（様式３）1

新エネルギーベンチャー技術革新事業

フェーズ名：（フェーズＡ ）＜固形廃棄物処理を複合した二相式メタン発酵処理技術の開発＞＜委託先名： 株式会社トッププランイングＪＡＰＡ
Ｎ * 、東京農工大学 ＞
研究開発期間：平成 28 年 9 月～平成 29 年 3 月
平成 29 年 2 月 18 日

2１．研究開発の概要および目的

高濃度有機廃水などの処理では，好気性微生物を利用する廃水処理とメタン菌などを利用する嫌気性処理が併用されているが、嫌気性処理のメタン発酵は発生するバイオガスによるエネルギー回収が可能なものの、発酵処理に多くの時間を要することや発酵容器などの大きな設備が必要となることが問題となっている。
本事業では、このような問題を解決し、メタン発酵での投入原料種や負荷量の変動から運転状況が悪化することを防ぐために、投入原料に対応した嫌気性ミクロフローラを優占させ、前段に水素発酵を取り入れた二相式メタン発酵により、コンパクトなシステムで安定した運転が可能な処理技術の確立を目指す。また、種々の有機性廃棄物の処理とエネルギー回収を可能とする炭化技術を用いた複合処理技術を構築し、エネルギー地産地消型の廃棄物処理システムの開発を目的とする。

２．研究開発体制（株）トッププランニングＪＡＰＡＮ

東京農工大学東京発電株式会社
マキノ企画
代表委託先

株式会社明電舎

連名委託先

支援・協力者（外部有識者、外注先 etc ）３．研究開発内容および達成状況
３．１．研究開発の目標
研究開発項目

目標（値）

3

実施担当者

① 最適ミクロフローラの構築技術の開発(a) 消化液内に含まれる水素資化性細菌
不活化手法の確立

原料を加水分解して水素ガスと有機酸を生成するミクロフロー
ラを構成することにより、有機物量当たりの水素発生量 0.05LH2/g-VS とすることを目標値とする。

東京農工大(b) 水素生成微生物群

平成２８年１２月末までに、微生物源の特定と水素生成能の高い複合微生物の群集構造を同定する。

東京農工大

平成２８年１２月末までに、二相循環式メタン発酵を実現する
最適ミクロフローラの構築・応用技術の特許を出願する。

東京農工大
株式会社トッププランニング
JAPAN及び群集構造の同定(C) 二相式循環メタン発酵の最適ミクロフロー
ラ構築・応用技術の知財化

4② 炭化装置複合二相循
環式メタン発酵プラントの開発(a) 固形廃棄物での炭化 平成２８年１２月末までに、想試験及び熱・マテリアル 定する固形廃棄物の炭化試験をフローの確認行い、熱・マテリアルフローのデータを取得する。

株式会社トッププランニングJAPAN(b) 基本設計及び性能評
価

平成２９年２月末までに、炭化複合二相循環式メタン発酵システムの熱フローおよびマテリアルフローに関する性能評価と基本設計を行う。

株式会社トッププランニングJAPAN

平成２９年３月末までに、最適(c) 炭化複合二相循環制御方法及び排水処理システム
式メタン発酵システムの などの周辺プロセスの応用技術
知財化のデータを確保して炭化複合二相循環式メタン発酵システムの基本設計に関する特許を出願す
る.

株式会社トッププランニング
JAPAN
東京農工大

5
③ 事業化の検討
平成２９年３月末までに、実施
事項①、②と並行して、バイオマス産業都市構想に向けての協力体制を構築している地域において、畜産廃棄物を主原料としたパイロットプラント設置を目的として市場調査を行い、製造委託先として想定する装置メーカと共に仕様・コスト等の事業体制の検討及び事業性評価を行い、ライセンス収入が見込めるビジネスプランを構築する。

株式会社トッププランニング
JAPAN
東京農工大

6
研究開発
項目

達成度
現状での達成状況

残された課題とその対応

100%

水素ガスと有機酸を生成する
水素生成ミクロフローラ優占化法として、返送メタン発酵消化液を加圧熱水処理（温度150℃ 、圧力 0.5MPa 、保持時間 40 分）することが適当と判断した。水素生成ミクロフ
ローラによる水素生産では、グルコースを基質とした場合に 0.18L-H2/g-VS( 水素収率1.5 ）を達成した。

加圧熱水処理により、水素を消費するメタン菌は完全に死滅させることができた。また、水素生成ミクロフローラとして高温条件で芽胞を形成する Clostridium 属を優占化することで単離菌の収率に迫る
高効率水素生成を達成した。
しかし、一部で高効率水素生成できないサンプルも生じた。

100%

微生物の群集構造では、水素生成ミクロフローラとして高温条件で芽胞を形成するClostridium 属を優占化できた。しかし、一部に高効率水素生産できない Clostridium
rosuem 種もいることが判明した。

加圧熱水処理で優占化したミクロフローラ内に高効率水素生産できない Clostridium
rosuem 種もいることが判明した。高効率水素生成する
Clostridium 属 (AF116920 ，種未命名 ) を中心としたミクロフローラの培養法をさらに検討する。

現状

年度末

100%

100%

①-(a)

①-(b)

7
研究開
発
項目

達成度
現状での達成状況

残された課題とその対応

100%

知財化については、平成 29
年 2 月末の特許申請に向けて申請書を作成中である。

知財化については、追加データを特許事務所に提示し、申請書を作成中である。

80%

80%

当初予定していた試験用の炭化炉が用意できなったことから、過去の木質バイオイマスの炭化データにより、熱・マテリアルの試算を行った。

炭化炉については、設備コスト面及び加圧熱水装置への熱制御が困難なことから、併設するシステムとして検討する。

80%

100%

加圧熱水処理や発酵槽のエネ
ルギー・マテリアル収支を試算した。ベンチスケールでは電力にて行うこととした。現在、ベンチスケールプラントの機器設定と評価を行って基本設計を完了し、特許申請に向けて各プロセスの制御システムなど詳細設計を行っている。

pH 調整、圧力調整など周辺プロセス情報を解析し、システムと制御技術に関する特許出願を行う。福島イノベーシ
ョン構想では、平成 23 年度の除染実証事業での実績を再度検証して、消化液汚泥のセシウム固定化を検証し、知財として排水処理工程の追加を検討する。

現状

年度末

80%
①-(c)

②-(a)

②-(b)

8
研究開
発
項目

達成度
残された課題とその対応

年度末

70%

100%知財化は、特許事務所と請求 知財化については、平成 29項の検討を行い初稿を作成中 年 3 月までに、特許出願を行である。
う予定である。

70%

80%

自治体のヒアリングは、大田原市、いわき市を外注企業の東京発電 ( 株 ) が担当し、浪江町、魚沼市は ( 株 ) トップ
プランニング JAPAN が実施した。フェーズＢの協力は、大田原市、いわき市、魚沼市、浪江町に承諾していただいている。大田原市は本システムをバイオマス産業都市構想に組み込み、平成 29 年度に申請する予定であり、浪江町は復興ビジョンの再生エネルギー活用の一環として検討いただいている。

②-(c)

③

現状での達成状況

現状

事業化に向けてプラントアドバイザーとして、㈱明電舎と業務提携を行った。尚、運転管理等で東京発電 ( 株 ) と業務提携を協議中である。また、排水処理（セシウム固定化）についてはパナソニック
環境エンジニアリング ( 株 )と協議中であり、プラント製造及び営業体制を構築中である。
福島イノベーション構想では、浪江町と協議会の設置を検討している。

３．３．研究開発成果

9

図表１：加圧熱水処理ミクロフローラによる水素生産

加圧熱水処理での水素生成ミクロフローラ優占化条件として、温度 150℃ 、圧力0.5MPa 、保持時間 40 分が適当と結論づけ、優占化技術を特許出願中である。加圧熱水処理により優占化した水素生成ミクロフローラによる水素生産では、グルコースを基質とした場合に 0.18L-H2/g-VS （水素収率 1.5 ）を達成した。これは、単離菌による最大水素収率1.7 に迫るもので、目標値としていた 0.05L-H2/g-VS を超えるものである。

10
図表 2 ：水素生成ミクロフローラの解析結果 (1)

図表 3 ：水素生成ミクロフローラの解析結果(2)

解析結果 (1) のように、微生物群集構造の解析から、水素生成ミクロフローラとして高温高圧条件で芽胞を形成する Clostridium 属の優占化を確認した。解析結果 (2) のように、高効率水素生産する Clostridium 属 (AF270501) 種とその共生種を同定したが、高効率生産できない Clostridium属 roseum 種も残存していることが判明した。

11
図表 4 ：加圧熱水処理ミクロフローラの水素生成累積量

◆▲
●■
■

熱処理
0.4MPa0.5MPa1.0MPa2.5MPa

加圧熱水条件によって、ミクロフローラによる水素生成過程が異なることが判明した。
水素発酵工程で芽胞状態からの発芽に 30 時間程度要することがわかった。この発芽時間を短縮化することで原料滞留時間（ HRT ）を縮小し、プラントの小規模化が実現できる。

12① 加圧熱水処理の利点として、 3 点を確認した。
・容器内を加圧することで消化液は蒸気化することなく水溶液の状態で高温処理できる。
・気化熱のロスがないため、加熱に必要な熱量が比較的少ない。
・原料と消化液を同時に処理することにより、原料の分解率を飛躍的に増大できる。
② 水素生成ミクロフローラ優占化法の加圧熱水条件として、温度 150℃ 、圧力 0.5MPa 、保持時間 40 分による処理が適当と結論づけ、特許出願中である。
③ CIOSTA 2017 （イタリア， 6 月開催）で、優占化技術の研究成果を発表予定（講演要旨は受理済）である。
④ 連続式の加圧熱水処理装置、水素発酵・メタン発酵装置を主設備とするプラントについて、特許出願中である。これには、福島イノベーション構想に対応できるよう放射性セシウムが含まれるメタン発酵消化液を処理し、セシウムを固定化する濁水処理装置を併設している。

図表 7 ：濁水処理装置
図表 6 ： 10L ベンチスケールプラントのフロー（別添１）

13
今後の課題
① 水素生成ミクロフローラの発芽促進と優良菌種の培養法
加圧熱水処理で優占化された水素生成ミクロフローラの発芽時間を短縮化することで、水素発酵の HRT を縮小し、プラントの小規模化が可能となる。ミクロフローラの発芽には、発酵原料に含まれるアミノ酸，糖質および無機イオンなど最適な発芽誘起物質を特定して、発芽の早期化及び高速化を実現できる培養法の開発を進めると共に高効率に水素生成する Clostridium 属優良菌種の培養法を確立する必要がある。
② メタン発酵消化液に含まれるセシウム等の分離固定化技術
福島イノベーションコースト構想での浪江町との事業化においては、メタン発酵消化液の処理が大きな課題であり、特にセシウムの挙動と固定化について十分検証していくことが必要である。
③ 小規模プラントにおける複合化と熱制御技術
ベンチスケールプラントでの加温に要する熱量は、滅菌装置の加温および各機器の放熱損失を含め、 20,000 ｋ J/ 日（約 5,000kcal/ 日）程度であり、時間換算で約 840kJ/h 程度となる。この熱量を確保するためには、炭化原料 ( 絶乾木質換算） 0.2kg/h ～ 0.4kg/h
をその処理量とすればよく、非常に小さな炭化装置で熱の供給が可能である。
しかし、炭化装置の運転は原料の性状により変化することが多く、特に小型炭化炉では、安定した運転の維持が難しくなる。このため、ベンチスケールでは電気ヒーターで加温等を行う予定である。

４．次フェーズに向けた研究開発計画
研究開発項目

目標（値）

14
実施担当者

① 優良菌叢の水素生成
ミクロフローラの優占化
手法の技術開発(a) 水素発酵の短縮化(b) 特許化

水素生成ミクロフローラの優占 東京農工大
化をベンチスケールプラントで再現し、早期発芽と安定した優良菌叢構造が形成される制御条件を明らかにする。 24 時間内の早期発芽を目標とする。
現地試験でのデータを反映させて優良菌叢の優占化法を確立し、特許取得を確実にする。

東京農工大
株式会社トッププランニングJAPAN

日量 10L ベンチスケールプラン
トで、連続して優良ミクロフローラの優占化手法を再現し、多様な原料で 0.05L-H2/g-VS 以上の水素を生産する実証技術を確立し、パイロットプラントの設計データを蓄積する。

株式会社トッププランニング
JAPAN
東京農工大

② 安定的二相循環メタン発酵処理技術の開発(a) スケールアップ利用技術開発

15
研究開発項目(b) 特許化

目標（値）

実施担当者

上記技術をプラントの制御シス
テムとして知財化する。

株式会社トッププランニング
JAPAN
東京農工大学

フェーズＢでの協力を承諾いた
だいている、大田原市、浪江町にて現地試験を行う。特に、浪江町では、メタン発酵消化液に含まれる放射性セシウムの挙動・固定化について浪江町と共同にて協議し評価する。

株式会社トッププランニング
JAPAN
東京農工大学③ 実証試験
(a) 自治体での現地試
験４．２．次フェーズの目標設定の根拠・理由
研究開発
項目

16

目標設定の根拠・理由①-(a)水素生成ミクロフローラ優占化技術の確立には、優良菌叢の発芽早期化を含めた培養技術の開発、ＨＲＴの短縮化及びプラントの小規模化が必要であり、特許の付加価値を高めるために精緻な実証試験データの収集が期待される。

①-(b)高効率水素生成ミクロフローラ優占化技術と水素生産システムの特許化ができれば、事業化において有望な知財になる。

②-(a)原料とメタン発酵消化液を混合して加圧熱水処理することで、原料の分解率を向上させ、高効率水素発酵が可能となる。連続式の加圧熱水処理を組み入れることで、２相式メタン発酵システムをコンパクトに構成できる。安定した高効率な水素・メタン生産を実現するためには、優良ミクロフローラを維持するための制御システムの開発が必要で、本ベンチスケールプラントの連続試験により、加圧熱水処理装置と連動させる水素発酵とメタン発酵の制御システムについて実証する。

②-(b)メタン発酵消化液に含まれるセシウムを処理・固定化するため、システムに濁水処理装置を追加することを検討し、それらの結果を知財化する。

③-(a)ベンチスケールプラントでの現地試験にて、エネギー・マテリアル収支のデータを収集し、パイロットプラント設計に反映させるとともに採算性についての検証が必要である。福島イノベーションコースト構想での事業化については、メタン発酵におけるセシウムの挙動と固定化の検討が必須である。

17４．３． 次フェーズ以降の実施計画
2017Fy2018Fy

実施内容
上半期① 優良水素生成
ミクロフローラ
優占化技術開発② 二相式メタン発酵処理技術の開発③ ベンチスケー
ルプラントでの実証試験④ パイロットプ
ラントの設計・実証試験⑤ ユーザー評価期間⑥ 開発終了時期⑦ 商用装置の設計・製造⑧ 販売開始

下半期

上半期

下半期

2019Fy2020Fy2021Fy５．実用化・事業化へ向けたプラン

18(1) 小規模高効率プラント
二相式メタン発酵処理で生産される水素・メタンは次世代の重要なクリーンエネルギーであるが、現状のエネルギーは安価であるので、製造コストは処理量を大規模にしなければ利益を得られるほど安くはならない。本提案システムでは、二相式メタン発酵によりHRT の短縮化とプラントの小規模化を実現し、ガス生産量を増大させることで採算性を向上させて事業に結実させる。
(2) 高環境価値プラント
環境面の付加価値として、加圧熱水処理により原料分解率を高めて水素発酵することで廃液中の BOD は約 1/3 程度に低減できる。本提案の二相式メタン発酵処理装置は、各事業所で廃水処理施設を拡張しないで生産を拡大できるメリットがある。また、廃液からクリーンエネルギーを生産して利用することは、企業イメージを高める宣伝効果を持つので、このような波及効果を含めて提案していく。
(3) 放射性セシウム対応
福島イノベーションコースト構想での事業化では、放射性セシウムの挙動及び固定化を検討する。ベンチスケールではセシウムの挙動を検証し、濁水処理によるセシウム固定化※を検討して、実用化につなげていく。
※
平成 23 年度除染技術実証事業、環境学会誌「生物物理化学的放射能除染等の新技術開発と業過」生物膜法研究委員会
図表 8 ：放射性セシウム炭素固定化
処理のフロー図 ( 案）（別添 2 ）19
図表 9 ：開発体制(3) 開発体制
・ プラント部門に ( 株 ) 明電舎をアドバイザーとして置き、試験・実証を進めて事業化を行う。
・ 運転管理では東京発電 ( 株 ) と連携を組む。
図表 10 ：知財取得計画(4) 知財取得計画
・ ①、②は、フェーズＡで2017
年 2 月、 3 月に特許申請を行う。
・ ③、④は、フェーズＢで特許申請を行う。
④は、濁水処理装置にてメタン発酵消化液の汚泥及び廃液のセシウム含量を分析し、セシウ

(5) ビジネスプラン
図表 11 ：自治体の主な納入実績 生ごみ主体
・市場概要
・自治体のバイオマス処理は、大規模単相湿式が主流。
・二相式は、単相式より有機物分解率とガス発生量の増加お及び滞留時間の減少で建設コスト削減も期待されるが、まだ実証試験レベルである。
酸生成槽とメタン発酵槽の効率的な運転方法などの確立が課題（菌相の環境制御が難しい）
・市場規模
・家畜廃棄物：堆肥が主流、腐熟堆肥の流通が課題。
・食品廃棄物：この分野の利活用が大き
図表 12 ：バイオマス活用推進専門家会議資料な課題。
・下水道汚泥：加温や汚泥焼却炉の補助燃量として利用、近年では、消化ガス化発電が実用化されているが、設備維持費の増大が課題
水素生成ミクロフローラ優占化技術により効率的な菌叢の環境制御を実現し、未利用家畜廃棄物と未利用食品廃棄物の市場の獲得を目指す。

2021
・大田原市の試算
協力自治体の大田原市のバイオマス活用推進計画から家畜糞尿 7ton 、塵芥 1ton ＝8ton/d 処理の概算コスト試算を行った。
今回の成果からグルーコース 0.375 ｇ /100 ｍｌに対して、 t-vs あたり水素 192 ㎥
2.5GJ、メタン 155 ㎥ 6.2GJ となる。本試算では、有機分 70 ％分解率として、水素ガス
売電1075/㎥ / ｄ、メタン 868 ㎥ / ｄとした。

22・環境負荷低減効果
売電 バイオガス化施設
3,415,000Kw×0.0005t-CO2/kwh ＝ 1,707t-co2/ 年
参考：温室効果ガス排出量算定・報告・公表制度

今後の事業化においては、ベンチスケールプラントにて実証試験を行い、中小規模自治体をターゲットした 10t/ 日以下でも経済性にメリットの合うシステム作りを目指す。事例として、安曇野市のバイオガスプラントが 7ton/ 日で建設コストが 5 億円となっていることから同規模でで 5 億円以下の建設コスト、投資回収 5 年以下を目標とする。

別添１ 10L ベンチスケールプラントのフロー図23

別添 2 放射性セシウム炭素固定化処理のフロー図
( 案）

24

別添 3

25

協力自治体との協議

大田原市役所との会議

津久井市長への説明

浪江町役場との会議
本間副町長
長尾復興推進課（経産省駐在員）

魚沼市役所との会議

前大平市長、星農林課長

いわき市役所との会議

吉田下水道事業課長補佐