(57)【要約】【課題】  水素生成菌の添加や接種等を不要にし、製造プロセス的に簡易かつ経済性に優れた水素発酵方法を実現する。【解決手段】 有機廃棄物を利用した水素発酵方法において、前記有機廃棄物が動物糞を主とする畜産関連廃棄物と植物表皮や殻を主とする食品関連廃棄物とからなり、前記畜産関連廃棄物および食品関連廃棄物を混ぜて廃棄混合物を調整し、該廃棄混合物を嫌気性発酵条件下にて水素を生成する。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機廃棄物を利用した水素発酵方法において、前記有機廃棄物が動物糞を主とする畜産関連廃棄物と植物表皮や殻を主とする食品関連廃棄物とからなり、前記畜産関連廃棄物および食品関連廃棄物を混ぜて廃棄混合物を調整し、該廃棄混合物を嫌気性発酵条件下にて水素を生成することを特徴とする水素発酵方法。
【請求項２】
前記畜産関連廃棄物が牛糞、鶏糞、豚糞の何れか１もしくは２以上からなるとともに、前記食品関連廃棄物がオカラ、ヌカ、フスマの何れか１もしくは２以上からなることを特徴とする請求項１に記載の水素発酵方法。
【請求項３】
前記廃棄混合物が固形分重量１００ｇ当たり前記畜産関連廃棄物比率３０〜８０％である請求項１または２に記載の水素発酵方法。
【請求項４】
前記廃棄物混合物の水分含有率が４０重量％以上であることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の水素発酵方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機廃棄物を利用した水素発酵方法に関し、特に畜産関連廃棄物と食品関連廃棄物とを用いる水素発酵方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素はクリーンなエネルギーであり、有力なエネルギー源として期待されている。最近は様々な水素生成方法が研究されており、水素発酵つまり微生物により水素を作る方法もその一つである。微生物を利用した水素生成形態は、光合成細菌のように光をエネルギー源とするものと有機物をエネルギー源とするものに大別される。多くの微生物は、後者の有機物をエネルギー源として生息しており、酸素存在下でのみ生息できるものを好気性細菌、酸素の有無に関係なく生息できるものを通性嫌気性細菌、酸素がない状態でのみ生息できるものを偏性嫌気性細菌という。
【０００３】
また、従来の水素発酵方法は、図３に例示されるように、有機性廃棄物（バイオマス）を前処理装置内で粉砕や水分調整等の前処理をし、水素発酵を行う嫌気性細菌である水素発酵細菌によって水素を生成させる水素発酵槽と、揮発性脂肪酸・アルコール類等の水素発酵代謝物に対するメタンを生成させるメタン発酵槽とを組み合わせた水素・メタン二段発酵プロセスである。水素発酵槽からの生成ガスは水素分離膜等により水素ガスとして分離され、メタン発酵槽からの生成ガスは改質器等を通じて水素ガスに変換される。
【０００４】
以上のような微生物を用いた二段発酵プロセスとしては特許文献１に開示のものが挙げられる。この技術は、水素生成菌（通性嫌気性細菌）を収容したバイオリアクタ内に活性汚泥等の有機性廃液を導入し、水素生成菌により水素とメタン原料有機物を生成する水素発酵部と、メタン菌を収容したバイオリアクタ内に前記メタン原料有機物を含む液を導入し、メタン菌によりメタン原料有機物を嫌気性発酵してメタンを生成するメタン発酵部とを備えた構成である。なお、特許文献２には、水素生成菌（クロストリジム・バイジェリンキー等）を接種するか、又は接種することなくオカラ等の食品関連廃棄物を湿潤状態で静置し、接種した水素生成菌又は／及び食品関連廃棄物に付着していた水素生成菌を培養し嫌気発酵させて水素を生成することが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１４９９８３
【特許文献２】特開２００３−１６９６８９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した特許文献１の二段階発酵プロセスでは、取り扱う原料が有機性廃液であるため水含有量が多く、自ずと発酵装置も大型化して発酵槽への導入量や流出量が大量となり、また、汚泥の場合等の発酵残さの処理として水を除去する脱水工程に時間と費用がかかる。特許文献２のものでは水素生成菌を接種しなければ水素生成の確実性に欠け、水素生成菌を接種する場合には時間と費用がかかる。ところで、本発明者らは、そのような問題を解消する上で、対象有機廃棄物の種類と水素発酵について検討してきたが、畜産関連廃棄物である動物糞の場合だと、例えば、牛糞単独で嫌気発酵した場合にメタン発酵が進むが、牛糞や鶏糞に米ヌカ等の食品関連廃棄物を混ぜるとメタン発酵に代わって水素発酵が起きることを知見した。本発明の目的は、そのような現象を応用し、有機廃棄物として畜産関連廃棄物と食品関連廃棄物とを用いることで水素生成菌の添加や接種を不要にし、製造プロセス的に簡易かつ経済性に優れた水素発酵方法を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、例えば、牛糞や鶏糞、或いは米ヌカそれぞれ単独の場合は水素が発生しないこと、また、上述したように牛糞や鶏糞を単独で嫌気発酵した場合にメタン発酵が進むが、牛糞や鶏糞に米ヌカ等の食品関連廃棄物を混ぜるとメタン発酵に代わって水素発酵が起きること等を知見した。本発明は、その現象を応用することにより、畜産関連廃棄物と食品関連廃棄物とを密閉系の容器等に入れて嫌気性発酵条件下に保つことで水素を生成可能にしたものである。換言すると、請求項１の本発明は、有機廃棄物を利用した水素発酵方法において、前記有機廃棄物が動物糞を主とする畜産関連廃棄物と植物表皮や殻を主とする食品関連廃棄物とからなり、前記畜産関連廃棄物および食品関連廃棄物を混ぜて廃棄混合物を調整し、該廃棄混合物を嫌気性発酵条件下にて水素を生成することを特徴としている。
【０００８】
以上の発明方法は、湿式法であっても乾式法であっても良い。通常、水素発酵においては湿式法が用いられているが、有機廃棄物に水分を加えて流動性を出すため保守管理が複雑化したり、ランニングコストおよび廃棄物としての最終処分に手間がかかる場合がある。本発明方法は乾式法でも用いることができ、畜産関連廃棄物と食品関連廃棄物とを廃棄された状態のまま取り扱うため保守管理やランニングコスト等で有利となる場合がある。但し、乾式法の場合であっても米ヌカやフスマ等のごとく水分含量が少ないものでは微生物の活動に必要な水分を加え調整する。原料である畜産関連廃棄物と食品関連廃棄物とは、通常、混合した状態から密閉系の容器や培養瓶などに入れるが、収容した後は攪拌混合等の操作は特に必要としない。本発明を実際のプラントとして稼動させる場合はバッチ式に限らず、連続式でもよい。連続式では、畜産関連廃棄物および食品関連廃棄物を密閉式の槽などに添加しながら発酵させるためバッチ式より効率が良好となる。本発明は、畜産関連廃棄物と食品関連廃棄物とを混ぜればよく、連続式の態様も当然に技術範囲に含むものである。
【０００９】
以上の発明は、請求項２〜４のように具体化されることが好ましい。
・請求項２は、前記畜産関連廃棄物が牛糞、鶏糞、豚糞の何れか１もしくは２以上からなるとともに、前記食品関連廃棄物がオカラ、ヌカ、フスマの何れか１もしくは２以上からなる構成である（請求項２）。この点は原料廃棄物の代表的な例を挙げたことに意義がある。なお、本発明の畜産関連廃棄物としては牛糞、鶏糞、豚糞の他に馬糞、象糞も考えられる。本発明の食品関連廃棄物としてはオカラ、ヌカ、フスマの他にパン粉、焼酎や砂糖きびや馬鈴薯や果物などの絞り粕、魚のあらや生ゴミなども考えられる。
・請求項３は、前記廃棄混合物が固形分重量１００ｇ当たり前記畜産関連廃棄物比率３０〜８０％の構成、つまり畜産関連廃棄物と食品関連廃棄物とが固形分で畜産関連廃棄物／食品関連廃棄物比率３０／７０〜８０／２０になっている構成である。この点は、図２から推察されるように水素をより多く生成可能にするためである。より好ましくは廃棄混合物１００ｇ当たり鶏糞等の畜産関連廃棄物比率３５〜８０％である。
・請求項４は、前記廃棄物混合物の水分含有率が４０重量％以上である構成である。この水分含有率は、微生物の活動を維持するためであり、上限値は廃棄物の最終処分を考慮して９５重量％以下にすることである。より好ましくは５０〜９５％である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の水素発酵方法は、有機廃棄物として、動物糞を主とした畜産関連廃物と植物表皮や殻を主とした食品関連廃棄物とを混合するだけで水素生成菌を接種することなく水素を効率よく生成できることと、保守管理やランニングコスト的に有利な乾式法を適用できる等の点で優れている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る水素発酵方法の有用性を実施例により明らかにする。
【実施例】
【００１２】
実施例１と２および比較例１と２は畜産関連廃棄物として鶏糞或いは牛糞を用い、食品関連廃棄物として米ヌカを用いて水素発生の有無を調べたときの試験例である。実施例３〜９は畜産関連廃棄物として鶏糞を用い、食品関連廃棄物として米ヌカ或いはフスマを用いて水素発生量の優劣等を調べたときの試験例である。ここで、各試験では、例えば、鶏糞や牛糞、米ヌカやフスマの所要量を混合容器に入れて、均一に混合した後、該混合物を図１に模式化したような９００ｍｌガラス製試料サンプル培養瓶に収容した。該培養瓶は、コック付きのゴム栓で蓋をし、又、コックにはチューブを接続し、ガス採取袋に繋げる。培養瓶は、ウオーターバスに浸けて温度５０℃に保った。培養瓶内で発生したバイオガスはガス採取袋で捕集すると共に、発生量を測定したりガス分析（ガスクロマトグラフ）を行った。また、原料廃棄物は、採取場所や時期（夏冬）および保管状況により含水量ないしは含水率が多少異なる。実施例１と２および比較例１と２及び３で用いた鶏糞は固形分が２７．４ｗｔ％、牛糞は２３．５ｗｔ％であり、米ヌカは固形分が８９ｗｔ％である。これに対し、比較例５と実施例３〜９で用いた鶏糞は固形分が２６．６ｗｔ％、米ヌカは固形分が８９．５ｗｔ％、フスマは固形分が８７．０ｗｔ％である。比較例３のフスマも固形分が８７．０ｗｔ％である。表１は実施例１と２、比較例１と２をまとめものであり、表２は実施例３〜９、比較例４と５をまとめたものである。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
【表２】
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【００１５】
（実施例１）鶏糞１１５．３ｇ（水分７２．６ｗｔ％）と、米ヌカ７６．９ｇ（水分１１ｗｔ％）とを均一に混合し、図１に類似する形態で窒素を充填した密封した培養瓶に入れ、５０℃の温度下にて１週間、攪拌せずそのままの状態で発酵（嫌気性発酵）させた。培養瓶内で発生したバイオガスはガス採取袋にて採集し、ガスクロマトグラフにて成分を分析した。この結果、発生バイオガスの総量は７．２Ｌであり、このうち水素量は２．３Ｌ（バイオガス総量に対して３２％）であった。また、バイオガスの水素以外の成分は二酸化炭素がほとんどであり、微量な硫化水素が含まれる。なお、以上の試験条件において、培養瓶に窒素ではなく酸素を充填した状態で発酵させたときにも水素が発生した。これは、酸素がある間は好気性細菌が働き、酸素が無い状態では嫌気性細菌が働いているものと推察される。
【００１６】
（実施例２）牛糞３２０ｇ（水分７６．５ｗｔ％）と、米ヌカ８０ｇ（水分１１ｗｔ％）と水８０ｇとを均一に混合し、図１に類似する培養瓶に入れ、５０℃の温度下にて１週間、攪拌せずそのままの状態で発酵させた。この結果、発生バイオガスの総量は５．４Ｌであり、このうち水素量は１．４Ｌ（バイオガス総量に対して２６％）であった。また、バイオガスの水素以外の成分は二酸化炭素がほとんどであり、微量な硫化水素が含まれる。なお、別の試験からは、牛糞の場合は米ヌカと同時に貝殻粉を入れると水素発酵が促進されることが分かった。
【００１７】
（比較例１と２）鶏糞３６５．０ｇ（水分７２．６ｗｔ％）だけを図１に類似する培養瓶に入れ、５０℃の温度下にて１週間、攪拌せずそのままの状態で発酵させた。この結果、発生バイオガスの総量は１．２Ｌであり、このうち水素量はほぼゼロ（ガスクロマトグラフ分析０．５％以下）であった。また、牛糞４００ｇ（水分６９．５ｗｔ％）だけを図１に類似する培養瓶に入れ、５０℃の温度下にて１週間、攪拌せずそのままの状態で発酵させた。この結果、発生バイオガスの総量は１．０Ｌであり、このうち水素量はほぼゼロ（ガスクロマトグラフ分析０．５％以下）であった。
【００１８】
（比較例３）米ヌカ１１２．４ｇ（水分１１ｗｔ％）に水１６８．０ｇを混ぜて図１に類似する培養瓶に入れ、５０℃の温度下にて１週間、攪拌せずそのままの状態で発酵させた。この結果、発生バイオガスの総量は０．２Ｌであり、このうち水素量はほぼゼロ（ガスクロマトグラフ分析０．５％以下）であった。
【００１９】
（比較例４）フスマ１７２．４１ｇ（水分１３ｗｔ％）に水１２７．６ｇを混ぜて図１に類似する培養瓶に入れ、５０℃の温度下にて１週間、攪拌せずそのままの状態で発酵させた。この結果、発生バイオガスの総量は０．３Ｌであり、このうち水素量は０．０２Ｌ（バイオガス総量に対して６．６％）と微量であった。この水素発生量は水素生成方法として少なすぎて有効でないことを示している。
【００２０】
（比較例５）比較例１と同様に鶏糞５６３．９１ｇ（水分７３．４ｗｔ％）だけを図１に類似する培養瓶に入れ、５０℃の温度下にて１週間、攪拌せずそのままの状態で発酵させた。この結果、発生バイオガスの総量は１．７Ｌであり、このうち水素量はほぼゼロ（ガスクロマトグラフ分析０．５％以下）であった。
【００２１】
（実例例３〜９）この試験は、表２に示されるように、鶏糞と米ヌカとの混合比率が水素発酵にどの様に影響するの点（実施例３〜７）、含水率が変わると水素発酵にどの様に影響するかの点（実施例６と８）、米ヌカに代えてフスマを用いた場合に米ヌカと同じ効果が得られるかの点（実施例９）を調べたときのものである。
【００２２】
（評価）鶏糞と米ヌカの混合比率と水素発酵の関係は図２に示す傾向となる。縦軸は水素発生量であり、横軸は鶏糞比率（固形分の鶏糞／米ヌカ比率）である。図２からは水素量を多く得る上で、鶏糞と米ヌカとの固形分混合比が鶏糞比率で３０〜８０％の範囲にすることが好ましいと言える。また、実施例６と８とを比較すると、含水率が実施例６の５４．０１％のものに対し、実施例８の７０．００％のものでは水素発生量が極めて多く約５倍になることが分かる。更に、実施例６と９とを比較すると、フスマは米ヌカと同様な効果があることが分かる。具体的には、混合比率で鶏糞／米ヌカ＝４０／６０である実施例６では水素発生量（廃棄混合物１００ｇ当たり）が０．３Ｌとなるのに対し、鶏糞／フスマ＝４０／６０である実施例９では水素発生量０．１７Ｌとなる。以上のように、本発明の水素発酵方法は従来のような微生物を接種するという煩雑性がなく、比較的大量の水素を乾式法にて生成できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】発明実施例の試験方法を説明するための模式図である。
【図２】実施例の評価結果を示すグラフである。
【図３】従来技術を説明するための参考図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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