(57)【要約】【課題】最終成果物の回収に至る中間過程において分離等される中間成果物の回収・利用を可能としつつ、各発酵槽毎にバクテリアの活動のための最適環境を設定できるマルチパイプ多段式発酵システムおよび発酵方法。【解決手段】バイオマスが収容される複数のパイプが内部に設けられた発酵槽を、発酵工程に応じて段階的に配列することを特徴とするマルチパイプ多段式発酵システムおよび発酵方法。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスが収容される複数のパイプが内部に設けられた発酵槽を、発酵工程に応じて段階的に配列することを特徴とするマルチパイプ多段式発酵システム。
【請求項２】
前記パイプが、発酵槽内に同心円状配列され、かつ周方向に回転可能なレールに懸架されている、請求項１のマルチパイプ多段式発酵システム。
【請求項３】
前記パイプが該パイプの周方向に回転可能になっている、請求項１または２のマルチパイプ多段式発酵システム。
【請求項４】
前記パイプが多孔質部材からなる、請求項１ないし３のいずれかに記載のマルチパイプ多段式発酵システム。
【請求項５】
前記発酵槽に、パイプにバイオマスを投入する投入手段と、発酵槽内から成果物を取り出す取出手段とが設けられている、請求項１ないし４のいずれかに記載のマルチパイプ多段式発酵システム。
【請求項６】
バイオマスが収容される複数のパイプが内部に設けられた発酵槽を複数配列し、各発酵槽において、バイオマスを段階的に処理することを特徴とする、マルチパイプ多段式発酵方法。
【請求項７】
ヘミセルロースまたはセルロースが発酵される発酵槽よりも前工程にある発酵槽内において、リグニンを分離、抽出する請求項６のマルチパイプ多段式発酵方法。
【請求項８】
前記バイオマスをメタン発酵させメタンを抽出する請求項６または７のマルチパイプ多段式発酵方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バクテリアを利用し森林バイオマス等のバイオマスを発酵させ、メタン、メタノール等の有益な物質を回収する発酵システムに関し、とくに発酵工程に応じて発酵槽を多段的に配列可能な多段式発酵システムおよび発酵方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球温暖化防止のため大気中に二酸化炭素（ＣＯ２　）を排出しないバイオマスエネルギーは、化石燃料（石油、石炭、天然ガス）の代替エネルギーとして注目されている。バイオマスとは、生物系（動物系、植物系）エネルギー資源の潜在利用可能量（のエネルギー換算値）を示すものであり、糖質系、デンプン系（粗粒穀物等）、リグノセルロース系（木質類、草本類）、油脂系（動物油脂、植物油脂）、廃棄物系（農業系、林業系、一般系、産業系）のバイオマスエネルギーに大別される。なかでもとくに木質類等を源とする森林バイオマスは、推定存在量、採取コスト等の面からみて有利でありとくに注目されている。
【０００３】
上記のような森林バイオマスは、通常バクテリアを用いて発酵され、メタン等のエネルギー資源が回収されるようになっている。
【０００４】
ところで、従来バクテリアを利用した発酵槽の多くは、単一槽での種々のバクテリアの共生を前提としており、共生関係に基づく連続発酵処理結果の最終成果物を回収していた（特許文献１）。このため、従来の発酵システムにおいては、発酵の中間過程で生成される中間成果物の抽出は困難であった。また、種々のバクテリアを共生させる単一槽においては、温度、圧力、雰囲気等の条件を任意に設定変更できないため、各バクテリアの最適な活動環境を設定できないおそれがある。とくに、メタン発酵においては、▲１▼加水分解、▲２▼低級脂肪酸化、▲３▼酢酸生成、▲４▼メタン生成の４段階の工程を各種バクテリアを共生させて単一発酵槽で行っていたため、最適条件の設定が困難になり処理速度が大きく遅延するおそれがある。
【０００５】
また、単一槽内に複数のバクテリアを共生させていたのは、各バクテリアの機能や共生関係が解明されていなかったため、複数のバクテリアを共生させなければ、発酵による成果物を確実に得られなくなるおそれを回避する意図によるものであった。
【０００６】
しかし、近年、遺伝子組み換え技術の発展に伴い、各バクテリアの機能や共生関係が解明されつつある。また、ゲノム解析の結果を利用した単機能バクテリアの生成も可能となりつつある（非特許文献１）。さらに、複数のバクテリアの共生による連続発酵過程を薬剤等による化学処理、温度・湿度等の物理処理で一部停止によるバクテリアの単機能化も可能になりつつある（非特許文献２）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−１１８６７１号公報（第１図）
【非特許文献１】
桑原正章著，”分子遺伝学的に強化された糸状菌を用いる再生可能植物のバイオマスの効率的エネルギー化”、〔ｏｎｌｉｎｅ〕、平成１３年１２月３日、〔平成１４年６月１日検索〕、インターネット＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｅｄｏ．ｇｏ．ｊｐ／＞
【非特許文献２】
大倉一郎著，「メタン資化細菌を用いるメタンからメタノールの生産」地球環境研究，地球環境財団，１９９６年，Ｖｏｌ３７
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、複数の発酵槽毎に単機能バクテリアの最適な活動環境を設定でき、多段階かつ連続的、効率的な発酵を可能とし、しかも中間成果物を任意に回収可能なマルチパイプ多段式発酵システムおよび発酵方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のマルチパイプ多段式発酵システムは、バイオマスが収容される複数のパイプが内部に設けられた発酵槽を、発酵工程に応じて段階的に配列することを特徴とするものからなる。
【００１０】
従来の単一槽においては、発酵槽内においてバイオマスを均一に発酵させるために、攪拌装置を設ける必要があった。しかし、たとえばパイプを、発酵槽内に同心円状に配列され、かつ周方向に回転可能なレールに懸架すれば、各パイプ内のバイオマスを均一に発酵させることができるので、上記従来の攪拌装置を廃止することができる。また、パイプ自身を周方向に回転可能にすれば、各パイプ内のバイオマスの発酵状態をより均一にすることができる。
【００１１】
上記パイプを多孔質部材（たとえば、網状部材）から構成すれば、バイオマスの発酵過程において抽出・分解された成果物、あるいは発酵による最終成果物が液体または気体である場合に、これらを効率的に回収することができる。最終成果物等が液体であるときは発酵槽の下部に、気体であるときは発酵槽の上部に取出手段を設ければ、最終成果物等をより効率的に回収することができる。
【００１２】
上記各発酵槽には、該発酵槽内のパイプにバイオマスを投入する投入手段と、発酵槽内から成果物を取り出す取出手段とを設けることが好ましい。また、投入手段は前工程の取出手段と連動させることができる。一方、取出手段は後工程の投入手段と連動させることもできる。
【００１３】
また、上記課題を解決するために、本発明のマルチパイプ多段式発酵方法は、バイオマスが収容される複数のパイプが内部に設けられた発酵槽を複数配列し、各発酵槽において、バイオマスを段階的に処理することを特徴とする方法からなる。
【００１４】
本発明に係るマルチパイプ多段式発酵システムおよび発酵方法においては、たとえばメタン、メタノール等を最終成果物として回収することができる。ただし、バイオマス中に含まれるセルロース、ヘミセルロース、リグニンの三大成分のうち、リグニンはメタン発酵の基質としては不適切であるため、セルロース等の発酵に用いる前工程の発酵槽内において予め分離しておくことが好ましい。分離されたリグニンは、香料としてのバニリンの製造原料となる他、そのスルホン酸カルシウム塩はセメントの分散剤等に用いることができる。
【００１５】
上記のようなマルチパイプ多段式発酵システムおよび発酵方法によるときは、バイオマスが収容される複数のパイプが内部に設けられた発酵槽が、発酵過程に応じて段階的に配列されているので、発酵による最終成果物の回収に至る中間過程で分離、抽出された中間成果物の回収が可能になる。また、複数のバクテリアを共生させる単一槽においては、各バクテリア毎に槽内環境を最適な状態に設定することは困難であったが、本発明においては、原則として各発酵槽には単一のバクテリアが存在するので、各発酵槽の槽内環境を各バクテリアに対し最適に設定することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のマルチパイプ多段式発酵システムおよび発酵方法の望ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１ないし図５は、本発明の第１実施態様に係るマルチパイプ多段式発酵システムを示している。図において１は、マルチパイプ多段式発酵システムを示している。発酵システム１は、第１発酵槽２、第２発酵槽３、第３発酵槽４（以下、各発酵槽と言うこともある。）を有している。各発酵槽の内部には、図２に示すように周方向にパイプ６が配列されている。パイプ６は、各発酵槽内に同心円状に配列され、かつ周方向に回転可能なレール７、８に懸架部材９を会して懸架されている。また、パイプ６には、図３に示すように軸方向に延びる切欠部１０が設けられている。
【００１７】
第１発酵槽２には、パイプ６内へバイオマス等の被発酵物質等を投入する第１投入手段１１と、パイプ６内での発酵等により得られた成果物を取り出す第１取出手段１２が設けられている。また、同様に第２発酵槽３には第２投入手段１３と第２取出手段１４が、第３発酵槽４には第３投入手段１５と第３取出手段１６が設けられている。
【００１８】
第１投入手段１１、第２投入手段１３、第３投入手段１５（以下、各投入手段と言うこともある。）は、槽５の周方向に移動するパイプ６の運動に同期して各パイプ６の切欠部１０から被発酵物質等を投入するようになっている。一方、第１取出手段１２、第２取出手段１４、第３取出手段１６（以下、各取出手段と言うこともある。）は、上述のように各発酵槽内を移動するパイプ６に同期して切欠部１０から成果物を取り出すようになっている。なお、第１取出手段１２により取り出された成果物を第２投入手段１３に自動的に搬入して第２発酵槽３のパイプ６に投入することも可能である。また、第２取出手段１４により取り出された成果物を第３投入手段１５に自動的に搬送して第３発酵槽４のパイプ６内に投入することも可能である。つまり、前工程の取出手段と次工程の投入手段とを連結した構成を採ることも可能である。
【００１９】
また、各発酵槽内における成果物が気体である場合には、各取出手段は各発酵槽の上部に、一方各発酵槽内における成果物が液体である場合は、各取出手段は各発酵槽の下部に設ければ各発酵工程における成果物を効率よく取り出すことができる。このため、各取出手段は該各取出手段を水平方向に移動制御可能な水平制御レール１７と、垂直方向に移動制御可能な垂直制御レール１８とを有している。また、各取出手段には上記と同様の水平制御レール１７と垂直制御レール１８とが設けられている（図４、図５）。
【００２０】
本実施態様のようなマルチパイプ多段式発酵システムおよび発酵方法によるときは、バイオマスが収容される複数のパイプ６が内部に設けられた第１発酵槽２、第２発酵槽３、第３発酵槽４が、各発酵過程に応じて段階的に配列されているので、第１発酵槽２、第２発酵槽３における中間成果物の回収利用が可能になる。また、複数のバクテリアを共生させる単一槽においては、各バクテリア毎に槽内環境を最適な状態に設定することは困難であったが、本発明においては各発酵槽には単一のバクテリアが存在するので、槽内環境を各バクテリアに対して最適に設定することができる。
【００２１】
なお、本実施態様においては、３つの発酵槽を配列した例を示しているが、発酵過程に応じてさらに多段的に発酵槽を配列することもできる。したがって、たとえばバイオマスから発酵によりメタンを生成するメタン発酵のように、より多段的な発酵を必要とする場合にも本発明に係る発酵システムを利用できる。この場合は、リグニンを分離する発酵槽よりも後の発酵槽でセルロース等を発酵させれば、抽出リグニンの有効利用を図りつつ、メタン生成をより効率的に行うことができる。さらに、上述のようなリグニンの選別的分離技術は、相似分子構造を有する物質（たとえば、合成樹脂）の分解、再利用への一手段となり得る可能性を有している。
【００２２】
また、本実施態様においては、各発酵槽内のパイプ６は、各発酵槽内に同心円状に配列され、かつ周方向に回転可能なレール７、８に懸架されている。したがって、複数のパイプ６内に収容されたバイオマスを均一に発酵等させることができるので、従来の単一槽における攪拌装置は廃止することができる。
【００２３】
次に、本発明の第２実施態様に係るマルチパイプ多段式発酵システムおよび発酵方法を用いた森林バイオマスの採取から発酵までの工程を図６を用いて説明する。森林等から採取された森林バイオマス１９は、まずチッパー２０によりチップ状に裁断されチップ２１にされた後、地域発酵設備２３に配送２２される。なお、移動式チッパー車両を使用する場合には、チッパー２０による裁断から配送２２までの工程は上記移動式チッパー車両において実施することができる。チップ２１は、地域発酵設備２３において、洗浄・比重分離２４され木質バイオマス２５にされる。
【００２４】
さらに、木質バイオマス２５は形状分離２６された後、発酵工程に送られる。本実施態様においては、マルチパイプ多段式発酵システム１が、複数列（図６では３列）に配列されているので、木質バイオマス２５はその形状に応じて各発酵システム１の第１投入手段１１に送られ、各発酵槽内において発酵される。
【００２５】
本実施態様においても、各発酵工程における中間成果物を回収することができるので、中間成果物の有効利用を図ることができる。また、各発酵槽内において、各バクテリアが活動するための最適環境を容易に設定することができるので、発酵効率を向上することができる。また、本実施態様においては、木質バイオマス２５はその形状に応じて分別されるので、各発酵システム１毎の発酵効率をより向上できる。さらに、本実施態様においては、発酵システム１同士を互いに連結することが可能になるので、きわめて複雑な発酵に応用することもできる。したがって、森林バイオマスのみならず廃棄物系バイオマス等、他のバイオマスの発酵等にも利用できるので、全バイオマスのトータル的な処理システムの構築が可能になる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のマルチパイプ多段式発酵システムおよび発酵方法によるときは、発酵槽が発酵工程に応じて段階的に配列されているので、最終成果物の回収に至る中間過程で分離等された中間成果物を回収し有効利用することができる。また、各発酵槽内をバクテリアが活動し易い最適な条件に設定することができるので発酵速度ひいては発酵効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施態様に係るマルチパイプ多段式発酵システムの概略構成図である。
【図２】図１のマルチパイプ多段式発酵システムの各発酵槽の正面図である。
【図３】図１のマルチパイプ多段式発酵システムの各発酵槽の側面図である。
【図４】図１のマルチパイプ多段式発酵システムの投入手段の概略構成図である。
【図５】図１のマルチパイプ多段式発酵システムの取出手段の概略構成図である。
【図６】本発明の第２実施態様に係るマルチパイプ多段式発酵システムを用いた森林バイオマスの処理システムのフローチャートである。
【符号の説明】
１　マルチパイプ多段式発酵システム
２　第１発酵槽
３　第２発酵槽
４　第３発酵槽
６　パイプ
７、８　レール
９　懸架部材
１０　切欠部
１１　第１投入手段
１２　第１取出手段
１３　第２投入手段
１４　第２取出手段
１５　第３投入手段
１６　第３取出手段
１７　水平制御レール
１８　垂直制御レール
１９　森林バイオマス
２０　チッパー
２１　チップ
２２　配送
２３　地域発酵設備
２４　洗浄・比重分離
２５　木質バイオマス
２６　形状分離
【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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