(57)【要約】【課題】  水素エネルギー回収型有機性廃棄物分解・減容方法を提供すること。【解決手段】  有機性廃棄物を粉砕し、滅菌または殺菌した後、これを水で希釈して固形分濃度が１〜３５ｗ／ｖ％の範囲のスラリー状態とする前処理工程と、前記前処理工程で調製された有機性廃棄物スラリーと少なくとも１種類以上の嫌気性水素生成菌とを嫌気性雰囲気下で混合し、嫌気性水素生成菌の働きにより有機性廃棄物を分解・減容するとともに、水素含有ガスを生成させる本処理工程と、前記本処理工程によって生成した水素含有ガスと有機性廃棄物の分解・減容残査を系内から分離・排出する後処理工程を少なくとも含んでなるシステムにて行うことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性廃棄物を水素エネルギーの回収を伴って分解・減容する方法であって、有機性廃棄物を粉砕し、滅菌または殺菌した後、これを水で希釈して固形分濃度が１〜３５ｗ／ｖ％の範囲のスラリー状態とする前処理工程と、前記前処理工程で調製された有機性廃棄物スラリーと少なくとも１種類以上の嫌気性水素生成菌とを嫌気性雰囲気下で混合し、嫌気性水素生成菌の働きにより有機性廃棄物を分解・減容するとともに、水素含有ガスを生成させる本処理工程と、前記本処理工程によって生成した水素含有ガスと有機性廃棄物の分解・減容残査を系内から分離・排出する後処理工程を少なくとも含んでなるシステムにて行うことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記有機性廃棄物スラリーの固形分濃度を３〜１５ｗ／ｖ％の範囲とすることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記有機性廃棄物スラリーの固形分濃度を４〜１０ｗ／ｖ％の範囲とすることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記前処理工程のいずれかの段階で油分離を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記本処理工程における嫌気性雰囲気を酸素濃度１ｖ／ｖ％以下とすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記本処理工程を使用する嫌気性水素生成菌に応じた好適な菌濃度、温度、ｐＨに必要に応じて調整して行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記有機性廃棄物が、一般家庭、レストラン、食品工場などから排出される生ゴミであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記水素含有ガスから純度９９ｖ／ｖ％以上の水素ガスを精製・分離する水素ガス精製・分離工程をさらに含んでなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記水素ガス精製・分離工程において純度９９ｖ／ｖ％以上の水素ガスを精製・分離した後の残査ガスを本処理工程の系内に嫌気性雰囲気形成ガスとして供給するようにしたことを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記水素ガス精製・分離工程において精製・分離した純度９９ｖ／ｖ％以上の水素ガスをエネルギー変換してシステム稼動用エネルギーとして利用するようにしたことを特徴とする請求項８または９記載の方法。
【請求項１１】
前記有機性廃棄物スラリーを本処理工程の系内に連続的乃至断続的に投入し、かつ、その分解・減容残査を系内から連続的乃至断続的に排出するようにしたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記有機性廃棄物スラリーの本処理工程の系内への投入を、前バッチの分解・減容残査の少なくとも５０ｗｔ％が新しい有機性廃棄物スラリーに置き換わるように行うことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
嫌気性水素生成菌としてクロストリジウム属（Chlostridium）に属する菌を使用することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
クロストリジウム属（Chlostridium）に属する菌がクロストリジウム・アセトブチリカム種（Chlostridium acetobutyricum）に属する菌であることを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
クロストリジウム・アセトブチリカム種（Chlostridium acetobutyricum）に属する菌がＪＣＭ１４１９株であることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
本処理工程の系内に好気性菌および／または通性嫌気性菌を共存させることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
有機性廃棄物を粉砕し、滅菌または殺菌した後、これを水で希釈して固形分濃度が１〜３５ｗ／ｖ％の範囲のスラリー状態とする前処理工程（工程のいずれかの段階で油分離を行う）と、前記前処理工程で調製された有機性廃棄物スラリーと少なくとも１種類以上の嫌気性水素生成菌とを嫌気性雰囲気下で混合し、嫌気性水素生成菌の働きにより有機性廃棄物を分解・減容するとともに、水素含有ガスを生成させる本処理工程と、前記本処理工程によって生成した水素含有ガスと有機性廃棄物の分解・減容残査を系内から分離・排出する後処理工程を少なくとも含んでなることを特徴とする有機性廃棄物を水素エネルギーの回収を伴って分解・減容するためのシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、循環型社会および水素ネットワーク供給社会の実現に貢献する水素エネルギー回収型有機性廃棄物分解・減容方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般家庭、レストラン、食品工場などから排出される生ゴミなどの有機性廃棄物は、焼却法、埋立て法、コンポスト堆肥化法などで処理されている。しかし、焼却法には水分を蒸発させるため多大なエネルギーを浪費するとともに、混合物の高温燃焼によって新たな環境汚染物質を発生するといった問題がある。埋立て法には地域制約があり、温暖化効果の高いメタンガスの大気放出を惹起するといった問題がある。コンポスト堆肥化法には副生物の安定供給が必要となるといった問題がある。
【０００３】
２００３年以降、ダイオキシンなどに関する特別措置法の施行に基づき、中小焼却炉で有機性廃棄物の焼却が出来なくなったこと、食品リサイクル法により食品関連事業者は廃棄物の発生量をこれまで以上に減らさなければならなくなったことなどにより、バイオ処理システムの開発に拍車がかかっている。
【０００４】
これに伴い、有機性廃棄物の現地分解・減容手段として、近年、好気性微生物を利用した中小規模（各個人が装置入口まで生ゴミを持ち込める規模）の所謂、生ゴミ分解・減容機が売り出され、生ゴミの分解・減容の容易性が謳われているが、生ゴミの実固形分の分解・減容評価は難しく、実際には粉砕したものが水と共に排出されているだけか、生ゴミ中の水分が蒸発飛散した分しか減容されていないのが大方の実態である。さらに、このタイプの処理機が、仮に生ゴミを分解・減容できたとしても、その分解物は炭酸ガスである。従って、このような処理機では、生ゴミの破砕や好気発酵のための加温、水分蒸発に要するエネルギーが多大であることに加え、温暖化ガス発生、化石エネルギー資源枯渇を促進させることになる。
【０００５】
一方、エネルギー回収型のバイオ処理システムとして、現在、日本において普及しつつあるシステムは、一つは生ゴミをメタン発酵して得られたメタンガスでガスタービンを稼働させて電力を得るシステムで、もう一つは得られたメタンガスを改質して水素ガスとした後、燃料電池などで発電するシステムである。しかし、メタン発酵の速度ならびに得られたメタンガスを改質するために必要なエネルギーなどを考慮した場合、このようなシステムを稼動させるためには、エネルギー収支およびコスト採算的には大規模施設を建設する必要があり、もともとのゴミ収集広域化問題を考慮した場合、本末転倒なことになってしまう。
【０００６】
さて、もともと単糖類からのメタン発酵は水素生成を経由している。従って、上述した問題を解決しうるシステムとして、生ゴミからの直接的な水素生成ならびに生成した水素を燃料とする燃料電池発電を組み合わせたシステムが考えられる。このようなシステムによれば、メタン資化に要する反応時間が不要であるとともに、メタン改質も不要なことから、簡便で規模的にもエネルギー消費的にも小型化が可能であり、また、燃料電池から得られた電力によりシステム全体のエネルギーをまかなうことが可能である。
【０００７】
一方、従来から微生物を用いた水素製造方法が種々知られている。また、水素生成微生物は、水素生成量の大小を別にすれば、意外と多く自然界に存在し、種々のものが利用されている。具体的には、特許文献１には、光合成菌のロドシュードモナス・パルストリス（Rhodopseudomonas palustris）Ｒ−１株を使用し、食品工場などから出る糖廃液を嫌気処理することで水素を発生させる技術が開示されている。
【０００８】
しかし、光合成菌による反応は極めて遅く、大規模な装置でなければ実用に供することができない。また、光合成菌に光を均一に効果的に付与すること、化石燃料や原子力発電エネルギーを使わずに水素を発生させることには困難を伴う。
【０００９】
これに対し、嫌気性反応では、菌増殖に必要な栄養分を供給すれば迅速な反応が可能であることから、装置の小型化を図ることができる。このような考えに基づき、嫌気性反応を用いた水素製造方法が種々知られている。具体的には、特許文献２には、クロストリジウム・ブチリカム種（Clostridium butyricum）に属する特定菌株を用いて、高水素分圧環境下において水素生産を行う技術が開示されている。しかし、特許文献２では、グルコース基質の培地および大豆粕からの水素発生が謳われているものの、生ゴミからの水素発生については述べられていない。さらに、特許文献２におけるグルコース基質の培地および大豆粕からの水素発生は、１０数時間〜４日程度の１バッチでの結果であり、この方法では連続的に水素を生成させて取り出すことができないという問題がある。
【００１０】
また、特許文献３には、主にクロストリジウム・バイジェリンキー（Clostridium beijerinckii）ＡＭ２１Ｂ株、クロストリジウム sp（Clostridium sp.）Ｎｏ．２株、クロストリジウム sp（Clostridium sp.）Ｘ５３株を利用して、２，３種類の栄養素から水素生産が可能であることが示されている。しかし、ここに記載された方法では、栄養素毎に希釈度などの条件がまちまちであり、また、その希釈度も１００倍〜３００倍と高希釈のものが主である。従って、このような希釈度では、水の使用量過多、水の顕熱エネルギーの処遇といった問題があり実用的でない。さらに、実施例中の水素発生量は、４ｍｏｌ／グルコースｕｎｉｔ  ｍｏｌの理論量を超えており、その信憑性には疑問がある。さらに、表１に示すような栄養素成分からなる典型的な実際の生ゴミ（市販弁当残渣）に対し、２４時間を越えての水素生成率として、糖質の１．１５ｗｔ％、蛋白質の０．２７ｗｔ％、食物繊維の０．４５ｗｔ％を適用したとしても、実質的に生ゴミ固形分重量あたり０．６２ｗｔ％程度であるので自給率には残念ながら届かない。以上のような状況に鑑みると、実際に本質的なエネルギー自給を可能とし、中小規模で、油分や腐敗物が一部含まれるなどする種々雑多な生ゴミを連続的に、かつ、実用的に処理するためには、ある一定の好適な処理条件を形成するために、固形分濃度、油分含有量、粉砕の有無、滅菌または殺菌の有無などを適宜設定した前処理工程を具備した上で、分解・減容時間１２時間以内で、生ゴミ固形分重量あたり０．７ｗｔ％を上回る半連続的〜連続的な水素生成量の維持を可能とするシステムが必要である。
【００１１】
【表１】
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【００１２】
エネルギー消費の少ない生ゴミ処理を目指すにあたっては、エネルギー自給および総エネルギーコストの側面から、生ゴミが発生した場所で個人がその処理を行うことが可能な中小規模のオンサイト型処理装置が必要となる。オンサイト型処理装置で生ゴミ処理を行うための必要条件としては、１２時間程度で分解・減容できることと、生ゴミ固形分重量あたり０．７ｗｔ％を上回る半連続的〜連続的な水素生成量の維持ができることといった条件が挙げられる。オンサイト型処理装置でエネルギー自給を目指すには、ある程度連続的に水素が発生することが必要であり、種々雑多な生ゴミを連続的に処理するには、設定された好適条件下に原料となる生ゴミが一定期間維持される必要がある。このための必要条件として前処理工程は重要である。前処理工程として考慮すべき事項としては、例えば、原料としての生ゴミに必要な栄養素が含有されているか、粉砕の必要性、油分の除去程度はどのくらいか、固形分濃度を一定範囲に調整できているか、滅菌または殺菌の必要性などが挙げられる。
【特許文献１】特開平１０−８４９８４号公報
【特許文献２】特開平８−２５２０８９号公報
【特許文献３】特開２００１−１５７５９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、上述した各特許文献で示された従来の有機性廃棄物処理方法、特に、水素生成を行う方法では、水素生成にのみ着眼していることから、実際の種々雑多な生ゴミを処理する場合においては、総エネルギーコストなどの点において満足できる方法ではない。
【００１４】
具体的には、生ゴミからメタン発酵を経て、改質水素を得、電力供給する場合、メタン発酵速度が遅いこと、改質機が高エネルギー負荷であることから、装置のエネルギー自給の為には装置を大型化する必要がある（例えば処理量６トン／日以上）。しかし、このことは広域回収を前提とし、運搬エネルギーの増加に繋がる。
【００１５】
また、光合成菌を使用する場合には、光を有効利用するための装置の大面積化や稼働時間の限定などといった問題が生じる。
【００１６】
これらを考慮して、嫌気性水素生成菌を用いる方法も提案されているが、エネルギー自給に関しては何ら触れておらず、また、実際の生ゴミを処理した例はなく、種々雑多な要因を含む生ゴミには対応が困難であると言わざるを得ない。
【００１７】
そこで本発明は、上記の事情に鑑み、実際の生ゴミを連続的に分解・減容する際に、中小規模でもエネルギー回収およびエネルギー自立が可能な、高効率かつ低コストな方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の技術背景をもとになされた本発明の有機性廃棄物を水素エネルギーの回収を伴って分解・減容する方法は、請求項１記載の通り、有機性廃棄物を粉砕し、滅菌または殺菌した後、これを水で希釈して固形分濃度が１〜３５ｗ／ｖ％の範囲のスラリー状態とする前処理工程と、前記前処理工程で調製された有機性廃棄物スラリーと少なくとも１種類以上の嫌気性水素生成菌とを嫌気性雰囲気下で混合し、嫌気性水素生成菌の働きにより有機性廃棄物を分解・減容するとともに、水素含有ガスを生成させる本処理工程と、前記本処理工程によって生成した水素含有ガスと有機性廃棄物の分解・減容残査を系内から分離・排出する後処理工程を少なくとも含んでなるシステムにて行うことを特徴とする。
また、請求項２記載の方法は、請求項１記載の方法において、前記有機性廃棄物スラリーの固形分濃度を３〜１５ｗ／ｖ％の範囲とすることを特徴とする。
また、請求項３記載の方法は、請求項１または２記載の方法において、前記有機性廃棄物スラリーの固形分濃度を４〜１０ｗ／ｖ％の範囲とすることを特徴とする。
また、請求項４記載の方法は、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法において、前記前処理工程のいずれかの段階で油分離を行うことを特徴とする。
また、請求項５記載の方法は、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法において、前記本処理工程における嫌気性雰囲気を酸素濃度１ｖ／ｖ％以下とすることを特徴とする。
また、請求項６記載の方法は、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法において、前記本処理工程を使用する嫌気性水素生成菌に応じた好適な菌濃度、温度、ｐＨに必要に応じて調整して行うことを特徴とする。
また、請求項７記載の方法は、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法において、前記有機性廃棄物が、一般家庭、レストラン、食品工場などから排出される生ゴミであることを特徴とする。
また、請求項８記載の方法は、請求項１乃至７のいずれかに記載の方法において、前記水素含有ガスから純度９９ｖ／ｖ％以上の水素ガスを精製・分離する水素ガス精製・分離工程をさらに含んでなることを特徴とする。
また、請求項９記載の方法は、請求項８記載の方法において、前記水素ガス精製・分離工程において純度９９ｖ／ｖ％以上の水素ガスを精製・分離した後の残査ガスを本処理工程の系内に嫌気性雰囲気形成ガスとして供給するようにしたことを特徴とする。
また、請求項１０記載の方法は、請求項８または９記載の方法において、前記水素ガス精製・分離工程において精製・分離した純度９９ｖ／ｖ％以上の水素ガスをエネルギー変換してシステム稼動用エネルギーとして利用するようにしたことを特徴とする。
また、請求項１１記載の方法は、請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法において、前記有機性廃棄物スラリーを本処理工程の系内に連続的乃至断続的に投入し、かつ、その分解・減容残査を系内から連続的乃至断続的に排出するようにしたことを特徴とする。
また、請求項１２記載の方法は、請求項１１記載の方法において、前記有機性廃棄物スラリーの本処理工程の系内への投入を、前バッチの分解・減容残査の少なくとも５０ｗｔ％が新しい有機性廃棄物スラリーに置き換わるように行うことを特徴とする。
また、請求項１３記載の方法は、請求項１乃至１２のいずれかに記載の方法において、嫌気性水素生成菌としてクロストリジウム属（Chlostridium）に属する菌を使用することを特徴とする。
また、請求項１４記載の方法は、請求項１３記載の方法において、クロストリジウム属（Chlostridium）に属する菌がクロストリジウム・アセトブチリカム種（Chlostridium acetobutyricum）に属する菌であることを特徴とする。
また、請求項１５記載の方法は、請求項１４記載の方法において、クロストリジウム・アセトブチリカム種（Chlostridium acetobutyricum）に属する菌がＪＣＭ１４１９株であることを特徴とする。
また、請求項１６記載の方法は、請求項１乃至１５のいずれかに記載の方法において、本処理工程の系内に好気性菌および／または通性嫌気性菌を共存させることを特徴とする。
また、本発明の有機性廃棄物を水素エネルギーの回収を伴って分解・減容するためのシステムは、請求項１７記載の通り、有機性廃棄物を粉砕し、滅菌または殺菌した後、これを水で希釈して固形分濃度が１〜３５ｗ／ｖ％の範囲のスラリー状態とする前処理工程（工程のいずれかの段階で油分離を行う）と、前記前処理工程で調製された有機性廃棄物スラリーと少なくとも１種類以上の嫌気性水素生成菌とを嫌気性雰囲気下で混合し、嫌気性水素生成菌の働きにより有機性廃棄物を分解・減容するとともに、水素含有ガスを生成させる本処理工程と、前記本処理工程によって生成した水素含有ガスと有機性廃棄物の分解・減容残査を系内から分離・排出する後処理工程を少なくとも含んでなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、例えば、８０ｖ／ｖ％内外の水分を含み、焼却処理に不向きな生ゴミに対しても、広域回収や運搬エネルギーの増加などを必要とすることなく、発生地処理にて固形分として２０ｗ／ｗ％以上の減容が可能であり、また、水素を効率的に生成させて、生成した水素をエネルギー変換することで、システムの稼動エネルギーを賄うことが可能な水素エネルギー回収型有機性廃棄物分解・減容方法が提供される。本発明の方法で生ゴミを処理した場合、水素が生成するとともに、水素に対して０．５〜１モル比の二酸化炭素（炭酸ガス）および有機酸が生成し、生ゴミを確実に分解することができる。従って、この方法は、すでに市販されているような所謂、生ゴミ分解・減容機とは一線を画すものである。本発明の方法では、水素ガスや炭酸ガスなどからなるガスを得ることができるので、メタン発酵で得られるバイオガスから水素ガスを精製・分離する場合のようにガスを燃焼させたりガスに対して燃焼熱を要する改質反応を行ったりすることなしに、また、一酸化炭素や硫化水素などの除去を必要とすることなしに、炭酸ガスのアルカリ吸収や膜分離のような簡便な方法によって、得られた水素含有ガスから純度９９ｖ／ｖ％以上の水素ガスを精製・分離することができる。そして、純度９９ｖ／ｖ％以上の水素ガスを精製・分離した後の残査ガスは、本処理工程における嫌気性雰囲気形成ガスとして使用することができる。また、１２時間程度の本処理工程で、水素生成率を有機性廃棄物固形分重量あたり０．７ｗｔ％以上とすることができるので、生成した水素のエネルギー変換後のエネルギー量をシステムの稼動エネルギーを賄える量以上の量とすることができる。また、本発明の方法でのエネルギー消費は、有機性廃棄物の粉砕、スラリーの攪拌、スラリーや液の圧送、ガスの圧送、発酵槽の加熱程度で済み、エネルギー自立可能な規模のレベルが十分に低いものである。また、本発明の方法においては、原料となる有機性廃棄物スラリーを連続的乃至断続的に投入し、かつ、その分解・減容残査を連続的乃至断続的に排出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の水素エネルギー回収型有機性廃棄物分解・減容方法の一実施態様の概略構成を示すブロック図である。
【００２１】
前処理工程は、有機性廃棄物を粉砕し、油分離し、殺菌した後、これを水で希釈して固形分濃度が１〜３５ｗ／ｖ％の範囲のスラリー状態とする工程である。前処理工程は、続いて行う本処理工程において、嫌気性水素生成菌の働きを最大限に発揮させるために重要な工程である。有機性廃棄物の粉砕は、例えば、ディスポーザーやミキサーなどを用いて０．１〜２０ｍｍ程度に大きさになるくらいまで行うことが望ましい。油分離は、有機性廃棄物スラリーに含まれる油分濃度が７ｖ／ｖ％以下になるまで行うことが望ましく、５ｖ／ｖ％以下になるまで行うことがより望ましく、３ｖ／ｖ％以下になるまで行うことがさらに望ましい。油分離は、有機性廃棄物をスラリー状態とした後などに行ってもよい。殺菌（滅菌であってもよい）は、加熱条件として、６０℃で１５分以上行うことが望ましく、７０℃で１５分以上行うことがより望ましく、８０℃で３０分以上行うことがさらに望ましい。殺菌は、マイクロ波によって行ってもよい。マイクロ波を使用すれば、省エネルギー化のもとに短時間で殺菌を行うことができる。また、マイクロ波の使用は、システムの小型化にも寄与する。有機性廃棄物スラリーの固形分濃度は、３〜１５ｗ／ｖ％の範囲とすることが望ましく、４〜１０ｗ／ｖ％の範囲とすることがより望ましい。
【００２２】
本処理工程は、前処理工程で調製された有機性廃棄物スラリーと少なくとも１種類以上の嫌気性水素生成菌とを嫌気性雰囲気下で混合し、嫌気性水素生成菌の働きにより有機性廃棄物を分解・減容するとともに、水素含有ガスを生成させる工程である。嫌気性水素生成菌は、１種類の菌を単独で使用してもよいし、複数種類の菌を混合して使用してもよい。嫌気性水素生成菌としては、例えば、特許文献３に記載のクロストリジウム・バイジェリンキー（Clostridium beijerinckii）ＡＭ２１Ｂ株、クロストリジウム sp（Clostridium sp.）Ｎｏ．２株、クロストリジウム sp（Clostridium sp.）Ｘ５３株などのような、公知のクロストリジウム属に属する嫌気性水素生成菌などを使用してもよいが、独立行政法人理化学研究所に登録されているクロストリジウム・アセトブチリカム（Chlostridium acetobutyricum）ＪＣＭ（Japan Collection of Microorganisms）１４１９株を使用することが望ましい。クロストリジウム・アセトブチリカムは、発酵によりアセトンやブタノールを生成する嫌気性菌として古くから知られているものであるが、ＪＣＭ１４１９株の発酵による生ゴミからの優れた水素生成能は本発明者らによって今般初めて見出されたものである。本処理工程における嫌気性雰囲気は、窒素置換などの方法により、酸素濃度１ｖ／ｖ％以下とすることが望ましい。酸素濃度が１ｖ／ｖ％を超えると、嫌気性水素生成菌の働きに悪影響を及ぼすおそれがあるからである。本処理工程は、使用する嫌気性水素生成菌に応じた好適な菌濃度、温度、ｐＨに必要に応じて調整して行うことが望ましい。例えば、嫌気性水素生成菌としてＪＣＭ１４１９株を使用する場合、発酵槽内の菌濃度を１０3〜１０9Ｃｅｌｌｓ／ｍＬの範囲、温度を３０〜４５℃の範囲、ｐＨを３．８〜７．５の範囲に調整することが望ましい。なお、嫌気性水素生成菌は、ポリプロピレン発泡体などのポリオレフィン発泡体、竹や木炭、吸水性ポリマー、セルロース粒子、アガロースやカラギーナンやアルギン酸ゲルなどのポリマー高分子などの担体に自体公知の方法で固定化して使用してもよい。担体に固定化せずに使用してもよいが、担体に固定化して使用した場合には、後処理工程を行った後にその再利用を行うための有機廃棄物の分解・減容残渣との分離が容易になるといった利点がある。
【００２３】
本処理工程において、有機性廃棄物は、嫌気性水素生成菌の働きにより発酵槽内で分解されて水素含有ガスや有機酸を生成する。例えば、分解対象となる有機性廃棄物としてグルコース（C6H12O6）を想定した場合、グルコースは嫌気性水素生成菌の働きにより、一般に下記のような化学反応式に基づいて、主として有機酸と二酸化炭素と水素に分解される。
(1)  C6H12O6 + 2H2O → 2CH3COOH + 2CO2 + 4H2
(2)  C6H12O6 → CH3CH2CH2COOH + 2CO2 + 2H2
【００２４】
後処理工程は、本処理工程によって生成した水素含有ガスと有機性廃棄物の分解・減容残査を系内から分離・排出する工程である。水素含有ガスは、例えば、発酵槽の上部に設けたガス捕集部にて捕集することで、有機性廃棄物の分解・減容残査と分離することができる。水素含有ガスをガス捕集部にて迅速に捕集することで、上述したような化学反応の進行を促進させることができる。有機性廃棄物の分解・減容残渣には有機酸が共存する。水素含有ガスと分離された有機酸を含む残渣は、メタン生成菌の作用によりメタンを生成させるために利用してもよいし、光合成菌により水素を発生させるために利用してもよい。また、有機酸を含む残渣は、化学原料、土壌中和材、トイレタリー商品などとして利用することも可能である。
【００２５】
水素含有ガスは、主として水素ガスと炭酸ガスからなる。従って、炭酸ガスのアルカリ吸収や膜分離のような簡便な方法で、この水素含有ガスから純度９９ｖ／ｖ％以上の水素ガスを容易に精製・分離することができる。こうした水素ガス精製・分離工程によって得られた高純度水素ガスは、エネルギー変換してシステム稼動用エネルギーとして利用することが望ましい。例えば、高純度水素ガスを燃料電池に送って電気を発生させ、発生した電気を、有機性廃棄物の粉砕、スラリーの攪拌、スラリーや液の圧送、ガスの圧送、発酵槽の加熱などの動力源とすれば、システムのエネルギー自立を容易に行うことができる。しかし、水素ガス精製・分離工程によって得られた高純度水素ガスをシステム外部において利用してもよいことは言うまでもない。
【００２６】
一方、水素ガス精製・分離工程において純度９９ｖ／ｖ％以上の水素ガスを精製・分離した後の残査ガスは、本処理工程の系内に嫌気性雰囲気形成ガスとして供給するようにして有効利用を図ることが望ましい。
【００２７】
なお、有機性廃棄物の処理を効率よく行うためには、有機性廃棄物スラリーを本処理工程の系内に連続的乃至断続的に投入し、かつ、その分解・減容残査を系内から連続的乃至断続的に排出するようにすることが望ましい。上述したように、嫌気性水素生成菌を、ポリプロピレン発泡体などのポリオレフィン発泡体、竹や木炭、吸水性ポリマー、セルロース粒子、アガロースやカラギーナンやアルギン酸ゲルなどのポリマー高分子などの担体に自体公知の方法で固定化して用いれば、分解・減容残査からの嫌気性水素生成菌の分離を簡便に行うことができることから、処理効率の向上を図ることができる。
【００２８】
有機性廃棄物スラリーを本処理工程の系内に連続的乃至断続的に投入する場合、前バッチの分解・減容残査の少なくとも５０ｗｔ％が新しい有機性廃棄物スラリーに置き換わるように行うことが望ましい（前バッチの分解・減容残査を全て新しい有機性廃棄物スラリーに置き換えてもよい）。
【００２９】
また、本処理工程における嫌気性雰囲気の形成を効率的に行うためなどに、本処理工程の系内に好気性菌および／または通性嫌気性菌を、例えば、その菌濃度が１０3〜１０9Ｃｅｌｌｓ／ｍＬとなるように共存させて（担体に固定化してもしなくてもよいが固定化した場合には処理効率の向上を図ることができることは上記の通りである）、系内の酸素をこれらに消費させてもよい。酸素の消費量が多く、嫌気条件でも死滅しない好適な好気性菌としては、バチルス属（Bacillus）に属する菌が挙げられる。また、酸素の消費量が多く、嫌気性水素生成菌の働きを損なわない好適な通性嫌気性菌としては、エンテロバクター属（Enterobacter）に属する菌や、クレブシーラ属（Klebsiella）に属する菌が挙げられる。
【００３０】
嫌気性水素生成菌としてＪＣＭ１４１９株を使用し、本発明の方法によって固形分比率が２５ｗ／ｖ％程度の生ゴミを処理した場合、水素生成率を生ゴミ固形分重量あたり０．７ｗｔ％以上とすることが可能であり、例えば、１世帯１ｋｇ／Ｄで発生する生ゴミ２４世帯分を処理すると、水素を４１．４ｍｏｌ／Ｄ、即ち、９２７Ｌ／Ｄで得ることも可能となる。こうして得られた水素を電気にエネルギー変換すれば、１．１ｋＷｈ／Ｄでシステム稼動のために利用することができる。
【実施例】
【００３１】
以下、本発明の水素エネルギー回収型有機性廃棄物分解・減容方法について実施例によって更に詳細に説明するが、本発明は以下の記載に限定して解釈されるものではない。
【００３２】
実施例１−１：
（実験方法）
１．前処理工程
処理対象物である前出の表１に示す栄養素成分からなる市販弁当残渣（残渣発生当日）を、ミキサーを用いておおよそ数ｍｍ以下の大きさに粉砕し、８０℃で３０分加熱して殺菌した。続いてこれを水で希釈して固形分濃度が６ｗ／ｖ％のスラリー状態とし、１分間静置してから表層の油分を漉き取って、油分濃度が３ｖ／ｖ％以下の市販弁当残渣スラリーを調製した。
２．本処理工程
前処理工程で調製した市販弁当残渣スラリーをデュア瓶中で、嫌気状態 (窒素置換) 化し、系内気相の酸素濃度を０．２ｖ／ｖ％以下とした。ここに、予め表２に示した成分組成（５００ｍＬあたり）の培地で嫌気培養したＪＣＭ１４１９株を、その菌濃度が１０6〜１０7Ｃｅｌｌｓ／ｍＬとなるように、担体に固定することなく嫌気状態を保持したままで混合し、３７℃で８０ｒｐｍの攪拌状態を維持して市販弁当残渣を分解・減容するとともに、水素含有ガスを生成させた。水素含有ガスの発生は本処理工程開始から４時間経過後に始まった。なお、系内のｐＨ調整は行わなかった（ＪＣＭ１４１９株を混合して植菌を行った後の本処理工程開始時の系内のｐＨは約５．４）。
３．後処理工程
生成した水素含有ガスをデュア瓶上部に接続したノズルより取り出し、水中捕集管に捕集した。経時的に捕集ガス量を計測し、捕集したガスをサンプリングし、ガスクロマトグラフィー（島津製作所社製：GC-14B PTF, 4m×3mmφ, Ar1.6kg/cm2）ＴＣＤ検出で分析してガス成分比から水素発生量を求め、水素生成率を算出した。また、生成したガスの捕集を終了した後のデュア瓶中の反応残渣を１０５℃で１２時間乾燥し、減容率を算出した。減容率の算出は、“  減容率(w/w%)={1-(残渣液中の固形分(g)/処理した市販弁当残渣重量(g))}X100  ”の数式に基づいて行った。
【００３３】
【表２】
2007000811.tif 000004
【００３４】
（実験結果）
本処理工程を２４時間行うことで、市販弁当残渣重量あたり１．５ｗｔ％の水素発生率を達成することができた。また、減容率は２８ｗ／ｗ％と優れたものであった。さらに、この方法は、外部エネルギーの供給がなくても稼働可能であり、エネルギー自立を図ることができるものであることがわかった。なお、エネルギー自立の判定は以下のエネルギー収支の試算によって行った（以下同じ）。
処理量：    有機性廃棄物（Wet100kg/D,Dry25kg/D:一般家庭100軒）
必要電力：  前処理工程      0.5kWh/D
水素発酵槽      2.2kWh/D
水素精製器      0.4kWh/D
流通系          1.8kWh/D
合計4.1kWh/D
発電能力：                  5.4kWh/D
（水素回収量300g,1.2wt%/solid25%/24hrsとして計算）
【００３５】
なお、本来、規模が全く異なるが、以下のようなラフなメタン発酵ケースの収支と比較しても、この方法の優位性は明らかであった。
処理量：    有機性廃棄物（Wet100kg/D,Dry25kg/D:一般家庭100軒）
必要電力：  前処理工程      1.3kWh/D
溶解槽          8.6kWh/D
メタン発酵槽    2.8kWh/D
水素改質器     30.0kWh/D（発生メタン燃焼にて賄い得る）
消散槽          4.1kWh/D（大規模装置を処理量比例として試算）
流通系          6.3kWh/D
合計53.1kWh/D
発電能力：                 27.6kWh/D（水素回収量1534gとして計算）
【００３６】
実施例１−２：
実施例１−１において、本処理工程を継続させると、開始から４８〜１２０時間経過後に水素含有ガスの発生が極めて少なくなった。この原因としてｐＨの低下が考えられたので、ｐＨ調整剤として１ＮのＮａＯＨ水溶液をデュア瓶中に添加することでｐＨを７に調整したが、水素発生量は回復しなかった。また、原料の枯渇も考えられたので、デュア瓶中に初期処理量の１０ｗｔ％程度の新たな市販弁当残渣スラリーを追加したが、それでも水素発生量は回復しなかった。そこで、本処理工程を停止してデュア瓶中の反応液（分解・減容残査）を取り出し、ＪＣＭ１４１９株を遠心分離により分離した。次に、デュア瓶中に新たな市販弁当残渣スラリーを投入し、続いて分離したＪＣＭ１４１９株を混合し、実施例１−１と同様にして本処理工程を行ったところ、開始から２〜４時間経過後に水素含有ガスの発生が始まり、１２時間の本処理工程で市販弁当残渣重量あたり０．７ｗｔ％の水素発生率を達成することができた。１２時間の本処理工程の終了後、再び、デュア瓶中の反応液を取り出し、ＪＣＭ１４１９株を遠心分離により分離し、デュア瓶中に新たな市販弁当残渣スラリーを投入し、続いて分離したＪＣＭ１４１９株を混合し、実施例１−１と同様にして本処理工程を行ったところ、１２時間の本処理工程で市販弁当残渣重量あたり０．７ｗｔ％の水素発生率を達成することができた。このサイクルをあと３回繰り返して行ったが、いずれのサイクルでも１２時間の本処理工程で市販弁当残渣重量あたり０．７ｗｔ％の水素発生率を達成することができた。また、減容率はいずれのサイクルでも３４％と優れたものであった。
【００３７】
実施例１−３：
実施例１−２において、デュア瓶中に新たな市販弁当残渣スラリーを投入するかわりに、本処理工程を停止してデュア瓶中から取り出した前バッチの反応液と新たな市販弁当残渣スラリーを１：１の割合で混合した混合物を投入したこと以外は実施例１−２と同様にして実験を行った。その結果、５回サイクルを繰り返しても、いずれのサイクルでも市販弁当残渣重量あたり０．８ｗｔ％の水素発生率を達成することができた。また、減容率はいずれのサイクルでも３４％を超える優れたものであった。
【００３８】
実施例１−４：
実施例１−２において、デュア瓶中に新たな市販弁当残渣スラリーを投入するかわりに、本処理工程を停止してデュア瓶中から取り出した前バッチの反応液と新たな市販弁当残渣スラリーを１：４の割合で混合した混合物を投入したこと以外は実施例１−２と同様にして実験を行った。その結果、５回サイクルを繰り返しても、いずれのサイクルでも市販弁当残渣重量あたり０．９ｗｔ％の水素発生率を達成することができた。また、減容率はいずれのサイクルでも３７％を超える優れたものであった。
【００３９】
実施例２：
栄養素成分が表３記載の市販弁当残渣を処理対象物としたこと以外は実施例１−１と同様にして実験を行った。その結果、市販弁当残渣重量あたり１．５ｗｔ％の水素発生率を達成することができた。また、減容率は２８ｗ／ｗ％と優れたものであった。
【００４０】
【表３】
2007000811.tif 000005
【００４１】
実施例３：
ＪＣＭ１４１９株の培養液にポリプロピレン発泡体を投入して嫌気培養することで、ポリプロピレン発泡体に固定化したＪＣＭ１４１９株を用いて本処理工程を行うこと以外は実施例１−１と同様にして実験を行った。その結果、市販弁当残渣重量あたり１．５ｗｔ％の水素発生率を達成することができた。また、減容率は３０ｗ／ｗ％と優れたものであった。
【００４２】
実施例４：
本処理工程の終了後に、ポリプロピレン発泡体に固定化したＪＣＭ１４１９株を濾別したこと以外は実施例１−１と同様にして実験を行った。その結果、市販弁当残渣重量あたり１．４ｗｔ％の水素発生率を達成することができた。また、減容率は２７ｗ／ｗ％と優れたものであった。
【００４３】
実施例５：
３日間放置後の市販弁当残渣を処理対象物としたこと以外は実施例１−１と同様にして実験を行った。その結果、市販弁当残渣重量あたり１．２ｗｔ％の水素発生率を達成することができた。また、減容率は２８ｗ／ｗ％と優れたものであった。
【００４４】
実施例６：
３日間放置後の市販弁当残渣の粉砕物をマイクロオーブンで１分間加熱して殺菌したことと、本処理工程を１２時間としたこと以外は実施例５と同様にして実験を行った。その結果、市販弁当残渣重量あたり１．０ｗｔ％の水素発生率を達成することができた。また、減容率は２２ｗ／ｗ％と優れたものであった。
【００４５】
実施例７：
実施例１−１で得られた水素含有ガスをアルカリトラップを通過させて水素ガス精製・分離工程に付すことで、純度９９．５ｖ／ｖ％の水素ガスを精製・分離することができた。この高純度水素ガスは、燃料電池に送って電気を発生させ、発生した電気をシステムのエネルギー自立のために利用した。なお、高純度水素ガスを精製・分離した後の残査ガスは、純度８０ｖ／ｖ％の炭酸ガスからなり、本処理工程の系内に嫌気性雰囲気形成ガスとして供給して利用した。
【００４６】
実施例８：
実施例１−１で得られた水素含有ガスをガス分離膜（シリコーン膜）６段を用いた水素ガス精製・分離工程に付すことで、純度９９．１ｖ／ｖ％の水素ガスを精製・分離することができた。
【００４７】
実施例９：
本処理工程の系内気相の酸素濃度を１．２ｖ／ｖ％とすること、予め表２に示した成分組成（５００ｍＬあたり）の培地で好気培養したクレブシーラ属に属する通性嫌気性菌（１６ＳｒＤＮＡシークエンスより推定）の菌株を、その菌濃度が１０5〜１０6Ｃｅｌｌｓ／ｍＬとなるように、担体に固定することなく系内に共存させたこと以外は実施例１−１と同様にして実験を行った。その結果、本処理工程の開始から６時間経過後に水素含有ガスの発生が始まった。その時点での系内気相の酸素濃度は０．２ｖ／ｖ％であった。水素生成量は８時間経過後に最大値を示し、市販弁当残渣重量あたり１．４ｗｔ％の水素発生率を達成することができた。また、減容率は５７ｗ／ｗ％とたいへん優れたものであった。
【００４８】
比較例１：
市販弁当残渣スラリーの固形分濃度を５０％としたこと以外は実施例１−１と同様にして実験を行った。その結果、市販弁当残渣重量あたり０．５ｗｔ％の水素発生率しか達成することができなかった。また、減容率は１５ｗ／ｗ％とわずかであった。
【００４９】
比較例２：
３日間放置後の市販弁当残渣スラリーを殺菌せずに調製したこと以外は実施例５と同様にして実験を行った。その結果、本処理工程で水素は発生しなかった。また、減容率は１５ｗ／ｗ％とわずかであった。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、中小規模でもエネルギー回収およびエネルギー自立が可能な、高効率かつ低コストな水素エネルギー回収型有機性廃棄物分解・減容方法を提供することができる点において産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の水素エネルギー回収型有機性廃棄物分解・減容方法の一実施態様の概略構成を示すブロック図である。
【図１】
2007000811.tif 000006