(57)【要約】【課題】原料の前処理を簡易化し、小規模なシステムでも発酵性微生物を用いて低コストでバイオガスを効率よく生産することができ、且つ、環境に対する負荷が少ないバイオガス生産技術を提供する。【解決手段】原料として生ゴミを使用するバイオガスの生産方法であって、電解質溶液で満たされた電解処理槽の陰極槽側に生ゴミを浸漬し、次いで電解質溶液に電圧を印加することにより、生ゴミの殺菌処理を行うとともに、生ゴミから発酵基質を電解質溶液中に溶出させる電解処理工程と、電解処理工程の終了後、陰極槽側の電解質溶液と陽極槽側の電解質溶液を混合する工程と、混合した電解質溶液に発酵性微生物を添加してバイオガスを生成させる発酵工程と、を有するバイオガスの生産方法により解決する。【選択図】図１
2009172460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料として生ゴミを使用するバイオガスの生産方法であって、
イオンの通過が可能な膜で仕切られて形成された２つの槽の各々に電極を設置することにより、陰極を備えた陰極槽と陽極を備えた陽極槽とを形成し、前記陰極槽と前記陽極槽のそれぞれを電解質溶液で満たし、前記陰極槽の電解質溶液に前記生ゴミを浸漬し、次いで当該電解質溶液に電圧を印加することにより、前記生ゴミの殺菌処理を行うとともに、前記生ゴミから発酵基質を前記電解質溶液中に溶出させる電解処理工程と、
前記電解処理工程の終了後、前記陰極槽側の電解質溶液と前記陽極槽側の電解質溶液を混合する工程と、
混合した電解質溶液に発酵性微生物を添加してバイオガスを生成させる発酵工程と、
を有するバイオガスの生産方法。
【請求項２】
前記電解質溶液の混合は、前記膜を除去し前記陰極槽と前記陽極槽とを連通することにより行う、請求項１に記載のバイオガスの生産方法。
【請求項３】
前記電圧の印加を、直流電圧５〜３０Ｖの範囲で行う、請求項１又は２に記載のバイオガスの生産方法。
【請求項４】
前記発酵性微生物が、メタン発酵菌又は水素発酵菌である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバイオガスの生産方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生ゴミの有効利用に関するものであり、詳細には、生ゴミを原料として発酵法によりバイオガスを生産するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、バイオマスから生産された有用物質を石油の代替資源として利用する試みが数多くなされている。バイオマスとは、地球生物圏の物質循環系に組み込まれた生物体又は生物体から派生する有機物の集積をいう（ＪＩＳ  Ｋ  ３６００  １２５８参照）。特に、食品系廃棄物（生ゴミ）や農産廃棄物等のセルロース系バイオマスをどのように処理するかが問題となっている。
【０００３】
我が国における食品系廃棄物（生ゴミ）の年間発生量は約２０００万トンといわれており、その約５０％が家庭ごみから排出されている。現状では大部分が埋め立てや焼却により処分されているが、炭酸ガスの放出、大気・土壌・地下水の汚染、悪臭などが問題となっており、リサイクル方法や効率的な処理方法の開発が望まれている。
【０００４】
かかる問題に対しては、本発明者らがセルロース系廃棄物の一つである雑草からアルコールを生産する方法として、特開２００５−０５８０５５号公報において、雑草を緩衝液に浸漬し、次いで当該緩衝液に電圧を印加することにより酵素処理しにくいセルロース系廃棄物の酵素処理を容易にし、アルコール発酵の基質に適した電解処理物が得られる技術を提案した（特許文献１）。
【０００５】
石油に代わる重要な代替エネルギーという観点からは、アルコールの他にもメタンガスや水素ガスなどがある。メタンガスや水素ガスは生ゴミなどの有機性廃棄物を利用した生産が可能であるため、これらを生産する技術も数多く提案されている。
【０００６】
例えば、特開２００５−４１９４４号公報には、生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を、３２０℃超え４００℃以下に加熱し、木酢液及びメタンガスを分別回収した後、生成した炭化物含有残渣を、非酸化性雰囲気で５８０℃超え１０００℃以下に加熱して、炭化物と水素ガスを分別回収する装置が開示されている（特許文献２）。
【０００７】
また、特開２００７−８１１号公報には、有機性廃棄物を粉砕し、滅菌または殺菌した後、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、水素含有ガスを生成させる方法が開示されている（特許文献３）。
【特許文献１】特開２００５−０５８０５５号公報
【特許文献２】特開２００５−４１９４４号公報
【特許文献３】特開２００７−８１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
生ゴミを原料としてメタンガスや水素ガスなどのバイオガスを生産する場合は、いかに効率よくバイオガスを生産しても、必ず処理残渣が発生する。これらは肥料としての利用が試みられているが、そのまま使用したのでは肥料としての栄養素が不足するという問題があった。また、発酵法によりバイオガスを生産する場合に、発酵性微生物の基質となる栄養素が不足しているため、それを補う分の栄養素の添加が必要となり、コストの増大をもたらすという問題があった。
【０００９】
上記の問題を解決するためには、生ゴミに前処理を施し、発酵残渣の減量、すなわち初期段階での発酵原料の可溶化とそれによる発酵効率の向上を図ることが効果的である。しかしながら、上記のセルロース系廃棄物は、単に酵素を作用させて糖化を行おうとしても酵素反応がほとんど行われない。酵素反応を効率よく行うためには、蒸煮または爆砕処理等の物理的処理や、酸またはアルカリ処理、超臨界水による有効成分の抽出処理等の化学的処理、またはこれらの組み合わせによる処理が必要とされていた。そのため、それらの処理を行うための設備やコストがかかるという問題があった。
【００１０】
従って、本発明の目的は、生ゴミを原料として発酵法によりバイオガスを生産する方法において、原料の前処理を簡易化し、小規模なシステムでも発酵性微生物を用いて低コストでバイオガスを効率よく生産することができ、且つ、環境に対する負荷が少ないバイオガス生産技術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】
【００１１】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、（１）原料として生ゴミを使用するバイオガスの生産方法であって、イオンの通過が可能な膜で仕切られて形成された２つの槽の各々に電極を設置することにより、陰極を備えた陰極槽と陽極を備えた陽極槽とを形成し、前記陰極槽と前記陽極槽のそれぞれを電解質溶液で満たし、前記陰極槽の電解質溶液に前記生ゴミを浸漬し、次いで当該電解質溶液に電圧を印加することにより、前記生ゴミの殺菌処理を行うとともに、前記生ゴミから発酵基質を前記電解質溶液中に溶出させる電解処理工程（以下、単に「電解処理」と称することがある）と、前記電解処理工程の終了後、前記陰極槽側の電解質溶液と前記陽極槽側の電解質溶液を混合する工程と、混合した電解質溶液に発酵性微生物を添加してバイオガスを生成させる発酵工程と、を有するバイオガスの生産方法を提供するものである。
【００１２】
このような構成により、原料の生ゴミの殺菌を容易に行うことができ、同時に、原料の可溶化が進行し、微生物の発酵に有効な基質成分が電解質溶液中に溶出するため発酵性微生物の増殖が促進する。原料の生ゴミの前処理は電解質溶液に電圧を印加することにより行われ、バイオガスの生成も発酵性微生物を利用するものであるため環境に対する負荷が少ない。
【００１３】
上記発明の好ましい態様としては次の通りである。前記電解質溶液の混合は、前記イオンの通過が可能な膜を除去し前記陰極槽と前記陽極槽とを連通することにより行うことが好ましい。
【００１４】
これにより、前記イオンの通過が可能な膜を取り去るだけで、前記陽極槽において強酸性となった電解質溶液と、前記陰極槽において強アルカリ性となった電解質溶液のｐＨを初発ｐＨに戻すことができる。そのため、電解質溶液の初発ｐＨを、処理後の生ゴミに作用させる酵素や発酵性微生物の最適ｐＨに設定しておけば、電解処理後に両槽の電解質溶液を混合するだけで、直ちに酵素反応や微生物反応に移行することができる。また、廃液が出ないので環境負荷が少ない。
【００１５】
前記電圧の印加は、直流電圧５〜３０Ｖの範囲で行うことが好ましい。
【００１６】
これにより、陰極槽の電解質溶液を強アルカリ性とすることができ、陽極槽の電解質溶液のｐＨを強酸性とすることができる。なお、ｐＨが安定した後に直流５Ｖ以上の電圧を印加すれば、一旦安定したｐＨをそのまま維持することもできる。
【００１７】
前記発酵性微生物は、メタン発酵菌又は水素発酵菌であることが好ましい。
【００１８】
発酵性微生物としてメタン発酵菌を用いることによりメタンガスを生産させることができ、水素発酵菌を用いることにより水素を生産させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、原料の生ゴミの前処理を電解処理で行うことにより、強アルカリ溶液や強酸溶液を用いる一般の化学的処理と比較して緩やかな条件で原料生ゴミの前処理が可能となり、環境負荷が少ないものとなる。電解質溶液はそのまま発酵液の溶媒として利用することができ、その溶媒には電解処理によって原料生ゴミから溶出した発酵基質が発酵性微生物の増殖を促進するため、高収率でバイオガスを生産することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、図を参照しつつ、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本実施形態のバイオガス生産システムの概略図である。本実施形態のバイオガス生産システム１０は、図１に示すように、電解処理槽１２と蓋部１４とからなるハウジング１６、切り欠きを有する仕切り壁１８をそれぞれ有し、その切り欠き部分にはイオンを通過することができる膜２０（以下、「イオン通過性膜」と称する）を着脱自在に備えている。なお、ハウジング１６は、電解質溶液Ｂで満たされている。
【００２１】
イオン通過性膜２０は、電圧を印加した時に陽イオンと陰イオンの通過が可能である膜が選択される。具体的には、トレーシングペーパー、セロハン（再生セルロースフィルム）、コロジオン膜、酢酸セルロース膜等を用いることができる。また、上記の要件を満たした膜であれば、その厚さは特に制限はない。
【００２２】
電解質溶液Ｂとしては、通電が可能であれば特に制限はないが、例えば、McIlvaine緩衝液、酢酸緩衝液、リン酸緩衝液などを使用することができる。緩衝液ＢのｐＨ及び温度は、発酵性微生物の至適ｐＨ及び至適温度に合わせて設定される。
【００２３】
そして、蓋部１４には、仕切り壁１８およびイオン通過性膜２０を挟んで白金電極２２ａ，２２ｂが電解質溶液Ｂに接するように配設されており、この白金電極２２ａ，２２ｂは、電源装置２４に電気的に接続されている。
【００２４】
白金電極２２ａ，２２ｂは電源装置２４の陽極（＋）または陰極（−）のいずれかに接続されるため、陽極（＋）に接続された白金電極２２ａを備えた槽は陽極槽２６を形成し、陰極（−）に接続された白金電極２２ｂを備えた槽は陰極槽２８を形成する。
【００２５】
また、陽極槽２６と陰極槽２８のそれぞれには撹拌子Ｓが配設され、電解質溶液Ｂを撹拌することができるようになっている。
【００２６】
なお、バイオガス生産システム１０は電解質溶液Ｂの温度を一定に保持するため、水Ｗで満たされた恒温槽３０内に設置されている。但し、温度を一定に保つことができれば、温風、ヒーター等、その手段は問わない。
【００２７】
生ゴミ１は陰極槽２８側に投入される。生ゴミ１はそのまま投入することができ、乾燥処理や殺菌処理は不要である。ただし、粉砕機等により粒径を小さくした方が電解処理の効果がより高まるため好ましい。粒径について特に限定はないが、２〜３ｍｍ程度の大きさにすればより好ましい。
【００２８】
電源装置２４の電源がＯＮにされると、白金電極２２ａ，２２ｂを介して電解質溶液Ｂに電圧が印加される。電解質溶液Ｂに直流電圧が印加されると、陰極槽２８側では電解質溶液ＢのｐＨが上昇し、時間の経過と共に強アルカリ性を示すようになる。ｐＨが安定化するために要する時間は３０Ｖの場合で約３時間、２０Ｖの場合で約６時間、１０Ｖの場合で約１２時間である。ｐＨの上昇を早め、早期にｐＨを安定化させるためには高い電圧（３０Ｖ）を印加することが好ましい。但し、２４時間経過後には上記のいずれの電圧でもｐＨを約１３にまで上昇させることが可能である。
【００２９】
これに対し、陽極槽２６側では電解質溶液ＢのｐＨが低下し、強酸性を示すようになる。直流電圧が高ければｐＨが低下する速度も速いが、上記のいずれの電圧でも２４時間経過後にはｐＨが約１．８にまで低下する。
【００３０】
なお、ｐＨが安定化した後に通電を停止すると、陰極槽２８、陽極槽２６のいずれも電解質溶液ＢのｐＨが緩やかに電圧印加前のｐＨへと収束していく。しかしながら、ｐＨが安定化した後、５Ｖ以上の直流電圧を印加し続ければ、ｐＨを安定化したまま維持することができる。
【００３１】
上記の電解処理の時間は、初発のｐＨによって適宜設定することができるが、一般には直流電圧が３０Ｖの場合、電圧の印加を開始してから２４時間程度行うことが好ましい。
【００３２】
生ゴミをこのように陰極槽２８側の電解質溶液に浸漬し、当該電解質溶液に電圧を印加して電解処理物とすることにより、原料の生ゴミの殺菌を容易に行うことができる。生ゴミは一般的に雑菌が繁殖していることが多く、そのままでは後述する発酵工程においてバイオガスの発酵を阻害する恐れがある。電解処理によれば、電解質溶液に生ゴミを浸漬しておくだけで、生ゴミの殺菌を行うことができ、別途、加熱処理装置や殺菌処理装置を設ける必要がない。
【００３３】
また、電解処理を施すことにより、原料の可溶化が進行し、微生物の発酵に有効な発酵基質を電解質溶液中に溶出させることができる。ここで「発酵基質」とは、生ゴミの組成によって異なるが、ビタミン、ミネラル、糖、タンパク質、脂質、有機酸など、発酵性微生物の増殖に有用な成分をいう。一般的に、発酵性微生物を用いたバイオガス生産の場合、生ゴミのみでは発酵性微生物の栄養分が不足するため、培地成分を別途添加する必要が生じるが、電解処理を行うことにより、原料生ゴミから発酵性微生物の増殖に必要な養分を溶出させる事ができるため、別途、培地成分を添加する手間とコストを省くことができる。
【００３４】
また、生ゴミの可溶化をより促進させるために、電解処理中にセルラーゼ、アミラーゼ、プロテアーゼ、リパーゼ等の酵素を添加することもできる。酵素の種類は生ゴミの組成に応じて適宜選択することができ、単独でも、２種類以上を併用することもできる。
【００３５】
セルラーゼの具体例としては、例えば、トリコデルマ（Trichoderma）属、アスペルギルス（Aspergillus）属由来のセルラーゼを挙げることができ、特に、トリコデルマ  リーセイ（Trichoderma  reecei）、トリコデルマ  ビリデ（Trichoderma  viride）由来のセルラーゼは酵素活性が高く好適である。また、セルラーゼは市販のセルラーゼ製剤を利用することもできる。市販のセルラーゼ製剤の具体例としては、セルラーゼオノズカＲＳ、セルラーゼオノズカ３Ｓ（以上、ヤクルト薬品工業社製）、セルラーゼＴアマノ、ヘミセルラーゼアマノ９０、セルラーゼＡ、セルラーゼＴ（以上、天野エンザイム社製）、セルクラスト（ノボノルディスクバイオインダストリー社製）、セルロシンＨＣ１００、セルロシンＰＥＬ、セルロシンＭＥ（以上、阪急バイオインダストリー社製）、ビスコザイムＬ、スミザイムＡＣ、スミザイムＡＲＳ、スミザイムＰＭＡＣ、スミザイムＰＸ、スミザイムＳＰＣ、スミザイムＡＰ２、スミザイムＭＣ（以上、新日本化学工業社製）等を挙げることができる。
【００３６】
アミラーゼの具体例としては、例えば、アスペルギルス（Aspergillus）属、リゾープス（Rhizopus）属、バチルス(Bacillus)属由来のアミラーゼを使用することができる。また、アミラーゼは市販のアミラーゼ製剤を利用することもできる。市販のアミラーゼ製剤の具体例としては、スミチーム、スミチームAN、スミチームAD、スミチームS(以上、新日本化学工業社製)、ビオヂアスターゼ 1000（天野エンザイム社製）等を挙げることができる。
【００３７】
プロテアーゼの具体例としては、例えば、アスペルギルス（Aspergillus）属、ペニシリウム（Penicillium）属、リゾープス（Rhizopus）属、バチルス(Bacillus)属の微生物、パパイヤ、パイナップルなどの植物由来のプロテアーゼを使用することができる。また、プロテアーゼは市販のプロテアーゼ製剤を利用することもできる。市販のプロテアーゼ製剤の具体例としては、スミチームAP、スミチームLP、スミチームM（以上、新日本化学工業社製）、プロザイム（天野エンザイム社製）等を挙げることができる。
【００３８】
リパーゼの具体例としては、例えば、アスペルギルス（Aspergillus）属、リゾープス（Rhizopus）属、ムコール（Mucor）属の微生物、植物種子、膵臓由来のリパーゼを使用することができる。また、リパーゼは市販のリパーゼ製剤を利用することもできる。市販のリパーゼ製剤の具体例としては、スミチームNLS（新日本化学工業社製）リパーゼAP6（天野エンザイム社製）、リリパーゼA-10、リリパーゼAF5（ナガセケムテックス（株）社製）等を挙げることができる。
【００３９】
イオン通過性膜２０は既述のように着脱自在に装着されているため、イオン通過性膜２０を取り除けば、陽極槽２６と陰極槽２８とが互いに連通し、両槽の電解質溶液Ｂが混合されることによって電解質溶液のｐＨを初発ｐＨに戻すことが容易に行える。
【００４０】
そのため、イオン通過性膜２０を取り除いた後、陰極槽２８側の電解質溶液Ｂと陽極槽２６側の電解質溶液Ｂを混合し、白金電極２２ａ，２２ｂと電源装置２４を取り外し、発酵性微生物を添加すれば、発酵工程にそのまま移行することができる。
【００４１】
電解処理後、陽極槽２６と陰極槽２８とを連通させなくても、両槽からそれぞれ電解質溶液Ｂを、後述する発酵槽４０に採取して中和処理を行ない、その後、発酵性微生物を添加して発酵工程に移行することもできる。本実施形態においては、発酵槽に電解処理後の生ごみ含有電解質溶液を採取して発酵工程を行う例について説明する。
【００４２】
図２は、バイオガスの発酵工程に用いられる発酵槽４０の概略図である。発酵槽４０は、本体４２と、温度を一体に保持するための温度調節部４４と、溶液を撹拌するための撹拌羽４６と、電解処理された生ゴミを含む電解質溶液を搬送するための原料搬送管４８と、窒素ガスを系内に供給するための窒素ガス供給管５０と、発生したバイオガスを収集するためのガス収集管５２と、残渣を回収するためのポンプ５４とから構成される。
【００４３】
バイオガスの発酵は嫌気的条件下で行うため、発酵槽に窒素ガスを添加して系内の酸素を窒素に置換する。また、発酵を行っている最中は生ゴミが電解質溶液中で均一に分散するように撹拌羽４６で電解質溶液を撹拌する。
【００４４】
温度調節部４４は、メタン発酵を行う場合は、メタン生産菌の至適温度に設定され、水素発酵を行う場合は水素生産菌の至適温度に設定される。
【００４５】
バイオガスの生産はバッチ式で行うことも、連続式で行うこともできるが、バイオガスを効率よく生産させるためには連続式で行うことが好ましい。例えば、ポンプ（図示せず）を用いて電解処理された生ゴミを含む電解質溶液を原料搬送管４８から一定の流量で本体４２に供給するとともに、同じ流量でポンプ５４によって発酵液を回収することにより、バイオガスの連続生産が可能となる。
【００４６】
発酵性微生物としては、メタンを生産させる場合はメタン生産菌を用いることが好ましく、水素を生産させる場合は水素生産菌を用いることが好ましい。
【００４７】
メタン生産菌としては、例えば、メタノバクテリウム（Methanobacterium）属菌、メタノサルシナ（Methanosarcina）属菌、メタノコッカス（Methanococcus）属菌、あるいはメタノゲウム（Methanogeum）属菌等を挙げることができる。メタン生産菌の種菌として、予め生ゴミで数日間馴致し、メタン生産菌が増殖した活性汚泥を用いることもできる。
【００４８】
水素生産菌としては、例えば、クロストリジウム  ブチリカム（Clostridium
butyricum）、エンテロバクター（Enterobacter）属菌、ビブリオ（Vibrio）属菌などの通性嫌気性菌や、クラミドモナス（Chlamydomonas）属菌、アナバエナ（Anabaena）属菌あるいはロドシュードモナス（Rhodopseudomonas）属菌などの光合成細菌等を挙げることができる。
【実施例】
【００４９】
１．原料生ゴミの調製
原料の生ゴミは、旧建設省総合技術開発プロジェクト「ディスポーザによる生ゴミリサイクルシステムの開発」において定められた標準生ゴミを参考に調製した。原料生ゴミの組成は、ニンジン９重量部、キャベツ９重量部、バナナ５重量部、リンゴ５重量部、グレープフルーツ５重量部、鰺５重量部、米飯５重量部、茶殻２重量部及び卵殻１重量部である。なお、生ゴミの各品目は２〜３ｍｍ程度の大きさに細分化されているものを使用した。
【００５０】
２．電解質溶液
メタン発酵に用いる電解質溶液として、リン酸緩衝液（M/30 KH2PO4：M/30 Na2HPO4＝1：2、ｐＨ7.0）を用いた。また、水素発酵に用いる電解質溶液として、McIlvaine緩衝液（M/5  Na2HPO4：M/10クエン酸＝16：3、ｐＨ7.0）を用いた。
【００５１】
３．電解処理
図１に示す電解処理装置１０の陽極槽２６および陰極槽２８に上記緩衝液を投入し、次いで陰極槽２８の緩衝液に対し１０重量％の原料生ゴミを陰極槽２８に投入した。次いで、電源装置（Ｍｏｄｅｌ２００／２．０  ＢＩＯ−ＬＡＤ社製）の電源をＯＮにして電解処理を開始した。なお、陽極槽と陰極槽とを仕切る膜には、設計・製図用のトレーシングペーパー（十千万社製、厚さ５０ｇ／ｍ２）を使用した。
【００５２】
電解処理は、３０℃で１２時間、直流電圧３０Ｖ（０．３Ａ）を印加することにより行い、マグネティックスターラーを用いて緩やかに撹拌しながら行った。なお、陰極槽側の緩衝液のｐＨは、通電開始後、３時間でｐＨ１３にまで上昇し、それ以降はｐＨ１３で安定した。一方、陽極槽側の緩衝液のｐＨはｐＨ２で安定した。
【００５３】
なお、電解処理を行わなかった場合についても検討した。また、原料生ゴミの可溶化を促進させるために、緩衝液にセルラーゼ（天野エンザイム社製  ヘミセルラーゼ「アマノ」９０）を添加した場合についても検討した。表１に、用いた緩衝液と電解処理条件を示す。
【００５４】
通電開始から２４時間経過後、電源装置の電源をＯＦＦにし電解処理を終了すると共に、陽極槽と陰極槽とを仕切るトレーシングペーパーを除去した。これにより、陽極槽側の緩衝液（ｐＨ２．０）と陰極槽側の緩衝液（ｐＨ１３．０）とを混合し、緩衝液の中和処理を行った。中和処理後の緩衝液のｐＨは、電解処理前のｐＨと同じｐＨ７．０であった。
【００５５】
４．バイオガスの生産
（１）メタンガスの生産
予め生ゴミで５０数日間馴致し、メタン生産菌が増殖した活性汚泥３．６Ｌ（日立プラント建設サービス社より提供）を種汚泥として投入した発酵槽を準備した（図２参照）。ここに先ほど電解処理を施した原料生ゴミを、ポンプを用いて緩衝液とともに１日当たり１２０ｍＬの流量で連続的に投入した。
【００５６】
メタン発酵は嫌気的条件下で行うため、発酵槽に窒素ガスを添加して系内の酸素を窒素に置換しつつ、３７℃でメタン発酵を行った。メタン発酵を行っている最中は原料生ゴミが緩衝液中で均一に分散するように撹拌子で緩衝液を撹拌した。
【００５７】
メタン発酵は連続して行われ、発生したメタンガスは随時メタンガス貯蔵器に収集した。
【００５８】
【表１】
2009172460.tif 000003
【００５９】
（２）水素ガスの生産
ａ．前培養
１００ｍｌ容三角フラスコに、表２に示す前培養培地５０ｍｌを入れ、オートクレーブ滅菌（１２１℃、１０分）した後、ここに供試菌株であるクロストリジウム  ブチリカム（Clostridium butyricum） IAM 14194を１白金耳接種した。フラスコ内に、除菌フィルターにより無菌化した窒素ガスを穏やかに通気（３０分間）することによって、培地およびヘッドスペースを窒素置換した後、これを３０℃で１〜２日培養した。得られた培養液、あるいは培養液を７０００ｒｐｍで３０分遠心分離することで集菌した菌体を約１０ｍｌの滅菌水に縣濁して得た菌体懸濁液を水素ガス生産培養に供した。
【００６０】
【表２】
2009172460.tif 000004
【００６１】
ｂ．本培養
２００ｍｌ容三角フラスコに原料生ゴミを入れた。原料生ゴミの量は、実施例３の１倍量（６．３ｇ）を基準として、２倍量、３倍量としたものについても行った。ここに前項で得た菌体（前培養液の場合には１ｍｌ、菌体懸濁液の場合には２ｍｌ）を添加し、前項と同様の条件で系内を窒素置換後、３０℃で３〜５日間培養を行った。生成した水素ガスは、ガス回収管により随時回収し、ガスタンクに貯蔵した。電解処理条件等を表３に示す。
【００６２】
【表３】
2009172460.tif 000005
【００６３】
５．評価試験
（１）バイオガスの生産量の測定
ａ．メタンガス
実施例１，２及び比較例１〜３につき、約４０日間にわたり経時的にメタンガスの発生量を測定した。なお、メタンガスの測定はガスクロマトグラフィー（日立製作所製：G3900）により行った。表４にガスクロマトグラフィーの測定条件を示す。
【００６４】
【表４】
2009172460.tif 000006
【００６５】
メタンガスの測定結果を図３に結果を示す。図３に示すように、電解処理を施した生ゴミを用いてメタンガスを生産した場合は、電解処理を施さなかった場合と比較してメタンガスの発生が多く、約１．２倍量のメタンガスを生産できることが判明した。また、実施例２についても、実施例１と同様のメタンガスを生産できることも確認した。比較例２及び比較例３は、比較例１と同様であった。
【００６６】
ｂ．水素ガス
実施例３〜５及び比較例４〜６につき、１２０時間にわたり水素ガスの発生量を測定した。なお、水素ガスの測定はガスクロマトグラフィー（島津製作所製：ＧＣ−８Ａ）により行った。表５にガスクロマトグラフィーの測定条件を示す。
【００６７】
【表５】
2009172460.tif 000007
【００６８】
水素ガスの測定結果を図４（実施例３〜５）及び図５（比較例４〜６）に示す。なお、図４及び５において「１倍量」とは電解処理槽に６．３ｇの生ゴミを投入したものを示す。また、実験はそれぞれの試料について３回行い、実測値を白プロットで示している。そして、実測値から平均値を求めた結果を黒プロットで示している。
【００６９】
電解処理生ゴミおよび未処理の生ゴミを原料とした水素発酵におけるガス（水素以外のガスも含む全ガス）発生の経過は図３及び４に示す通りであり、この結果から、ガス発生速度が１．２〜１．４倍に向上していること、および、発酵残渣量が２割程度減少することが認められた。
【００７０】
今回使用した生ゴミは、モデル生ゴミ（つまり、購入した果実や魚などを用いて調製したもの）であるが、それでも相当数の雑菌が付着している。したがって、図５の結果からは、未処理の生ゴミを原料とした場合にもそれなりに発酵が進行している様に見えるが、生成ガス中には水素以外に腐敗ガス等も含まれている。そこで、発生ガス中の水素濃度から、（ガスクロマトグラフィーで定量した発生ガス中の水素濃度）×（発生ガス体積）の計算式により生成水素量を算出し両者を比較したところ、電解処理生ゴミを用いた実施例３〜５は、未処理生ゴミを用いた比較例４〜６と比較して約１．４倍の水素が生成されたことが判明した。
【００７１】
（２）電解処理が生ゴミに及ぼす影響
ａ．可溶化率及び微細化の検討
電解処理が生ゴミの可溶化に及ぼす影響を検討するため、電解処理による生ゴミの可溶化率の測定を行った。電解質溶液の違いによる影響を検討するため、電解質溶液として表６に示す緩衝液を使用した。電解処理は、先述した「３．電解処理」に準じて行った。
【００７２】
【表６】
2009172460.tif 000008
【００７３】
可溶化率の測定は、電解処理前後の生ゴミの重量を測定し、電解処理後の生ゴミの重量を電解処理前の生ゴミの重量で除した値から算出した。結果を表７に示す。
【００７４】
【表７】
2009172460.tif 000009
【００７５】
表７に示すように、リン酸緩衝液及びMcIlvaine緩衝液を用いて電解処理を行った生ゴミの可溶化率は、電解処理を行わなかった場合と比べて顕著に向上することが判明した。一方、酢酸緩衝液を用いた場合は、電解処理を行なうか否かにかかわらず、可溶化率に顕著な差異は認められなかった。なお、陽極側に生ゴミを投入して電解処理を行った場合についても、リン酸緩衝液での電解処理で顕著な差異が認められなかったため、McIlvaine緩衝液及び酢酸緩衝液でも同様の結果が推察される。
【００７６】
図６は、リン酸緩衝液を用いて電解処理を行った場合について、可溶化されなかった生ゴミ片の大きさの分布を測定した結果を示す図である。図６において、「Control」は処理前の生ゴミそのもの、「Soaked in Buffer」はリン酸緩衝液に浸漬しただけのもの（比較例１に相当）、「DC30V（Cathod）」は生ゴミを陰極槽に投入しＤＣ３０Ｖの電圧を印加したもの（実施例１に相当）をそれぞれ示す。
【００７７】
図６に示すように、電解処理を行った場合（DC30V（Cathod)）は、可溶化されなかった生ゴミ片についても全体として微細化が進行していることが判明した。
【００７８】
ｂ．ＣＯＤ、ＴＳ、ＶＳの検討
電解処理前後におけるＣＯＤ（化学的酸素要求量）、ＴＳ（全固形分量）、ＶＳ（強熱残留物）の変化の割合を測定した。ＣＯＤは水の有機物による汚濁の指標で、OD analyzer（HACH Co., USA, DR2000）により測定した。ＴＳは汚水や汚泥中の固形物量を示す指標で、サンプルを105-110℃で乾燥した後、残留した物質量（mg/Lあるいはmg/kg）を測定することにより行った。ＶＳは汚水や汚泥中の無機物量を示す指標で、蒸発残留物（TS）を600℃で1時間強熱灰化して残留する物質量（mg/Lあるいはmg/kg）を測定することにより行った。結果を図７に示す。
【００７９】
図７に示すように、電解処理によって、ＣＯＤが増加するとともに、ＴＳ及びＶＳが低下することが判明した。この結果は表７（生ゴミの可溶化率向上）及び図６（生ゴミの微粒子化）の結果にも対応する。また、ＣＯＤの増加は、生ゴミから有機物類が抽出されていることを示すものであるため、電解処理により、生ゴミの発酵性が増大することが推察された。
【００８０】
（３）殺菌効果の評価
通常、生ゴミには多くの雑菌が付着している。雑菌の存在は生ゴミを発酵原料として使用する際に、バイオガスを生産する発酵性微生物の生育を阻害するため好ましくない。実験で調製したモデル生ゴミにおいても、初発に試料単位重量あたり１０５オーダーの雑菌が存在しており、２４時間後にはそれが１０１０にまで達した。そこで、電解処理が雑菌の増殖に及ぼす影響について検討した。結果を表８に示す。
【００８１】
【表８】
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【００８２】
表８に示すように、生ゴミを電解処理すると、約６時間で雑菌は検出されなくなることが判明した。この結果から、電解処理では試料の殺菌も可能であり、発酵原料としての生ゴミの前処理法として効果的であることが示唆された。
【００８３】
（４）各生ゴミ成分ごとの発酵性の検討
生ゴミの成分比率は一定ではなく、様々な成分を含むことが一般的である。そこで、各生ゴミ成分の発酵性が電解処理によりどのように変化するのか検討した。結果を図８に示す。図８において「DC30V」は実施例１の条件で電解処理を行ったことを示し、「Control」は比較例１の条件（電解処理なし）を示す。
【００８４】
図８に示すように、電解処理によりキャベツ、米飯、グレープフルーツの発酵性が向上することが判明した。なお、米飯のControl（図８の矢印）を基準にした場合、その他の成分の発酵性はほぼ同様であった。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本実施形態のバイオガス生産システムの概略図である。
【図２】バイオガスの発酵工程に用いられる発酵槽の概略図である。
【図３】メタンガスの測定結果を示す図である。
【図４】水素ガス（電解処理を行った場合）の測定結果を示す図である。
【図５】水素ガス（電解処理を行わなかった場合）の測定結果を示す図である。
【図６】電解処理で可溶化されなかった生ゴミ片の大きさの分布を測定した結果を示す図である。
【図７】電解処理前後におけるＣＯＤ（化学的酸素要求量）、ＴＳ（全固形分量）、ＶＳ（強熱残留物）の変化の割合を測定した結果を示す図である。
【図８】生ゴミの各成分ごとの発酵性を検討した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００８６】
１０：バイオガス生産システム、１２：電解処理槽、１４：蓋部、１６：ハウジング、１８：仕切り壁、２０：イオン通過性膜、２２ａ，２２ｂ：白金電極、２４：電源装置、２６：陽極槽、２８：陰極槽、４０：発酵槽、４２：本体、４４：温度調節部、４６：撹拌羽、４８：原料搬送管、５０：窒素ガス供給管、５２：ガス収集管、５４：ポンプ、Ｂ：電解質溶液
【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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