量を最適範囲に収め得るか否かに応じて、原料の発酵を第１反応器（アンモニア化用）と第２反応器（バイオガス生成用）のいずれか、あるいは第２反応器のみで行う。本発明のプロセスによれば、原料界面における融通性が増し、長い順化期間を必要とせずに１種または複数種の原材料を処理することができる。
【００１６】
そこで、一態様において、本発明は１種以上の原材料からのバイオガス生成を最適化するプロセスを提供するものであり、このバイオガス生成は少なくとも第２反応器内で行われ、本プロセスは、
(a) 揮発性固形分（VS）中の全元素状窒素（Ｎ）含量または１種以上の原材料の炭素対窒素（C/N）モル比を決定し、
(b) 第２反応器の内容物の全元素状窒素含量もしくは全アンモニア性窒素含量またはC/Nモル比を決定し、
原材料のC/Nモル比が15未満であるか、または原材料のVS中の全元素状窒素含量がVS 1 kg当たり40ｇを超える場合、原材料は窒素富化状態であり、
原材料のC/Nモル比が15を超える場合、または原材料の揮発性固形分中の全元素状窒素含量がVS 1 kg当たり40ｇ未満である場合、原材料は炭素富化状態であり、
反応器内容物中のC/Nモル比が5.0〜12であるか、または反応器内容物中の全アンモニア性窒素量が0.1〜2.5 g/Lであるか、または反応器内容物中の全元素状窒素量が0.3〜2.8 g/Lである場合、第２反応器内の窒素状態は最適であり、
(c) ステップ(a)またはステップ(b)における窒素状態判定により、原料が窒素富化と判定された場合、または第２反応器内でC/Nモル比が最適値を下回るか、または全アンモニア性または元素状窒素が最適含量を上回ると判定された場合、第1反応器内の窒素富化原料を少なくとも１種類のアンモニア生成微生物種で処理し、アンモニア発酵残渣を生成させ、
アンモニア発酵残渣は第1反応器に由来する発酵残渣であって、反応器内では、原料の全元素状窒素の好ましくは50％以上がアンモニアに変換されるまで、原料のアンモニア化が進行しており、
(d) アンモニア発酵残渣を第1反応器から脱窒システムへ移送し、
(e) 脱窒システム中のアンモニア発酵残渣を処理してアンモニア低減化発酵残渣を生成させ、
アンモニア低減化発酵残渣は、脱窒システムに通されることでアンモニア性窒素の少なくとも80％が除去されており、
(f) アンモニア低減化発酵残渣を脱窒システムから第２反応器へ移送し、
(g) ステップ(a)における窒素状態判定で原料が炭素富化と判定された場合、炭素富化原料を第２反応器へ直接移送し、
(h) ステップ(b)における窒素状態判定により、第２反応器内でC/Nモル比が最適値を上回るか、または全アンモニア性または元素状窒素が最適含量を下回ると判定された場合、窒素富化原料を第２反応器へ直接移送することを含み、
本プロセスは更に、
(i) 第２反応器内で、少なくとも１種類のメタン生成微生物種を用いて上記移送された原料からバイオガスを発生させ、
(j) 脱窒後のアンモニア低減化発酵残渣の窒素状態を判定し、脱窒システムの効率と第２反応器へアンモニア低減化発酵残渣の流入とを調節することを含む。
【００１７】
少なくとも１種類のアンモニア生成微生物種は、或る実施態様において、混合微生物群集または微生物集団である。少なくとも１種類のメタン生成微生物種は、或る実施態様において、微生物集団である。本発明のプロセスの或る側面において、アンモニア生成混合微生物群集はS1、すなわちCBS受託番号136063にて寄託された菌群集である。
【００１８】
更に、第２反応器の内容物のC/Nモル比が最適範囲を超えているか、または第２反応器の内容物の全元素状またはアンモニア性窒素含量が最適範囲を下回っている場合、
(i) 第２反応器にアンモニア性窒素を添加するステップと、
(ii) 第２反応器内で窒素富化原料と炭素富化原料とを共消化するステップと、
(iii) アンモニア化または脱窒を実行することなく窒素富化原料を第２反応器へ直接移送するステップと、
(iv) 脱窒システムの効率を調節し、第２反応器へのアンモニア低減化発酵残渣の流入を調節することにより、アンモニア低減化発酵残渣中の全アンモニア性窒素濃度または全元素状窒素濃度を高めるステップのうちの１つ以上を実行することで、窒素を第２反応器へ供給する。
【００１９】
本発明のプロセスは必要に応じ、アンモニア発酵残渣を脱窒システムへ投入する前に、その中に含まれる固形分を減少させるステップを含む。このアンモニア発酵残渣から除去された固形分は、必要に応じ第２反応器へ直接投入されるか、または第２反応器へ移送する前にリン回収プロセスへ移送される。
【００２０】
本発明のプロセスはまた必要に応じ、第２反応器から得られた発酵残渣を、固形分含量を高めた固体画分と固形分含量を減じた液体画分とに分離し、この液体画分を第１または第２反応器に再循環させることを含む。
【００２１】
本発明のプロセスは、第1反応器内と第２反応器内、あるいは第２反応器内において、使用する基質と微生物に適した温度範囲で行われる。したがって、第１反応器および／または第２反応器において、温度は30℃〜40℃の中温性領域、または45℃〜60°の好熱性領域にある。
【００２２】
アンモニア性窒素が第１反応器で行われるプロセスから発生する場合、アンモニアはアンモニア水またはアンモニウム塩として回収されることが好ましい。
【００２３】
リンの回収が本発明のプロセスの一部として行われる場合、リンはリン酸溶液または塩沈殿物の形で回収されることが好ましい。必要に応じ、リン酸溶液を脱窒プロセスの吸収剤として用いてもよい。
【００２４】
好ましい一態様において、アンモニア化は第１反応器内で下記のようにして行われる。先ず、VS 1 kg当たり60ｇ未満の単糖類、オリゴ糖類、デンプン類または発酵性食物繊維を含む窒素富化原料を第１反応器へ移送して予備アンモニア化を行い、
次に、VS 1 kg当たり60ｇ超の単糖類、オリゴ糖類、デンプン類または発酵性食物繊維を含む窒素富化原料を第１反応器へ移送し、予備アンモニア化された原料と共に連続アンモニア化を行う。
【００２５】
必要に応じ、第１反応器で生成したガスを第２反応器へ投入してバイオガス収量を増大させてもよい。
【００２６】
第２の態様において、本発明は、原料からのバイオガス生産を最適化するシステムを提供するものであり、本システムは、
アンモニア化を実行してアンモニア発酵残渣を生成させるための原料処理用第１反応器と、
アンモニア発酵残渣からアンモニア低減化発酵残渣を生成させる脱窒システムと、
アンモニア低減化発酵残渣からバイオガスを生成させるための第２反応器と、
第１反応器へ様々なタイプの原料を個別に移送する手段と、
アンモニア発酵残渣を第１反応器から脱窒システムへ移送する手段と、
アンモニア低減化発酵残渣を脱窒システムから第２反応器へ移送する手段と、
原料またはアンモニア性窒素を第２反応器へ直接移送する手段とを備える。
【００２７】
本発明のシステムにおいて、上記プロセス途中の窒素状態は、
揮発性固形分中の全元素状窒素含量または原料中の炭素対窒素モル比を決定する第１測定システムと、
脱窒後のアンモニア低減化発酵残渣中の全アンモニア性窒素量、全元素状窒素量またはC/Nモル比を決定する第２測定システムと、
第２反応器の内容物中の全アンモニア性窒素量、全元素状窒素量またはC/Nモル比を決定する第３測定システムと、
窒素富化原料、炭素富化原料または揮発性固形分1 kg当たり60ｇ超の単糖類、オリゴ糖類、デンプン類または発酵性食物繊維を含む窒素富化原料の第１または第２反応器内における分布を調節し、第２反応器内の全アンモニア性窒素量、全元素状窒素量またはC/Nモル比を最適範囲内に保つ手段と、
第２および第３測定システムの測定データに基づき、脱窒システムの効率および第２反応器へのアンモニア低減化発酵残渣の流入を調節し、第２反応器内の全アンモニア性窒素量、全元素状窒素量またはC/Nモル比を最適範囲内に維持する手段とを用いて制御される。
原材料のC/Nモル比が15未満であるか、または原材料のVS中の全元素状窒素含量がVS 1 kg当たり40ｇを超える場合、原材料は窒素富化状態であり、
原材料のC/Nモル比が15を超える場合、または原材料の揮発性固形分中の全元素状窒素含量がVS 1 kg当たり40ｇ未満である場合、原材料は炭素富化状態であり、
C/Nモル比が5.0〜12であるか、または全アンモニア性窒素量が0.1〜2.5 g/Lであるか、または全元素状窒素量が0.3〜2.8 g/Lである場合、第２反応器内の窒素状態は最適である。
【００２８】
脱窒システムは、例えば、アンモニア化の進行中に生成するアンモニアまたはアンモニウム塩をエアストリッピングする装置を含む。原料を第１反応器へ移送する手段、アンモニア発酵残渣を第１反応器から脱窒システムへ移送する手段、アンモニア低減化発酵残渣を脱窒システムから第２反応器へ移送する手段、および原料またはアンモニア性窒素を第２反応器へ直接移送する手段は、流体を移送するための適当なポンプ、導管、パイプ、樋、容器等、および／または固体もしくは半固体材料を移送するためのコンベヤを含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のシステムを稼働させる設備内における原料の流れを説明する模式図である。
【図２】種々の脱窒方法を適用したバイオガス化反応器モデルのアンモニア／アンモニウム塩濃度の計算結果を示すグラフである。
【図３】本発明のプロセスとシステムを示す模式図である。
【図４】実施例２の計算モデルの動作を示す流れ図である。
【詳細な説明】
【００３０】
本発明は、原材料、すなわち有機原材料からのバイオガス生成を最適化できる改良型の二相プロセスを提供するものである。
【００３１】
ここで提供されるのは、有機材料の嫌気性消化を行う二相システムである。その第１相は、アンモニア生成微生物集団を含む第１容器内で進行する嫌気性消化の加水分解段階および酸生成段階を含む。この相では、原料中に含まれる有機窒素の大部分はアンモニアとして放出される。アンモニア化に続いて脱窒ステップが行われる。脱窒はいかなる公知の方法であってもよい。脱窒後、材料は嫌気性消化の第２相においてバイオガス原料として用いられる。この原料のメタン生成能を維持するためには、第１相における炭素のロスを出来るだけ低く抑えることが重要である。したがって、このアンモニア化相は、炭素の二酸化炭素の形態による大気放散を最小限に抑えるため、嫌気的に行われる。更に、脱窒プロセスでは、アンモニア化で生成したVFAを消費したり揮発させたりしてはならない。バイオガス化の最適条件を達成し易くするため、脱窒後のpHは中性付近とし、アンモニア濃度は十分に低くする。システム中の原料の流れは、プロセスの各段階における窒素状態のモニタと制御を通じて調節する。
【００３２】
本システムには、ADの生産性と採算性を向上させるための要素が幾つかある。すなわち、(1)原料の許容幅が広い、(2)C/N比、および全元素状窒素またはアンモニア性窒素濃度を一定に維持することで安定的なメタン生成を実現、(3)原材料を切り替えた際にも順化期間が短くて済む、(4)プロセス水を再循環させることで廃水処理のコストを低減、(5)堆肥成分または堆肥製品は販売可能である。
【００３３】
本発明の利点をより明確に理解するため、各用語を以下のように定義する。以下に挙げる各用語は、とくに断らない限り字義通りに使用し解釈されるものとする。他の用語については本明細書中を通じて随時定義する。
【００３４】
単数形で記載した用語は、とくに断らない限り複数形、現在時制、過去時制をも包含するものとする。
【００３５】
「窒素系（を含む）」の形容詞は、元素としての窒素を含む意味に用いる。
【００３６】
「炭素系（を含む）」の形容詞は、元素としての炭素を含む意味に用いる。
【００３７】
本明細書で用いる「原料」および「バイオマス」なる語は、例えば、タンパク質、核酸、尿、尿酸等、窒素系化合物を様々な比率で含む有機材料、および／または、例えば脂肪、セルロース、デンプン類、糖、脂質等の非窒素系炭素系化合物を指す。本発明のプロセスの原料には、動物副産物、魚副産物、屠場廃棄物、一般廃棄物の有機画分、エネルギー作物、生ゴミ、下水汚泥、食品産業副産物、作物栽培副産物等の各産業廃棄物が含まれる。
【００３８】
本明細書で用いる「全固形分（TS）」なる語は、或る材料の固形分の尺度であり、可溶性固体と不溶性固体（但し、乾燥工程中に蒸発してしまうアルコール類のような易揮発性化合物は除く）の両方を含む。TSは材料サンプルを103〜105℃で20〜22時間、または重量一定となるまで乾燥させた後に残存する部分である。
【００３９】
本明細書で用いる「揮発性固形分（VS）」なる語は、或る材料中の有機物量のひとつの尺度である。VSの定量は、或る材料サンプルに対してTSの定量を行った後に行われるので、サンプルは燃焼前に既に乾燥した状態にある。VSは550℃で1〜2時間、または重量一定となるまでの燃焼中に蒸発（すなわち、重量減少）する部分である。
【００４０】
「発酵」または「発酵性」なる語は、有機分子が電子供与体にも受容体にもなる嫌気的な微生物代謝プロセスを表す。これは、呼吸とは意味が異なる。呼吸には、栄養素の分子に由来する電子が酸素に供与される場合（好気的呼吸）と、硝酸塩、硫酸塩、二酸化炭素、第２鉄イオン等の他の分子／イオンに供給される場合（嫌気的呼吸）とがある。一方、発酵では、栄養素の分子は還元され、揮発性の脂肪酸やアルコール等の低分子有機化合物となる。
【００４１】
本明細書で用いる「反応器」、「バイオリアクタ」、「消化槽」なる語は、本発明にかかる嫌気性消化、発酵、バイオガス化、加水分解、酸生成またはアンモニア化に用いられる容器を指し、とくに断らない限り、これらの語は相互交換的に用いられる。
【００４２】
本明細書で用いる「バイオガス化」または「バイオガス生成」は、メタン、二酸化炭素およびその他の少量成分の混合物（バイオガス）を有用な最終生産物として主に産出する、微生物による嫌気性消化プロセスを指す。嫌気性消化には、加水分解、酸生成、酢酸生成およびメタン生成の４段階があり、これにより、有機材料に含まれる巨大分子がモノマーに分解され、更に可溶性の有機または無機低分子化合物や、バイオガスの気体成分へと分解される。
【００４３】
本明細書で用いる「廃水」なる語は、バイオガス化反応器から出る発酵残渣の液体相を指す。この液体は、浮選、凝集、沈殿、濾過、分級等の方法、およびデカンタ式遠心分離機、スクリュープレス、ローラプレス、ベルトプレス等の装置を用いて、固相から分離される。
【００４４】
本明細書で用いる「希釈水」なる語は、反応器または消化槽の内容物を希釈してTS、VS、TAN等の目標の内容物の含量を所望の値に調節するために、反応器または消化槽へ単独で、または廃水と共に供給される水を指す。
【００４５】
本明細書で用いる「アンモニア化」なる語は、有機分子中に含まれる窒素を無機窒素、アンモニウム塩／アンモニアに転換する微生物代謝プロセスを指す。本発明のプロセスでは、アンモニア化は本システムの第１反応器内でアンモニア生成微生物の存在下、加水分解と酸生成と同時に進行する。ここで、アンモニア生成微生物は単一種または微生物株であり、あるいは混合微生物群集または微生物集団である。
【００４６】
本明細書で用いる「アンモニア生成微生物種」なる語は、発酵中にアンモニアまたはアンモニウム塩を生成させる上で有効な微生物の種または株を指す。加水分解および酸産生を行う群落にはバクテロイデス属、クロストリジウム属、ビフィドバクテリウム属、連鎖球菌属およびエンテロバクター等の細菌属が含まれ、この中の一部はCBS受託番号136063にて寄託されたアンモニア生成混合微生物群集S1に含まれている。また、ハイパーアンモニア生成菌であるPeptostreptococcus anaerobius C、Clostridium sticklandii SRおよび Clostridium aminophilum FTのように、単一の菌株で加水分解、酸生成およびアンモニア化の各段階を行える菌も存在するが、これら自身は微生物コンソーシアの活性に適合しない場合が多い。また、原材料そのものに含まれる微生物からアンモニア生成群落が生育する可能性もあるが、例えば米国特許公開第20140271438号公報に記載されるように、窒素含有生体分子の分解とアンモニア化に特化した微生物群落を接種することにより、プロセス効率が概して増強ないし安定化される。
【００４７】
米国特許公開第20140271438号公報に記載されたS1混合微生物群集は16Sピロシーケンス法とデータ解析を特徴とし、微生物の98.7％がクロストリジア目に属している（表１）。Sporanaerobacter acetigenes が混合微生物群集全体の75.9％を占めている。S1中に存在するクロストリジア目の他の一般菌種は、クロストリジウム（全体の15.5％）、CaloramatorおよびTissierella、およびMahella australiensisである。S1の残り1.3％は他の目に属する菌で占められている。S1は様々な有機材料中に存在する窒素の60〜80％を24〜72時間以内にアンモニアとして放出することができる。S1は高アンモニア濃度下でも生存でき、16 g NH4+ - N L-1以下の濃度下で活性を示す。
【００４８】
米国特許公開第20140271438号公報には別のアンモニア生成混合微生物群集も記載され、最も顕著なものはC1と呼ばれる混合微生物群集である。これら混合群集C1およびS1のDNAについて、菌群落解析を行った。DNAは、細胞をビーズ破砕した菌培養物からフェノール／クロロホルム／イソアミルアルコールで抽出して得た。C1群集は、Findest Protein Oy社（フィンランド）製造の非殺菌肉骨粉（MBM）を水1Ｌに対して180ｇの割合で冷水道水と混合して調製した。S1群集は、SARIA Bio-Industries AG & Co. KG社（ドイツ）製造のMBMを水1Ｌに対して180ｇの割合で冷水道水と混合して調製した。MBMの培養は、曝気せず50℃で、NH3濃度が横ばいになり、定常的な生育相が達成されるまで行った。
【００４９】
DNA抽出に先立ち、滅菌MBM培地［水1Ｌ当たりMBM 180ｇ］に対しS1またはC1を5％（v/v）接種し、群集を50℃で4日間培養した。タグエンコードFLXアンプリコンピロシーケンス法（bTEFAP）と細菌多様性データ解析による菌の16S遺伝子解析は、Dowd et al. 2008の方法およびWolcott et al. 2009の方法に従い、Research and Testing Lab（米国テキサス州ラボック）が行った。プライマー28F‘GAGTTTGATCNTGGCTCAG’(SEQ ID NO: 1)および519R‘GTNTTACNGCGGCKGCTG’(SEQ ID NO: 2)を16S可変領域V1-3の増幅に使用した（ここで「Ｎ」はＡ、T/U、ＧまたはＣであり、「Ｋ」はT/UまたはＧである）。
【００５０】
細菌多様性データ解析により、異なる15種に属する菌の存在が明らかとなった（表１）。全23種類中、16種類が種のレベル、7種類が属のレベルで同定された。両群集において、Clostridium spp.とSporanaerobacter acetigenesとが優勢であった。
【００５１】
S1と他の微生物集団との類似度を調べるため、表１に示したデータから式［１］を用いて相関係数を計算した。式中、ＸとＹはそれぞれC1とS1を表すマトリクスであり、これら両者間で類似度を計算する。ｘとｙは或るマトリクス内の個々の値であり、
【数１】
0006608842.tif 000002
は或るマトリクス内のすべての値の平均値である。集団内に存在しない種（表１の空欄）には値０を割り当てた。
【数２】
0006608842.tif 000003
【００５２】
本明細書中で菌群集または微生物群集に対して用いる「実質的に類似する」なる語は、或る菌群集または微生物群集を表１に定める菌群集の１種以上と比較した場合に、相関係数が最低でも0.8であることを意味する。実質的に類似する菌群集または微生物群集は相関係数が最低でも0.9であることが好ましい。また、表１に定める菌群集の１種以上と比較した場合に、実質的に類似する菌群集または微生物群集は相関係数が最低でも0.95であることがより好ましい。群集C1とS1との相関係数は0.9964であった。
【００５３】
【表１】
0006608842.tif 000004
【００５４】
このように、異なる混合菌群集または微生物群集間の類似度は、16S DNA解析の結果を用いて式１で相関係数を算出することにより求めることができる。
【００５５】
本明細書中で用いる「アンモニア化された」なる語は、或る材料がアンモニア化処理されたことを意味する。
【００５６】
本明細書中で用いる「予備アンモニア化」なる語は、窒素富化原料のアンモニア化を含むプロセスを指し、このプロセスは、窒素に富み且つ単糖類、オリゴ糖類、デンプン類、またはベータグルカン、フルクタン、ペクチン、ガラクタン等の発酵性食物繊維等の発酵性炭素系材料を豊富に含む混合原料に添加される前に行われる。本発明のプロセスでは、予備アンモニア化を要する材料は、VS 1 kg当たり最大60ｇまでの単糖類、オリゴ糖類、デンプン類または発酵性食物繊維を含む材料とする。窒素富化原料の予備アンモニア化を行うと、培地の酸性化が防止され、窒素含量と炭素含量が共に多い発酵性炭素系化合物のアンモニア化を促進することができる。
【００５７】
本明細書中で用いる「アンモニア発酵残渣」なる語は、原料中の好ましくは50％を超える全元素状窒素がアンモニアに転化されるまで原料を処理したアンモニア化消化槽または反応器から発生する発酵残渣を指す。
【００５８】
本明細書中で用いる「アンモニア低減化発酵残渣」なる語は、脱窒を経てアンモニア性窒素の少なくとも80％が除去されたアンモニア発酵残渣を指す。
【００５９】
本明細書中で用いる「中温性」なる語は、中温域で生育および発酵作用を示す微生物、および、中温域すなわち30〜40℃で進行する微生物プロセスを指す。中温性アンモニア化およびメタン生成はこの温度域で行われる。
【００６０】
本明細書中で用いる「好熱性」なる語は、好熱域で生育および発酵作用を示す微生物、および、好熱性温度領域すなわち45〜60℃で進行する微生物プロセスを指す。好熱性アンモニア化およびメタン生成はこの温度域で行われる。
【００６１】
本明細書中で用いる「メタン生成微生物」または「メタン生成菌」は、メタンを含有するバイオガスの生成能を有する微生物を指す。メタン生成菌は、古細菌ドメインユリ古細菌門に属し、メタノコッカス目、メタノピュルス目、メタノバクテリウム目、メタノサルシナ目、メタノミクロビウム目、およびメタノケッラ目の６つの目に属する。メタン生成には、水素化型、酢酸利用型、メチルトローフ型、H2依存メチルトローフ型の異なる４系統がある。メタノサルシナ目の菌は様々なメタン生成経路をとり得るが、残り５目の菌は主として水素化型のメタン生成を行う。メタン生成消化槽内のメタン生成菌の組成は多岐にわたり、酢酸利用型のメタン生成菌が優勢な消化槽もあれば、水素化型のメタン生成菌が優勢な消化槽もある。温度、原料、アンモニウム塩や酢酸塩の濃度等の条件も、メタン生成集団の組成に影響を及ぼす。メタン生成菌Methanoculleus sp.、Methanobrevibacter sp.、Methanobacterium sp.およびMethanosaeta sp.の各属については相当量が中温性、好熱性のいずれの消化槽にも含まれることが確認されているが、Methanothermobacter sp.は好熱性消化槽にのみ確認されている(Sundberg et al. 2013)。メタン生成群落は消化槽内の条件に順応するが、変化が速すぎるとメタン生成の完全阻害が生ずる。一つのメタン生成群落は一つの相互作用的な微生物種による複雑なネットワークから成り立っているので、未発酵原料から出発した場合、嫌気的条件下で数週間から数ヶ月掛けてゆっくりと進化する。したがって、活性のあるメタン生成群落を得るには、稼働中のメタン生成消化槽からの接種を行うのが最も簡単である。
【００６２】
本明細書中で用いる「窒素富化」または「窒素富化原料」なる語は、C/Nモル比が15未満、または揮発性固形分（VS）中の全元素状窒素含量がVS 1 kg当たり40ｇを超える原料を指す。
【００６３】
本明細書中で用いる「炭素富化状態」または「炭素富化原料」なる語は、C/Nモル比が15を超えるか、または、揮発性固形分（VS）中の全元素状窒素含量がVS 1 kg当たり40ｇ未満である原料を指す。
【００６４】
本明細書中で用いる「全元素状窒素」および「全アンモニア性窒素（TAN）」なる語は、プロセス途中の原料中の窒素含量ならびに窒素状態を評価するそれぞれ別の尺度を指す。これらの尺度はそれぞれ、すべての存在形態の窒素系化合物中の元素状窒素の量、ならびにアンモニアおよび／またはアンモニウム塩の形で存在する窒素の量を表すものである。
【００６５】
本明細書中で用いる「窒素状態」なる語は、本発明のプロセスに供給される原料における、ならびに／または本プロセスで用いられる容器もしくは消化槽もしくは反応器の内容物におけるC/Nモル比の全元素状窒素もしくはアンモニア性窒素含量を指す。窒素状態は、C/Nモル比、および／または全元素状窒素もしくはアンモニア性窒素含量を本発明で規定する最適範囲内に保ちながらプロセスを行うことで、制御することができる。
【００６６】
「効率を制御する手段」なる語は、一般的にプロセスパラメータを調節する装置を指す。脱窒に用いられるエアストリッパの場合、pH、温度、時間等の運転条件を調節することで効率を制御できる。エアストリッパ内のpHと温度は、プローブコントローラ、更にはコンピュータソフトウェアに接続されたインラインセンサを用いて検出できる。プロセス装置の制御は、例えばプログラマブル・ロジックコントローラ（PLC）、プログラマブル・オートメーションコントローラ（PAC）、遠隔端末装置（RTU）、および／またはパソコンベースの制御システムを用いて行うことができる。
【００６７】
プロセス全体に材料を供給する手段には、パイプ、導管、ポンプ、コンベヤ等が含まれる。固体材料の移送手段は、例えばチェーンコンベヤやスクリューコンベヤ等である。配管は例えばEN1.4301/AISI 304ステンレス鋼製である。ポンプは例えば回転ローブポンプである。重力を利用した材料移動も想定される一つの方法である。
【００６８】
本発明のプロセスによれば、広くは、揮発性固形分の全元素状窒素含量または第１反応器へ供給される原料のC/Nモル比を決定し、第２反応器へ供給されるアンモニア低減化発酵残渣中の全アンモニア性窒素量または全元素状窒素量またはC/Nモル比を決定し、第２反応器の内容物の全元素状窒素含量または全アンモニア性窒素量またはC/Nモル比を決定する測定システムを提供する。
【００６９】
全元素状窒素またはC/Nモル比は、全元素状窒素および／または炭素の測定用に設計されたセンサまたは検出器を用いて決定される。全元素状窒素を定量するこれらセンサまたは検出器には、乾式燃焼（デュマ）法と湿式酸化（ケルダール）法によるものがある。炭素測定に用いられるセンサまたは検出器には、乾式燃焼法によるものと、化学的酸素要求量（COD）法または全有機炭素（TOC）法によるものがある。C/Nモル比は、検出された窒素のモル数と炭素のモル数から算出できる。アンモニア性窒素はセンサまたは検出器を用いて決定され、これらは蛍光分析や分光分析を利用した酵素アッセイ、アンモニア選択電極、およびネスラー法やベルテロー法に基づく迅速な呈色反応を利用して行うことができる。本発明のプロセスをモニタし制御するその他のセンサまたは検出器としては、pHレベル、糖、デンプン、脂肪等の栄養素の濃度を検出するものも想定される。とくに、アンモニアセンサと全元素状窒素センサが想定される。タンパクを含む原料中のタンパク含量は通常、窒素含量に基づいて例えば上述した方法により定量される。
【００７０】
pHは例えば、pH電極を用いる電気化学的な手法で、またはpH指示薬を用いる比色分析の手法で決定される。
【００７１】
炭素含有材料は公知の方法で測定できる。例えば、糖類は比色分析またはクロマトグラフィで定量できる。デンプンは、例えばデンプンとヨウ素との反応に基づく比色分析、または酵素比色分析で定量することでき、後者の方法ではデンプンをグルコースに分解してこれを比色分析で定量する。脂肪は、例えばガスクロマトグラフィ、溶媒抽出／重量測定法または複合化抽出検出法で定量することができる。ここで、抽出法には超臨界流体抽出等が含まれ、検出方法には紫外線検出器や水素炎イオン化検出器等が含まれる。
【００７２】
このようにして決定された原料またはアンモニア低減化発酵残渣または第２反応器の内容物中の窒素状態に基づき、本プロセスは二相嫌気性消化プロセスとして実行される。ここで、第１相は第１反応器内でのアンモニア化、第２相はバイオガスを生成するための第２反応器内でのバイオガス化である。両相の間に脱窒ステップが置かれる。アンモニア化および脱窒の必要性は、プロセスの窒素状態をモニタすることにより決定される。すなわち、窒素状態的にみて可能であれば、原料はバイオガス化用の第２反応器へ直接投入してよい。
【００７３】
バイオガス原料の最適C/Nモル比は、一般に20〜30、すなわち窒素原子１個につき炭素原子20〜30個であると考えられている。したがって、C/Nモル比が20未満の材料は窒素富化型であると考えられる。しかし、本発明のプロセスでは、C/Nモル比が15を超える材料であれば、バイオガス化相へ直接投入できることが確認されている。
【００７４】
バイオガス反応器内の微生物密度は、反応器内容物1リットル当たりの細胞数にして約1.44×1010個と決定されている(Bengelsdorf et al. 2012)。これは、反応器内容物1リットル当たりの微生物バイオマスの乾燥重量約2.5ｇに相当する（Balkwill et al. 1988の報告に従い、乾燥重量1ｇ当たりの細胞数を5.81×1012個として算出）。乾燥微生物バイオマス中の窒素含量は約11.0％、炭素含量は47.2％である（Fagerbakke et al. 1996の文献の表１に基づいて算出）。これは、反応器内容物1リットル当たりの微生物バイオマス窒素0.3ｇ、および微生物バイオマス炭素1.2ｇに相当し、C/Nモル比は3.7である。しかし、或る種の原材料を用いた場合に、反応器内容物のC/Nモル比が5〜12であれば、最適なバイオガス生成が行われることが示されている。これらの高い値は、生物利用されず、消化されずに残った炭素の存在が、依然としてC/Nモル比に影響を及ぼしているためであると考えられる。
【００７５】
窒素状態の制御にはC/Nモル比に加え、原料および反応器内容物中の窒素濃度の決定と利用も含まれ、プロセス制御の方針決定に利用される。上述のように、炭素富化原料のC/Nモル比は15を上回る。このC/Nモル比はC/N重量比に換算すると12.82となる。揮発性固形分（VS）は、或る材料の有機物含量の尺度となる。定説によれば、VSの約50％（質量比）は炭素から成る。したがって、C/N重量比が12.82である場合、VS 1 kg当たり約40ｇの窒素が存在することになる。このことは、炭素富化原材料におけるVS 1 kg当たりの窒素含量が40ｇ未満であることと符合している。これに対し、窒素富化材料中では、C/Nモル比が15未満であり、VS 1 kg当たりの窒素含量は40ｇを超える。
【００７６】
上述したように、バイオガス化に最適なC/Nモル比は15〜30である。C/Nモル比の30はC/N重量比の25.64に相当し、VS 1 kg当たり約20ｇの窒素に相当する。
【００７７】
窒素状態判定は、図１に示される本発明のプロセスにおいて、原料をどこへ向けて投入するかを決定する根拠に利用される。ここで、本発明のシステムに原料を投入するルートが幾つか存在する。これらのルートは、図１中にローマ数字で示してある。以下、詳細を説明する。
【００７８】
I:  原料が窒素富化である（原料のC/Nモル比が15未満であるか、またはVS 1 kg当たり窒素含量が40ｇを超える）場合、且つ、バイオガス化反応器内に十分量の窒素がある（C/Nモル比が12未満、または全アンモニア性窒素が0.1 g/Lを超えるか、または全元素状窒素が0.3 g/Lを超えている）場合、その原料はアンモニア化段階へ投入される。
【００７９】
II：  炭素富化原料の窒素状態がバイオガス化の最適範囲内にあり（原料のC/Nモル比が15〜30であるか、またはVS 1 kg当たり20〜40ｇの窒素が含まれている）、且つ、バイオガス化反応器内の条件が微生物の生育およびバイオガス生成に最適である（C/Nモル比が5.0〜12であるか、または全アンモニア性窒素が0.1〜2.5 g/Lであるか、または全元素状窒素が0.3〜2.8 g/Lである）場合、その原料はバイオガス化工程へ直接投入される。バイオガス化反応器の内容物中では、C/Nモル比が原料中のそれよりも低い。それは、炭素がメタンおよび二酸化炭素の形で反応器から失われるからである。バイオガス中に含まれる気体状窒素またはアンモニアはごく微量であり、したがって、バイオリアクタ中の気体状炭素の量はバイオリアクタ中の気体状窒素の量に対してはるかに過剰である。
【００８０】
III：  原料が窒素富化である（原料のC/Nモル比が15未満であるか、またはVS 1 kg当たりの窒素含量が40ｇを超える）が、バイオガス化反応器内が窒素欠乏状態にある（C/Nモル比が12を超えるか、または全アンモニア性窒素が0.1 g/L未満であるか、または全元素状窒素が0.3 g/L未満である）場合、その原料はバイオガス化段階へ投入される。
【００８１】
IV：  炭素富化原料の窒素状態がバイオガス化の最適範囲内に無く（原料のC/Nモル比が30を超えるか、またはVS 1 kg当たりの窒素が20ｇ未満である）、且つ、バイオガス化反応器内の条件が微生物の生育とバイオガス生成に最適である（C/Nモル比が5.0〜12であるか、または全アンモニア性窒素が0.1〜2.5 g/Lであるか、または全元素状窒素が0.3〜2.8 g/Lである）場合、または反応器が窒素欠乏状態にある（C/Nモル比が12を超えるか、または全アンモニア性窒素が0.1 g/L未満であるか、または全元素状窒素が0.3 g/L未満である）場合、その原料はバイオガス化反応器（IVa）内で窒素富化原料と混合して共消化に供することができ、または窒素源として例えばアンモニア（NH3）（IVb）を補給することができる。本明細書中で述べる本発明のシステムは脱窒ステップを含み、ここで窒素はアンモニアとして回収される。ここで回収したアンモニアは、必要があればシステムに再投入することができる。
【００８２】
図１に示すように、C/Nモル比を用いて材料の流れを指定すると、本プロセスの各ステップの窒素濃度の最適範囲でプロセスを実行することが容易となる。本発明によれば、従来の単相および二相嫌気性消化プロセスにおける操作に比べて、原料界面における操作が容易となる。C/Nモル比に基づく制御を各プロセスステップ毎に適用すれば、各タイプの材料に応じて指定されたルートが使えるので、本システムは様々な種類の原材料を受け入れることが可能となる。
【００８３】
以前に報告された微生物集団（例えば混合微生物群集S1）を用いた実験により、原料中に炭水化物が豊富に存在すると酸生成が進行して培地のpHが6より低く下がり、アンモニア生成微生物の活性が制限されることが示された（例えば、米国特許公開第20140271438 A1号公報の実施例３を参照）。したがって、低pHはアンモニア化を停止させる原因となる。
【００８４】
本発明のシステムでは、窒素富化原料（C/Nモル比が15未満で、VS 1 kg当たりの窒素含量が40ｇを超える）は、上述の方針に従い、また図１に示したように、アンモニア化段階へ投入することができる。しかし本発明者らは、本発明のプロセスにおいて窒素富化原材料をアンモニア化すると、酸生成が進行することを確認している。酸生成は、原料が単糖類、オリゴ糖類、デンプン類、またはベータグルカン、フルクタン、ペクチン、ガラクタン等の発酵性食物繊維等、発酵性炭素化合物を高濃度に含んでいる場合に進行する。一方、炭素系化合物が発酵性でない場合、すなわちセルロース化合物等から成る場合、酸生成は進行しない。本発明のプロセスでは、VS 1 kg当たり限界量として60ｇの単糖類、オリゴ糖類、デンプン類または発酵性食物繊維があれば、酸生成を誘導する材料となり得ることを確認している。この限界値未満であれば、アンモニア化を阻害するほどの酸生成は進行しない。
【００８５】
或る原料が、酸生成の虞があるためにそれ単独ではアンモニア化の原料として不適切であると判断された場合、その原料を窒素富化原料の予備アンモニア化の助けを借りて処理することができる。予備アンモニア化は逐次共消化の一形態と考えることができる。これを行うには先ず、酸生成を誘導しない窒素富化原料をアンモニア化する。続いて、この予備アンモニア化された原料に酸生成を誘導する原料を混合し、連続アンモニア化を行う。予備アンモニア化のステップでは、高いアルカリ度と緩衝作用を備えた培地が産生され、易溶性炭素系化合物の速やかな加水分解によって進行する酸性化をこの培地が緩和する。このようにして、酸産生を進行させる原料中の窒素が無機化されてアンモニア／アンモニウム塩となるが、バイオガス化相でアンモニウム塩阻害を起こさないよう、バイオガス化相へ移行する前にアンモニア除去ステップで除去される。
【００８６】
［プロセス構成］
図３において、参照番号１はアンモニア生成混合微生物群集S1を培養する容器を示す。このアンモニア生成集団は、アンモニア化の実行に有効と考えられている別のタイプの微生物集団あるいは単一微生物種の集団から成るものであってもよい。容器１から得られる集団、群集または培養物は、第１嫌気性消化槽または反応器４内への接種源として用いられる。ここで、接種源は給送ポンプまたは給送装置２を用いて投入される。あるいは、第１消化槽または反応器４の内容物は、原料の新しいバッチへの接種源として用いることもできる。あるいは、接種源を本発明のプロセスの一部として培養する必要はなく、その原料そのもの（接種源を加える必要はない）からアンモニア生成集団が産生してもよい。接種源はまた、本発明のプロセスの外部の施設で生産され、そこから直接に第１反応器へ移送されてもよい。接種源の量は、反応器内容物の総体積の少なくとも2.5％（体積比）である。あるいは、接種源はバイオフィルムとして固体担体材料上に設け、これを第１消化槽または反応器４の内部に配置してもよい。プロセスに供する原料はその組成に基づき、図１を参照しながら説明したスキームに従って仕分けされる。この仕訳プロセスは、図３では原料仕分けシステム31および導管3A、3Bおよび3Cで示され、これらを通って原材料がプロセスの消化槽または反応器に移送される。原料仕分けシステム31は、プロセスに投入される各原料用の容器と、原料をその窒素状態に応じて導管3A、3Bまたは3Cへ振り分けるためのコンピュータ制御式バルブ等の手段と、第２消化槽または反応器14を備える。窒素富化原料は導管3Aを通って第１消化槽または反応器４へ投入される。導管3Bは、VS 1 kg当たり60ｇ未満の単糖類、オリゴ糖類、デンプン類または発酵性食物繊維を含む窒素富化原料を予備アンモニア化し、これを導管3Aを通じて第１消化槽または反応器４へ投入した後に、VS 1 kg当たり60ｇを超える量の単糖類、オリゴ糖類、デンプン類または発酵性食物繊維を含む窒素富化原料を第１消化槽または反応器４へ投入する際に用いられる。２種類の原料を立て続けに消化槽または反応器４へ投入する場合には、導管3Aと3Bとを１本の導管に置き換えてもよい。第１消化槽または反応器４への投入前に、原料に対してレンダリング、熱加水分解、熱処理または他の何らかの方法による前処理を行ってもよく、これにより例えば消化性を向上させ、衛生化を達成し、または脂肪等の成分を抽出する。消化中は、消化槽の内容物を装置５で攪拌する。攪拌はインペラ、スパージャ、水中ポンプその他の装置を用い、適用可能なあらゆる方法により行われてよい。アンモニア化は嫌気性条件下、30℃〜40℃の中温性領域、または45℃〜60℃の好熱性領域で行われる。
【００８７】
アンモニア化された材料は給送ポンプまたは給送装置６を用い、発酵残渣の固相と液相とを分離する装置７へ移送される。両相の分離は、デカンタ式遠心分離機、スクリュープレス、ローラプレス、ベルトプレスその他の装置を用い、適用可能なあらゆる方法により行われてよい。液相は調整槽８へ送られ、そこで液状の発酵残渣が回収・貯蔵される。必要に応じ、給送ポンプまたは給送装置10を用いてコンテナ９から塩基を添加し、液状発酵残渣のpHを上昇させてもよい。pHをアルカリ側に寄せておくと、この方法でアンモニア性窒素を除去する際のアンモニア・ストリッピング効率を高めることができる。pHは他の方法で上昇させてもよく、例えば溶存二酸化炭素を除去してもよい。液状発酵残渣は、給送ポンプまたは給送装置11を通じて脱窒システム12へ投入される。
【００８８】
脱窒方法は公知のあらゆる方法を用いてよい。これらの方法には、硝化／脱硝等の生物学的方法、および、沈降、イオン交換、逆浸透、濾過、ストリッピング等の物理化学的方法が含まれる。但し、生物学的方法による脱窒は揮発性脂肪酸（VFA）も消費するので、その材料のバイオガス原料としての価値を低下させてしまう。更に重要なことは、生物学的方法によるとアンモニアが窒素ガスに転化されるので、貴重な栄養素が大気中に失われてしまう。種々の物理化学的方法を用いれば、窒素を純アンモニアまたは他の化合物、例えばストルバイトや硫酸アンモニウム等の塩として回収することが容易となる。
【００８９】
ストリッピングは、空気または水蒸気の流れに曝して液体から純アンモニアを気体状態で分離する方法である。アンモニア気化を効率良く行うためには、アルカリ側のpHと高温とにより、アンモニア／アンモニウム塩の平衡をアンモニウム側に偏らせることが必要である。気体状アンモニアはその後スクラビング、すなわち水中へ吸収させてアンモニア水を生成させるか、または酸溶液へ吸収させてアンモニウム塩を生成させる形で回収する。脱窒をエアストリッピングまたはスチームストリッピングで行う場合、気体流をスクラバ等の回収容器13に導入するとアンモニア性窒素の回収が容易となる。気体流からのアンモニアのスクラビングには、気体状アンモニアを水中へ凝縮させてアンモニア水を得る方法、またはスクラバ13内で水または酸溶液に吸収させる方法がある。このストリッパ／スクラバシステムは、アンモニア・ストリッピングに先立ち二酸化炭素を除去してpHを上げる目的で用いることができる。この場合、スクラバ13内で先ず、脱窒システム12内に存在する液相から二酸化炭素をアルカリ溶液を用いて吸収する。二酸化炭素を除去した後、水または酸溶液スクラバ13に通じて液相からアンモニアを吸収し、アンモニアを除去した液状発酵残渣を得る。
【００９０】
アンモニアを除去した液状発酵残渣は給送ポンプまたは給送装置30を用いて第２嫌気性消化槽または反応器14へ移送し、バイオガス化を行う。この第２消化槽または反応器14は、活発にバイオガスを生産するメタン生成菌集団を内在させている。この第２消化槽または反応器3Cへ炭素富化原料を、図１を参照しながら前述したスキームに従って、導管を通じて投入する。第２消化槽または反応器14が窒素欠乏状態にある場合（第２反応器内容物のC/Nモル比が12を超えるか、または全元素状窒素または全アンモニア性窒素がそれぞれ0.3または0.1 g/L未満である）、窒素富化原料は単独で、あるいは共消化を行うために炭素富化原料と混合した状態で、導管３Ｃを通じて第２消化槽または反応器14へ投入されてよい。これにより、C/Nモル比が低下するか、または第２消化槽または反応器14内の全元素状窒素含量または全アンモニア性窒素含量が上昇し、それぞれ最適範囲内となる（C/Nモル比は5.0〜12、全アンモニア性窒素量は0.1〜2.5 g/L、全元素状窒素含量は0.3〜2.8 g/L）。あるいは、窒素欠乏状態が懸念される場合には、図１を参照しながら上述したように、回収容器13から得られたアンモニアを炭素富化原料に対する窒素補充用に使用し、導管3Cを通じて第２消化槽または反応器14へ投入してもよい。窒素状態（先に定義した通り）を安定して最適範囲に保つことで、種々の原材料を使用したり、あるいは単一の原料に的を絞って使用することが容易となる。消化中は、消化槽の内容物を装置15を用いて攪拌する。攪拌はインペラ、スパージャ、水中ポンプその他の装置を用い、適用可能なあらゆる方法により行われてよい。バイオガス化は第２消化槽または反応器14内で嫌気状態下、30℃〜40℃の中温性領域、または45℃〜60℃の好熱性領域で行われる。
【００９１】
中温性領域におけるバイオガス生成は、消化槽内の微生物集団の多様性がより大きいこともあり、一般により安定である。また、アンモニア阻害の影響を受けにくく、好熱性バイオガス化に比べてエネルギー所要量も少ない。しかし、好熱性バイオガス生成は反応速度が速いために滞留時間を短縮することができるので、窒素状態の安定した原料が入手できる場合には適用可能である。温度順化を行って中温性バイオガス生成集団を好熱性バイオガス生成集団に変化させたり、あるいはその逆を行うこともできる。この順化には一般的に数週間から数ヶ月の長期間を要するので、多くの場合、所望の温度領域で稼働中のバイオガスプラントから新たに接種を行うことが好ましい。
【００９２】
第１消化槽または反応器４内でアンモニア化の進行中に生成した気体は、導管25を通じてバイオガス化用の第２反応器または消化槽14へ投入し、アンモニア化の最中に生じた二酸化炭素と水素とを、水素酸化型メタン生成によるバイオガスの収量増加に役立ててもよい。
【００９３】
固液相の分離を行う装置７で発生した固体状発酵残渣は、リン回収プロセス用の容器16へ投入することができる。容器16内で、例えば骨を含む屠場廃棄物のようなリン富化固体は、コンテナ23から投入される希無機酸または有機酸溶液を用いて処理することができる。この処理は、リン分を可溶化してリン酸塩とするため、クエン酸溶液を用い、所定時間、例えば24〜48時間にわたり室温で行うことが好ましい。このようにして、米国特許第8,691,551 B1号に記載された如く、リン含有液肥成分が生成され、固体カルシウム肥料が副生する。
【００９４】
リン酸液体成分は容器13へ移送し、アンモニアガスの吸収溶液として用いることもできる。容器13から産出するアンモニア産物は反応容器26へ移送され、そこへマグネシウム含有試薬またはコンテナ24からの溶液を添加し、必要に応じてコンテナ９から塩基も添加し、固体肥料やストルバイトを生成する。原料中のリンが少ない場合には固形分をバイオガス化用の第２消化槽または反応器14へ直接投入してもよい。別の方法として、本方法が固形分の処理に耐え得る場合には、上記固形分を脱窒プロセスへ投入してもよい。この場合の固液分離は、脱窒前には不要であり、バイオガス化後に行いさえすればよい。リン回収後に残存する固形分は、給送ポンプまたは給送装置17によって第２消化槽または反応器14へ移送される。
【００９５】
第２消化槽または反応器14内でバイオガス化が終了した後、発酵残渣は給送ポンプまたは給送装置18を用いて装置19へ移送され、そこで固液相分離に供される。この相分離は、デカンタ式遠心分離機、スクリュープレス、ローラプレス、ベルトプレス等の装置を用い、適用可能なあらゆる方法により行われてよい。液相すなわち廃水は、給送ポンプまたは給送装置21で再循環されて第１消化槽または反応器４または第２消化槽または反応器14へ戻され、そこで所望の乾固物または全固形分（TS）を達成するための希釈水として用いられる。更に、バイオガス化から発生するこの廃水は第１消化槽または反応器４内のアンモニア濃度を上昇させ、アンモニア化発酵残渣から効率良くアンモニアを除去することを容易とする。あるいは、この廃水を液肥として利用したり、廃水処理に供してもよい。固体画分20は例えば肥料や土壌改良剤として利用したり、コンポスト化に供してもよい。あるいは、リン富化固形分をリン回収プロセス16へ移送してもよい。バイオガスはガス除去導管22を通じて第２消化槽または反応器14外へ出る。
【００９６】
最後に、図３に示したプロセス構成には、原料中の揮発性固形分中の炭素対窒素モル比または全元素状窒素含量を決定する第１測定システム32が含まれる。また、第２測定システム27は、脱窒後のアンモニア低減化発酵残渣中の全元素状窒素、全アンモニア性窒素または炭素対窒素モル比を決定する。第３測定システム28は、発酵残渣のサンプリングにより、第２消化槽または反応器14内の全元素状窒素、全アンモニア性窒素または炭素対窒素モル比を決定する。図３に示したプロセス構成には制御システム29も含まれ、制御システムは、第１、第２、第３の各測定システムから情報を受信し、コンピュータ制御式タイマ等の手段を用いて脱窒システム12の効率を制御したり、第２消化槽または反応器14へ向かう発酵残渣の流れを、コンピュータ制御式のバルブやポンプ等の手段を用いて制御する。この制御は、第２消化槽または反応器14内の窒素状態の所定の限界値に基づいて行われる。制御システム29は、原料仕分けシステム31から反応器４または消化槽14へ向かう原料の流れも、図１を参照して前述した原理に従って制御する。
【実施例】
【００９７】
下記の実施例は、本発明のプロセスと生成物に関する。ここまでは本発明を所定の実施態様に基づき具体的に説明してきたが、下記の実施例では本発明を更に具体的に例示する。但し、これらは本発明の有効範囲を何ら制限するものではない。
【実施例１】
【００９８】
酸生成誘導性の原材料の予備アンモニア化
食品廃棄物（FW）、ブタおよびウシの屠場副産物（PB）およびブロイラー鶏屠場副産物（BC）を用いた実験結果を表２に示す。食品廃棄物のC/Nモル比は約14である。これは、窒素富化ではあるが、単独原料として用いる場合にも酸生成を誘導しアンモニア化を阻害するに十分量の発酵可能な炭素系化合物をまだ含んでいる。動物屠場副産物のC/Nモル比は10未満であり、若干の炭水化物を含んでいる。実験結果によれば、窒素富化材料の予備アンモニア化と、食品廃棄物のアンモニア化を行うことにより、食品廃棄物を単独原料として消化した場合またはこれを窒素富化材料と混合して共消化した場合と比べて、収量の大幅な改善がみられた。PB 40％−FW 60％混合物の共消化では、収量は20％未満であった。しかし、予備アンモニア化を行うと、わずか20％のPBで50％超の収量が達成された。このような原材料の違いはBCを用いた場合にもみられたが、食品廃棄物のアンモニア化を補助する効果はPBほど大きくはなかった。しかし、予備アンモニア化の効果は保たれていた。共消化では約50％の収量を達成するのにBC 80％を要したが、予備アンモニア化であれば同等の収量を達成するのにBC 40％で十分であった。
【００９９】
【表２】
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【実施例２】
【０１００】
バイオガス化反応器内の窒素含量のモデリング
本発明のシステムでは、バイオガス化消化槽の窒素濃度を最適レベルに保つため、原料をその組成に応じて仕分けし、選択的に脱窒に供する。炭素富化原料と窒素富化原料とを仕分けし、過剰の窒素を(1)アンモニア化後、バイオガス化を行う前にストリッピングを行うか、または(2)バイオガス化後に廃水をストリッピングする方法のいずれかによって除去するバイオガスプラントについて、バイオガス化反応器の窒素濃度をモデリングするための計算モデルを作成した。
【０１０１】
この計算モデルは、バイオガス化反応器の窒素濃度を一組のパラメータを使って繰り返し計算する。いずれの原料についても、使用したパラメータは下記の通りである。すなわち、(1)全元素状窒素濃度、(2)全固形分率、(3)揮発性固形分率、および(4)全原料の比率である。更に、下記のパラメータも使用した。(1)水理学的滞留時間、(2)有機物負荷率、(3)揮発性固形分除去率、(4)バイオガス化消化槽内の固形分1ｇ当たり何グラムの窒素が結合しているかを示す定数、(5)希釈水に占める廃水の割合、すなわち「廃水率」、(6)ストリッピングをバイオガス化の前に行う場合のストリッピングに供する希釈水の比率、(7)ストリッピングで除去されるアンモニア性窒素の比率、(8)アンモニア化後にアンモニアに転換される窒素富化原料の全元素状窒素の比率、および(9)アンモニア除去に用いた方法である。
【０１０２】
このモデルの動作を図４に示す。図４に示すモデルにおいて、実線(「―」)の枠は必須プロセス、破線（「---」）の枠は任意プロセスである。このモデルは、炭素富化原料が脱窒を経ずに直接バイオガス化反応器６へ投入されることを想定している。窒素富化原料はバイオガス化反応器へ直接投入されるか、あるいはアンモニア化２とバイオガス化前のストリッピング４とを経て投入されるかのいずれかとする。このアンモニア化ステップ２は、原料中の窒素をアンモニアの形に転化するものと想定され、その転化は、アンモニア化原料中の全窒素中のアンモニア性窒素の最終的な比率が、該当するモデルパラメータと合致するように行われる。バイオガス化前ストリッピングステップ４は、アンモニア発酵残渣からアンモニア性窒素を一定比率で除去するものとする。
【０１０３】
固体分離ステップ８から循環される廃水は、バイオガス化反応器６と同じアンモニア性窒素濃度を持つものとする。これは、固形分が非アンモニア性窒素のすべてを含有すると考えられるからである。循環された廃水は、他の形態の窒素を含まないものとする。このモデル構成中でバイオガス化後のストリッピングが可能となる場合は、バイオガス化後ストリッピング10において、循環された廃水から一定比率で窒素が除去されるものとする。
【０１０４】
廃水を新鮮水12で希釈する場合、このモデルでは、最終的に得られる希釈水中における廃水の比率が「廃水率」パラメータに合致するように、廃水を新鮮水と
混合する。新鮮水は窒素を含まないものと考える。
【０１０５】
希釈水は、バイオガス化反応器６へ直接に、またはアンモニア化２とバイオガス化前ストリッピング４とを経て投入されるものとする。希釈水に関しては、アンモニア化は何も影響を与えないものと考える。それは、すべての窒素が既にアンモニアの形態を採っていると考えられるからである。希釈水のバイオガス化前ストリッピング４では、バイオガス化前ストリッピング４を経た希釈水の一定量部分からアンモニア性窒素が一定比率で除去されるものとする。
【０１０６】
このモデルを用い、トウモロコシサイレージとニワトリ敷料の50％−50％（湿潤質量）混合物を原料として受け入れるバイオガスプラントを様々な構成で運転した時の、バイオガス化消化槽の窒素濃度を試算した。各モデル試験運転の構成を表３に、モデルパラメータを表４に、モデル試験の結果を図２に示す。
【０１０７】
【表３】
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【０１０８】
【表４】
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【０１０９】
図２に示した結果より、構成１と２については約125日間にわたりアンモニア性窒素濃度が2 g/L未満のレベルで安定化し、これは典型的な阻害濃度未満である。構成３と４については、同程度の期間にわたりアンモニア性窒素濃度が3〜4 g/Lで安定化し、これは潜在的に阻害を生ずる濃度である。構成５では、アンモニア性窒素濃度が速やかに上昇して典型的な阻害濃度を超え、ひとたび阻害が検出された以降は操作パラメータを固定すれば、12 g/Lよりも高いレベルで安定化する。
【０１１０】
このような結果より、原料を仕分けし、窒素富化原料をアンモニア化とそれに続く生成アンモニアのストリッピングとで脱窒することにより、原料の希釈はバイオガス化廃水だけで行うことができ、この時のバイオガス化反応器内のアンモニア性窒素濃度は典型的な阻害レベル未満に保たれる。廃水を希釈に用いずに廃水ストリッピングを行う場合や、脱窒を行わない構成では、いずれもバイオガス化消化槽中のアンモニア性窒素濃度を安全な濃度に保つことはできない。
【実施例３】
【０１１１】
エアストリッピングによる脱窒
エアストリッピングによるアンモニア除去は、pHと温度に依存する。pHを上昇させると、アンモニウム塩／アンモニア平衡を気化し易い遊離アンモニア側へ偏らせることができる。アンモニウムイオン（NH4+）は、アンモニア（NH3）に対して次式で表される平衡を保ちながら存在する。
【数３】
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【０１１２】
昇温と曝気により気化が更に促進され、生成した気体アンモニアが中性または酸性溶液中に吸収される。この例では、エアストリッパ・酸スクラバカラムシステムをアンモニアの除去と回収に用いた。
【０１１３】
ここで述べたプロセス構成（［詳細な説明］における図３について上述した［プロセス構成］の項を参照）、アンモニア化と遠心分離を経たニワトリ敷料汁液（27.4リットル）のpHを、コンテナ９に貯蔵されたNaOH溶液（50％）を用いて10.04に調整する。次に、pH調整したニワトリ敷料汁液を給送ポンプを用いてアンモニア除去ユニットへ移送する。本例におけるこのアンモニア除去ユニットはパイロットスケールのエアストリッパで、充填高さ2.15ｍ、内径16 cmである。ニワトリ敷料汁液を60℃に加熱し、空気対向流によってアンモニアを液相から気相へ移行させた（液流速5 L/分、空気流速75 L/分）。続いてアンモニアガスをスクラバへ投入し、そこで硫酸溶液にトラップさせて、最終産物として硫酸アンモニウムを生成させた。アンモニア・ストリッピングを75分間継続し、98.4％のアンモニアを除去した。初期アンモニア濃度、最終アンモニア濃度、およびpHを表５に示す。
【０１１４】
【表５】
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【０１１５】
脱窒はまた、内径47 mm、全高75 cmの実験室スケールのエアストリッパを用いても行った。七面鳥の羽の束（初期全固形分12％）を50℃で14日間アンモニア化し、その後95℃で1時間、不活性化した。固形分を篩い分けと遠心分離によって分離した。七面鳥の羽の発酵物を用いたエアストリッピング／スクラビングを、前述したと同じ方針に従い、但し吸収用の酸溶液としてはクエン酸−リン酸溶液を用いて行った。この吸収用溶液は、米国特許第8,691,551 B1号に記載の方法に従い、骨由来のヒドロキシアパタイトをクエン酸処理することにより調製した。ストリッピングは43℃で5.5時間行い、この間、合計4 mlの50％ NaOHを添加し、空気流速は25 l/分で一定とした。アンモニア除去率は90.9％であった。
【実施例４】
【０１１６】
パイロットスケールによる実証実験
本発明のシステム（すなわち、「ドゥクトルプロセス」）がバイオガス生産にもたらすメリットをパイロットスケールシステムで実証した。２基のバイオガス反応器（40 L容）を並列し、好熱性条件下で58日間、下記の材料を用いて運転した。すなわち、
A）アンモニア化原料およびアンモニア除去原料（ドゥクトルプロセス）、または
B）未処理原料（従来プロセス）。
【０１１７】
メタン生成菌の接種源は、廃水処理プラント（Viikinmaki廃水処理プラント、フィンランド共和国ヘルシンキ）で稼働中のバイオガス化消化槽から入手し、実証試験開始前に64日間、廃水汚泥を供給しながら維持した（OLR＝1 kgVSm-3d-1、HRT＝20日間、温度＝50℃）。反応器への投入条件は、有機物負荷率（OLR）を2 kg揮発性固形分（VS）m-3d-1、水理学的滞留時間（HRT）を21日間とした。21日間経過後、OLRを3 kgVSm-3d-1に増強し、高原料密度時のプロセス機能性を評価した。使用した原料は、ニワトリ敷料とトウモロコシサイレージの50：50混合物（質量比）とした。
【０１１８】
本実験では、双方の反応器を好熱性条件下（50℃）で稼働させた。但し、アンモニア化およびバイオガス生成のいずれにおいても、中熱性〜好熱性の温度条件、すなわち30〜60℃が実現可能であった。ドゥクトルプロセスでは、このニワトリ敷料を50℃で5〜7日間、アンモニア化した。アンモニア化の開始時、米国公開特許第20140271438 A1号公報の実施例１に記載された方法で培養された2.5％（容量比）S1混合微生物集団を上記原料（TS 5.2〜8.4％、重量比）に接種した。この特許の内容は本明細書に引用形式にて組み込まれる。あるいは、前段のアンモニア化のバッチ10％（容量比）を接種源として用いた。水中ポンプを用いて、20分毎に1分間の攪拌を行った。アンモニア化の終了時には、原料窒素の63.3〜83.6％がアンモニアに転化されていた。デカンタ式遠心分離機（DCE 205-00-32、ドイツのGEAウェストファリア社製)で固液分離を行った。得られた液体画分と固体画分の全固形分含量は、それぞれ1.5〜3.3％、および26.4〜29.8％であった。
【０１１９】
アンモニア回収は、パイロットスケールのエアストリッパを用いて実施例３で上述した如く行った。アンモニアを除去した液体は、デカンテーション前と同じ比率で固体画分と混合した。50：50混合原料は、アンモニア化前のニワトリ敷料に、等量のトウモロコシサイレージを加えて調製した。この原料を、バイオガス化反応器内の同じ時点でのアンモニウム濃度と同じ濃度のアンモニウムを含む人工廃水で希釈した。従来のプロセスでは、ニワトリ敷料とトウモロコシサイレージとの50：50混合物（質量比）を上述と同様に人工廃水で希釈した。この材料をバイオガス化反応器へ直接投入した。
【０１２０】
表６に結果を示したように、両反応器の初期状態はアンモニウム塩濃度とメタン生成に関してどちらも非常に似通っていた。5〜25日目では、従来プロセスで運転したバイオガス反応器が、ドゥクトルプロセスによる反応器よりも若干多いメタン生成を示した。しかし、従来プロセスでは26日目以降にアンモニウム阻害の影響が顕著となり、51日目までにメタン生成量が緩やかに減少してドゥクトルプロセスで生成されるメタンの量の60％未満となった。
【０１２１】
ドゥクトルプロセスでは、アンモニウム濃度は運転期間中を通じて概ね一定に保たれた（0.5〜0.75 g L-1）。一方、従来プロセスでは、おおよそ1 g L-1から4.2 g L-1までのアンモニウム濃度の上昇が認められ、この濃度が1.5 g L-1を超えた時点でアンモニウム阻害が顕著となった。
【０１２２】
原材料に用いたニワトリ敷料とトウモロコシサイレージのC/Nモル比はそれぞれ10.4および55なので、両者は先の文中で図１を用いて説明したルートIとIIに従ってプロセスへ投入した。
【０１２３】
ドゥクトルプロセスと従来プロセスの比較はまた、バイオガス化反応器から得られる人工ではない実際の廃水を原料希釈水として用いても行った。この実験では、原料はニワトリ敷料のみから成るものとした。結果は同様であり、30日間の運転中、ドゥクトルプロセスではアンモニウム濃度が1 g L-1未満に保たれたが、従来プロセスでは1.6 g L-1から3.9 g L-1へと増加した。この実験では、アンモニア化原料およびアンモニア除去原料のC/N比が15を下回ると、バイオガス反応器内のアンモニウム濃度の上昇が認められた。このことは、プロセスへの原料の投入に異なるルートを使い分けることに加え、アンモニア化および脱窒の効率を考慮することによっても、バイオガス反応器内の全アンモニア性窒素濃度を制御できることを意味している。更に、この結果より、C/Nモル比が15未満の原料にはアンモニア化および脱窒による処理が必要であることが解る。
【０１２４】
本発明者らは様々な原材料のアンモニア化を検討し、VS 1 kg当たり60ｇ超の単糖類、オリゴ糖類、デンプン類または発酵性食物繊維を含む窒素富化原材料のアンモニア化に際し、酸生成がこれを失敗させる原因となることを突き止めている。VS 1 kg当たり60ｇ未満の単糖類、オリゴ糖類、デンプン類または発酵性食物繊維を含む窒素富化原料は、アンモニア化工程へ直接投入してよい。もし原料が酸生成を誘導する場合には、アンモニア化反応器に酸生成原料を投入する前に、窒素富化原料を用いて予備アンモニア化ステップを実行する必要がある。
【０１２５】
パイロットスケールによる実証実験では、反応器内容物1リットル当たりのアンモニウム濃度が1.5 g/Lの時にメタンが最も効率良く生成した。別の原材料を用いることの効果とバイオガス反応器内の微生物集団の変異を考慮すると、アンモニウム濃度範囲0.1〜3 g/Lで最適なメタン生成が行われることが解った。これは、概ね全アンモニア性窒素濃度0.1〜2.5 g/Lに相当する。前述したように、バイオガス反応器内の微生物集団の生育を支えるためには、この全元素状窒素濃度が最低でも0.3 g/Lでなければならない。したがって、アンモニウム状窒素の比率と微生物集団の窒素所要量とを考慮すると、全元素状窒素の最大許容濃度は2.8 g/Lとなる。
【０１２６】
【表６】
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【０１２７】
［引用による参照］
ここに引用する多数の引用文献のすべては、その全文を引用により本明細書中に含むものとする。
【０１２８】
［優先権の主張］
本出願は、2014年4月1日出願の米国仮出願第61/973,577号に基づく優先権を主張するものであり、その全文を引用により本明細書に含むものとする。
【０１２９】
［寄託証明］
下記の生物材料は、特許手続上の微生物の寄託の国際承認に関するブダペスト条約の要件を満たす状況下において、下記の国際寄託機関に寄託されているものである。
オランダ王国  3584 CT  ユトレヒト  ウップサララーン  ８
オランダ微生物株保存センター（CBS）
［国際寄託機関による受託］
寄託された混合微生物集団    CBS受託番号      寄託日
S1                  CBS 136063      2013年8月22日
［参照文献］
［特許文献］
US    4,022,665       05/1977        Ghosh et al.
US    6,716,351 B2    04/2004        Fassbender
EP    1,181,252 B1    04/2004        Bakke et al.
EP    1,320,388 B1    11/2005        Bonde & Pedersen
EP    0,970,922 B1    09/2007        Moro et al.
US    7,309,435 B2    12/2007        Rozich
EP    2,220,004 B1    09/2012        Gerritsen & Blankenborg
US    8,613,894 B2    12/2013        Zhao et al.
US    8,642,304 B2    02/2014        Raap et al.
US    8,691,551 B1    04/2014        Lahtinen et al.
EP    2,039,775 A2    03/2009*       Iwai et al.
WO    2013038216 A1   03/2013*       Kovacs et al.
EP    2,578,558 A1    04/2013*       Natta & Donati
EP    2,614,890 A1    07/2013*       Wennergren & Christensen
US    20140271438 A1  09/2014*       Oksanen et al.
*公開日
［他の文献］
Balkwill, D.L., Leach, F.R., Wilson, J.T., McNabb, J.F., White, D.C. 1988. Equivalence of microbial biomass measures based on membrane lipid and cell wall components, adenosine triphosphate, and direct counts in subsurface aquifer sediments. Microbial Ecology 16: 73-84.
Bengelsdorf, F.R., Gerischer, U., Langer, S., Zak, M., Kazda, M. 2012. Stability of a biogas-producing bacterial, archaeal and fungal community degrading food residues. FEMS Microbiology Ecology 84: 201-12.
Dowd, S.E., Wolcott, R.D., Sun, Y., McKeehan, T., Smith, E., Rhoads, D. 2008.  Polymicrobial nature of chronic diabetic foot ulcer biofilm infections determined using bacterial tag encoded FLX amplicon pyrosequencing (bTEFAP). PLoS ONE 3(10): e3326.
Fagerbakke, K.M., Heldal, M., Norland, S. 1996. Content of carbon, nitrogen, oxygen, sulfur and phosphorus in native aquatic and cultured bacteria. Aquatic microbial ecology 10: 15-27.
Flythe M., Russell, J. 2006. Fermentation acids inhibit amino acid deamination by Clostridium sporogenes MD1 via a mechanism involving a decline in intracellular glutamate rather than protonmotive force. Microbiology 152: 2619-24.
Ramsay, I., Pullammanappallil, P. 2001. Protein degradation during anaerobic wastewater treatment: derivation of stoichiometry. Biodegradation 12: 247-57.
Resch, C., Worl, A., Waltenberger, R., Braun, R., Kirchmayr, R. 2011. Enhancement options for the utilization of nitrogen rich animal by-products in anaerobic digestion. Bioresource Technology 102: 2503-10.
Sundberg, C., Al-Soud, W.A., Larsson, M., Alm, E., Yekta, S.S., Svensson, B.H., Sorensen, S.J., Karlsson, A. 2013. 454 pyrosequencing analyses of bacterial and archaeal richness in 21 full-scale biogas digester s. FEMS Microbiol. Ecol. 85: 612-626.
Wolcott, R., Gontcharova, V., Sun, Y., Dowd, S.E. 2009. Evaluation of the bacterial diversity among and within individual venous leg ulcers using bacterial tag-encoded FLX and Titanium amplicon pyrosequencing and metagenomic approaches. BMC Microbiology 9: 226.
Zhang, C., Yuan, Q., Lu, Y. 2014. Inhibitory effects of ammonia on methanogen mcrA transcripts in anaerobic digester sludge. FEMS Microbiology Ecology 87: 368-77.
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【配列表】
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