JP2004215648A - バイオマスを用いたガス製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】効率よくしかも低コストで、メタンおよび水素等の有益なエネルギー資源としてのガスを製造できるバイオマスを用いたガス製造方法を提供する。
【解決手段】細片化された木質バイオマスに、茸栽培廃床の細片を混合した後、メタン細菌含有物質を添加し、嫌気状態下での発酵により少なくともメタンを含む混合ガスを発生させることを特徴とするバイオマスを用いたガス製造方法。
【選択図】 図１
【解決手段】細片化された木質バイオマスに、茸栽培廃床の細片を混合した後、メタン細菌含有物質を添加し、嫌気状態下での発酵により少なくともメタンを含む混合ガスを発生させることを特徴とするバイオマスを用いたガス製造方法。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタン細菌を利用し木質バイオマスを発酵させ、メタン等の有益なガスを製造するバイオマスを用いたガス製造方法に関する。
【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、とくに木質バイオマスからは、一般に、嫌気性細菌であるメタン細菌を用いた発酵により、メタン等のエネルギー資源が回収されている（特許文献１）。
【０００４】
ところで、木質バイオマスの主要成分はセルロース、ヘミセルロース、リグニンの３つであるが、このうちリグニンはメタン発酵の基質とはなり得ず、かえってメタン細菌による発酵を阻害するおそれがあるため、発酵の前工程において分離、分解等により除去することが好ましい。しかし、バイオマスからメタン細菌によりメタンを発生させる一連の処理システムにリグニンの分離工程を追加したり、また、事前に何らかの薬剤を投入することによりリグニンを分解等させたのでは、処理システムが煩雑化するとともにコストアップは避け難い。
【０００５】
このため、従来は、単一の発酵槽に細片化した木質バイオマスをそのまま投入しリグニンを含有した状態で発酵させるような発酵システムが採用されている（特許文献２）。
【０００６】
また、従来の発酵システムにおいては主にメタンを生成しているが、メタンに加え、優れたエネルギー転換効率を有し、かつ合成原料としても極めて利用価値の高い水素および工業上広範に利用される二酸化炭素を得ることができれば、バイオマスを用いた新たなエネルギー供給システムおよび生成物の利用システムを構築することもできる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０５−１２３６９３号公報
【特許文献２】
特開平１０−１１８６７１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の課題は、効率よくしかも低コストで、メタンおよびその他の有益なエネルギー資源としてのガスを製造することが可能なバイオマスを用いたガス製造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、本発明のバイオマスを用いたガス製造方法は、細片化された木質バイオマスに、茸栽培廃床の細片を混合した後、メタン細菌含有物質を添加し、嫌気状態下での発酵により少なくともメタンを含む混合ガスを発生させることを特徴とする方法からなる。
【００１０】
上記メタンの、発熱量（燃焼エンタルピーの絶対値）は約５６ＭＪＫｇ−１であり、石油の４４ＭＪＫｇ−１、エタノールの３０ＭＪＫｇ−１、メタノールの２３ＭＪＫｇ−１に比べて大きく、有効なエネルギー資源である。これに対し、水素の発熱量は１４３ＭＪＫｇ−１であり極めて大きい。また、水素は、化合物の合成原料としても利用価値が高い。したがって、メタンと水素を同時に製造することができれば、新たなエネルギー供給システム等を構築することができる。
【００１１】
一般に発酵効率は、ｐＨにより大きく左右される。したがって、本発明における発酵に際してもｐＨを最適範囲（本発明においてはｐＨ＝７以上）に設定することが好ましい。しかし、茸栽培廃床の細片は強酸性（ｐＨ＝５）を呈する。このため、本発明における発酵に際してはｐＨ調整物質を添加し、ｐＨを調整することが好ましい。ｐＨ調整物質としては水酸化カルシウム等のアルカリ性物質を挙げることができる。
【００１２】
また、上記発酵に際しては、発酵促進剤を添加することが好ましい。発酵促進剤はとくに限定されるものではないが、たとえば廃乳等の動物性タンパク質含有物質、あるいは植物性タンパク質含有物質を挙げることができる。
【００１３】
また、上記発酵に際しては、予め家畜糞尿を添加し併せて該家畜糞尿を発酵処理することも可能である。家畜糞尿は、それ自身をメタン細菌含有物質としてそれからメタン等のガスを得ようとすると、一般に効率が極めて低いので、現実には処理に困っているのが実情である。そこで、本発明に係る高効率のガス製造方法と組み合わせることで、現実の処理が可能となり、堆肥までへの大量処理が可能となる。また、近年臭気や環境汚染の観点から処理方法の規制化が検討されている牛糞等の家畜糞尿に対し有効な処理・活用方法を与えることができる。
【００１４】
木質バイオマスは、とくに限定されるものではないが、たとえば真竹、孟宗竹等の竹を原料とする木質バイオマスを使用することができる。上記竹もとくに限定されるものではないが、好ましくは孟宗竹を挙げることができる。孟宗竹等の竹の成育環境は高温、多湿であることが好ましい。また、竹とくに孟宗竹の成長は極めて早い。このため、気候が孟宗竹の成育環境に好適な日本および東南アジア諸国においては孟宗竹は広く分布しており、多量に収穫し利用したとしても資源が枯渇するおそれはなく、自然環境を破壊することはない。
【００１５】
本発明により製造される混合ガス中には少なくともメタンガスが含まれるが、その他のガスとしては二酸化炭素、水素が含まれる。メタンガス、水素はたとえば燃料電池の電池活物質等として、二酸化炭素は代替フロンの熱交換媒体等として広範な用途が考えられる。また、混合ガスからは天然ガス状物質を分離することもできる。なお、本発明中における天然ガス状物質とは、メタン等の炭化水素を主成分とする可燃性のガスをいう。
【００１６】
上記発酵に関与するメタン細菌は、絶対嫌気性細菌である。したがって、本発明における発酵は、嫌気状態下で光を遮断して行う必要がある。このような環境下においては絶対嫌気性細菌であるメタン細菌の活性が向上されるので、効率的な発酵を実現できる。なお、本明細書におけるメタン細菌とは、メタン産生菌に含まれる一群の細菌をいう。
【００１７】
上記嫌気状態を実現する方法はとくに限定されるものではないが、たとえば発酵槽内に二酸化炭素または水素を導入すれば容易にしかも確実に嫌気状態を実現することができる。
【００１８】
上記メタン細菌含有物質は、とくに限定されるものではなく、メタン細菌を含有する物質であればよい。たとえば汚泥（たとえば、下水汚泥）や、河川、海、湖等の水底に堆積されたヘドロを利用することができる。このような汚泥、ヘドロをメタン細菌含有物質として利用すれば、発酵コストを低減しつつ、河川等の環境浄化、ひいてはバイオマスの生産を促す環境形成に寄与することもできる。
【００１９】
上記茸栽培廃床もとくに限定されるものではなく、茸栽培床であれば広く適用できる。好ましくは、平茸栽培廃床、椎茸栽培廃床、マイ茸栽培廃床、シメジ茸栽培廃床、エリンギ茸栽培廃床、榎茸栽培廃床を挙げることができる。
【００２０】
上記のようなバイオマスを用いたガスの製造方法においては、発酵前の木質バイオマスに茸栽培廃床の細片が混合される。該茸栽培廃床の細片は、酸性の粉状物であり、また種々の細菌が共生しているものである。このため、茸栽培廃床中に含まれる白色菌類の作用等によりリグニンを分解することができる。したがって、以降の発酵工程において、セルロース、ヘミセルロースを基質とした発酵が促進され、メタン、水素等の混合ガスを効率的に製造することができる。また、リグニンの分離された木質バイオマスと茸栽培廃床の混合物にｐＨ調整物質を添加し、該混合物のｐＨをメタン細菌の活動に最適な範囲に調整すれば（本発明ではｐＨ＝７以上）その後の発酵におけるメタン、水素等の混合ガスの製造効率を大幅に向上できる。なお、従来、椎茸栽培等に用いられた後に生じる多量の茸栽培廃床には、有効な再利用方法が与えられておらず、専らゴミとして焼却等により処分されていた。しかし、本発明によれば、茸栽培廃床に有効利用の途を与えることができる。また、併せてゴミの減量化にも寄与できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るバイオマスを用いたガスの製造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は、本発明の第１実施態様に係るバイオマスを用いたガスの製造方法の概略工程図である。本実施態様においては、森林等から採取された森林バイオマス１は、チッパー２により、約１ｃｍ×０．５ｃｍ角以下のチップ３に粉砕され、さらに洗浄４されて木質バイオマス５の細片が製造される。次にこの木質バイオマス５に予め粉砕した茸栽培廃床６の細片を投入する。
【００２２】
次に、木質バイオマス５と茸栽培廃床６とを混合し、この混合物７を１〜２週間程度放置する。そして、該混合物７にメタン細菌含有物質８を投入し嫌気状態にされた発酵槽内で光を遮断して発酵させる（発酵工程９）。このとき、メタン細菌含有物質８とともに、廃乳等の発酵促進剤を投入すると、発酵効率の向上が可能である（図示略）。なお、発酵槽内に二酸化炭素または水素を導入すれば発酵槽内を容易にしかも確実に嫌気状態にすることができる。
【００２３】
メタン細菌含有物質８は、とくに限定されるものではなく、たとえば水底に堆積したヘドロあるいは各種の汚泥を使用できる。
【００２４】
そして、発酵工程９における発酵により、木質バイオマス５からメタン、水素、二酸化炭素を含む混合ガス１０が生成される。さらに、混合ガス１０はガス分離工程１１において分離され新たなエネルギー資源として利用される。
【００２５】
本実施態様のようなバイオマスを用いたガスの製造方法においては、発酵される前の木質バイオマス５に茸栽培廃床６の細片が投入される。該茸栽培廃床６は酸性の粉状物であり、また種々の細菌が共生しているものである。このため、たとえば茸栽培廃床６中に含まれる白色菌類の作用等により木質バイオマス５中のリグニンを分解することができる。したがって、混合物７中から発酵を阻害するおそれのあるリグニンを除去することができるので、効率的な発酵が可能となり、メタン、水素、二酸化炭素等の混合ガス１０を効率よく製造することができる。なお、茸栽培廃床６は従来専らゴミとして焼却等により処分されていたものであるが、本発明によれば多量に排出される茸栽培廃床６に有効利用の途を与えることができるとともに、ゴミの減量化にも寄与できる。
【００２６】
また、本実施態様においては、メタンの他に水素、二酸化炭素、天然ガス状物質を容易に生成することができる。上述のように水素は、エネルギー資源としてのみならず、合成原料としても多種、多様な用途を有している。したがって、新たなエネルギー供給システム等の構築に寄与することもできる。また、図２に示すように、ガス分離工程１１において混合ガス１０中から分離された二酸化炭素１２は液化処理１３された後、出荷され各種の用途（たとえば、フロン代替冷媒等）に使用される。一方、メタンを含有する天然ガス状物質１４も液化処理１５された後、出荷され家庭用、工業用のエネルギー源として使用されるようになっている。なお、上記液化処理１３、１５は加圧、冷却およびそれらの組合せ等の公知の処理方法の中から最適な方法を選択できる。
【００２７】
また、本実施態様においては、メタン細菌含有物質８としてヘドロが用いられている。したがって、発酵コストを低減できるとともに、河川等の環境浄化、ひいてはバイオマスの再生産を促す環境形成に寄与することもできる。
【００２８】
図３は、本発明の第２実施態様に係るバイオマスを用いたガス製造方法の概略工程図である。図において、１６はチップ処理および洗浄処理がなされた木質バイオマスとしての竹（孟宗竹）材料１６を示している。竹材料１６に茸栽培廃床１７および水を加え、両者を混合、放置等し予め前処理１８を施す。これに廃乳等からなる発酵促進剤１９および／または家畜糞尿２０を添加しさらに発酵工程２１において発酵させる。発酵により得られた混合ガス２２からは、たとえば図２に示したと同様のガス分離工程２４に供され、二酸化炭素を分離し液化処理した後出荷したり、天然ガス状物質を分離し液化処理した後出荷したりする。なお、発酵工程２１による残渣中には植物の生育に必要不可欠な栄養素（窒素、リン酸、カリウム等）が豊富に含まれているので、残渣は堆肥２３として使用することができる。
【００２９】
本実施態様においては、バイオマスの発酵により有益な混合ガス２２を回収しつつ、大量の家畜糞尿２０を使用し堆肥２３を得ることができる。つまり、図１に示したようなプロセスに、家畜糞尿２０の処理、さらには廃乳等の発酵促進剤１９の添加プロセスを加えることにより、従来大量処理が困難であった家畜糞尿２０の処理を効率よく行うことができるようになる。
【００３０】
【実施例】
次に、本発明に係るバイオマスを用いたガス製造方法についての具体的な実施例について説明する。
【００３１】
実施例１
まず、はじめに森林から採取した倒木等の廃材から１ｃｍ×０．５ｃｍ以下の廃材チップを作り、これを洗浄４し木質バイオマス５を生産した。この木質バイオマス５に、予め細片にされた茸栽培廃床６および水を加えよく混合し混合物７を得た。なお、本実施例においては木質バイオマス５と茸栽培廃床６とを同量ずつ混合しているが、この混合比率は変更することができる。
【００３２】
上述のようにして得られた混合物７を１〜２週間程度放置した。さらに、混合物７にメタン細菌含有物質８としてヘドロを加えた。なお、メタン細菌含有物質８としてのヘドロの添加量は、適宜変更できる。
【００３３】
そして、混合物７にヘドロを添加したものを発酵工程９に送り発酵槽内において発酵させた。該発酵は、発酵槽内に二酸化炭素を導入し内部を嫌気状態とし、光を略完全に遮断して行った。また、発酵槽内の温度は２５〜３０℃に維持した。
【００３４】
上記により製造された混合ガス１０中には、メタン、水素、二酸化炭素が含まれていた。製造されたガスの量は、木質バイオマス５（１ｋｇ）、茸栽培廃床６（１ｋｇ）、ヘドロ（１ｋｇ）、合計重量略３ｋｇに対し、メタン約３０％（９００ｇ）、水素約２０％（６００ｇ）、二酸化炭素約２０％（６００ｇ）であった。また、約３０％（９００ｇ）の残渣が生じた。本実施例および以下の実施例により製造される混合ガス１０中には、メタンが３０％〜６０％、二酸化炭素２０％〜４０％、水素およびその他のガスが２０％〜４０％含まれる。なお、混合ガス１０中における各ガスの分圧は、木質バイオマス５、廃床６、メタン細菌含有物質８の種類、および混合割合により変更することができる。
【００３５】
実施例２
孟宗竹５００ｇを洗浄し細片にし木質バイオマス５とした。これに水５００ｍｌおよび茸栽培廃床６としての平茸栽培廃床２５０ｇを加え、混合物７を得てこれを１〜２週間放置した。上記混合物７（７５ｇ）にメタン細菌含有物質８としてヘドロ（神奈川県内の芝川の川底に堆積したヘドロ）を同量（７５ｇ）加えた。さらにｐＨ調整物質として水酸化カルシウム水溶液を加え、ｐＨを７以上に調整し、これを発酵させ発生した混合ガス１０を経時的に定量した。
【００３６】
実施例３
茸栽培廃床６として椎茸栽培廃床を用いた以外は実施例１と全く同一の条件で発酵させ、混合ガス１０を経時的に定量した。
【００３７】
実施例４
孟宗竹３００ｇを洗浄し細片にし木質バイオマス５とした。これに水４００ｍｌおよび茸栽培廃床６としてマイ茸栽培廃床１５０ｇを加え、混合物７を得てこれを１〜２週間放置した。上記混合物７（７５ｇ）にメタン細菌含有物質８としてヘドロを同量（７５ｇ）加えた。さらにｐＨ調整物質として水酸化カルシウム水溶液を加えｐＨを７以上に調整し、これを発酵させ発生した混合ガス１０を経時的に定量した。
【００３８】
実施例５
茸栽培廃床６としてシメジ茸栽培廃床▲１▼を用い木質バイオマス５に添加する水の量を２００ｍｌに変更し、それ以外は、実施例４と全く同一の条件で発酵させ、発生した混合ガス１０を経時的に定量した。
ここでシメジ茸栽培廃床▲１▼は、シメジ茸を収穫後に栽培廃床を屋外に数ヶ月間放置した後の廃床を細片に切断したものである。
【００３９】
実施例６
茸栽培廃床６としてエリンギ茸栽培廃床を用いた以外は、実施例４と全く同一の条件で発酵させ、発生した混合ガス１０を経時的に定量した。
【００４０】
実施例７
茸栽培廃床６としてシメジ茸栽培廃床▲２▼を用いた以外は、実施例４と全く同一の条件で発酵させ、発生した混合ガス１０を経時的に定量した。
ここでシメジ茸栽培廃床▲２▼は、シメジ茸を収穫した後に直ちに廃床を細片に切断したものである。
【００４１】
実施例８
茸栽培廃床６として榎茸栽培廃床を用いた以外は、実施例４と全く同一の条件で発酵させ、発生した混合ガス１０を経時的に定量した。
【００４２】
実施例９
発酵の際にｐＨ調整物質としての水酸化カルシウム水溶液を添加せずに発酵を行った以外は、実施例５と全く同一の条件とした。実施例５との混合ガス１０の発生量との対比を図４に示した。
【００４３】
比較例１、２
孟宗竹３００ｇを洗浄し細片にし木質バイオマス５とした。これに水４００ｍｌを加えて１〜２週間放置し混合物７とした。該混合物７（７５ｇ）にヘドロを同量（７５ｇ）加え、さらにｐＨ調整物質として水酸化カルシウム水溶液を加えｐＨを７以上に調整した後、発酵させた（比較例１）。一方、混合物７（７５ｇ）にヘドロを同量（７５ｇ）加え、これを発酵させた（比較例２）。比較例１、２の混合ガス１０の発生状態を図５に示した。
【００４４】
実施例２〜９、比較例１、２の結果を表１に、得られたデータを主成分負荷量分析した結果を表す表２に示すとともに、図４〜図７に示した。図７は、表２に対応する主成分負荷量分布を示している。
【００４５】
【表１】
【００４６】
【表２】
【００４７】
上記実施例２〜９、比較例１、２からわかるように、孟宗竹に茸栽培廃床６を加え予めリグニンを分解処理する場合は（実施例２〜９）、処理しない場合（比較例１、２）に比べて発酵により多量の混合ガス１０を効率よく発生させることができる。また、とくに平茸栽培廃床、椎茸栽培廃床により処理すると混合ガス１０を効率よく発生させることができる。また、実施例５と実施例９との比較から明らかなように、発酵の際にはｐＨを７近傍あるいは７以上に調整することにより、メタン細菌が活性化され混合ガス１０の発生量を増加することができる。また、得られたデータの変数成分のうち、表２、図７に示した主成分１は、時間を変数とした場合時間の経過と共に増加していることから、明らかにガス発生量と解釈することができるが、主成分１に直交する変数成分としての主成分２が何に関与するファクターかは現状では不明である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のバイオマスを用いたガス製造方法によるときは、木質バイオマスの発酵を阻害するおそれのあるリグニンを、効果的にしかも低コストで分離等することができるので、発酵によりメタン等を効率よく得ることができる。また、メタン細菌含有物質としては汚泥やヘドロ等を利用することができるので、発酵コストを低減しつつ、環境浄化にも寄与できる。また、メタンのみならず、利用価値の高い水素等も同時に製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施態様に係るバイオマスを用いたガス製造方法を示す工程図である。
【図２】本発明の第１実施態様に係るバイオマスを用いたガス製造方法により得られた混合ガスから二酸化炭素と天然ガス状物質を分離する工程図である。
【図３】本発明の第２実施態様に係るバイオマスを用いたガス製造方法の工程図である。
【図４】各茸栽培廃床の時間に対する混合ガスの発生量を示すグラフである。
【図５】シメジ茸栽培廃床を使用した場合において、ｐＨ調整の有無による混合ガス発生量の差を示すグラフである。
【図６】茸栽培廃床を添加しない場合における混合ガス発生量を示すグラフである。
【図７】実施例、比較例で得られたデータの主成分負荷量分布図である。
【符号の説明】
１ 森林バイオマス
２ チッパー
３ チップ
４ 洗浄
５ 木質バイオマス
６、１７ 茸栽培廃床
７ 混合物
８ メタン細菌含有物質
９、２１ 発酵工程
１０、２２ 混合ガス
１１、２４ ガス分離工程
１２ 二酸化炭素
１３、１５ 液化処理
１４ 天然ガス状物質
１６ 木質バイオマスとしての竹材料
１８ 前処理
１９ 発酵促進剤
２０ 家畜糞尿
２３ 堆肥
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタン細菌を利用し木質バイオマスを発酵させ、メタン等の有益なガスを製造するバイオマスを用いたガス製造方法に関する。
【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、とくに木質バイオマスからは、一般に、嫌気性細菌であるメタン細菌を用いた発酵により、メタン等のエネルギー資源が回収されている（特許文献１）。
【０００４】
ところで、木質バイオマスの主要成分はセルロース、ヘミセルロース、リグニンの３つであるが、このうちリグニンはメタン発酵の基質とはなり得ず、かえってメタン細菌による発酵を阻害するおそれがあるため、発酵の前工程において分離、分解等により除去することが好ましい。しかし、バイオマスからメタン細菌によりメタンを発生させる一連の処理システムにリグニンの分離工程を追加したり、また、事前に何らかの薬剤を投入することによりリグニンを分解等させたのでは、処理システムが煩雑化するとともにコストアップは避け難い。
【０００５】
このため、従来は、単一の発酵槽に細片化した木質バイオマスをそのまま投入しリグニンを含有した状態で発酵させるような発酵システムが採用されている（特許文献２）。
【０００６】
また、従来の発酵システムにおいては主にメタンを生成しているが、メタンに加え、優れたエネルギー転換効率を有し、かつ合成原料としても極めて利用価値の高い水素および工業上広範に利用される二酸化炭素を得ることができれば、バイオマスを用いた新たなエネルギー供給システムおよび生成物の利用システムを構築することもできる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０５−１２３６９３号公報
【特許文献２】
特開平１０−１１８６７１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の課題は、効率よくしかも低コストで、メタンおよびその他の有益なエネルギー資源としてのガスを製造することが可能なバイオマスを用いたガス製造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、本発明のバイオマスを用いたガス製造方法は、細片化された木質バイオマスに、茸栽培廃床の細片を混合した後、メタン細菌含有物質を添加し、嫌気状態下での発酵により少なくともメタンを含む混合ガスを発生させることを特徴とする方法からなる。
【００１０】
上記メタンの、発熱量（燃焼エンタルピーの絶対値）は約５６ＭＪＫｇ−１であり、石油の４４ＭＪＫｇ−１、エタノールの３０ＭＪＫｇ−１、メタノールの２３ＭＪＫｇ−１に比べて大きく、有効なエネルギー資源である。これに対し、水素の発熱量は１４３ＭＪＫｇ−１であり極めて大きい。また、水素は、化合物の合成原料としても利用価値が高い。したがって、メタンと水素を同時に製造することができれば、新たなエネルギー供給システム等を構築することができる。
【００１１】
一般に発酵効率は、ｐＨにより大きく左右される。したがって、本発明における発酵に際してもｐＨを最適範囲（本発明においてはｐＨ＝７以上）に設定することが好ましい。しかし、茸栽培廃床の細片は強酸性（ｐＨ＝５）を呈する。このため、本発明における発酵に際してはｐＨ調整物質を添加し、ｐＨを調整することが好ましい。ｐＨ調整物質としては水酸化カルシウム等のアルカリ性物質を挙げることができる。
【００１２】
また、上記発酵に際しては、発酵促進剤を添加することが好ましい。発酵促進剤はとくに限定されるものではないが、たとえば廃乳等の動物性タンパク質含有物質、あるいは植物性タンパク質含有物質を挙げることができる。
【００１３】
また、上記発酵に際しては、予め家畜糞尿を添加し併せて該家畜糞尿を発酵処理することも可能である。家畜糞尿は、それ自身をメタン細菌含有物質としてそれからメタン等のガスを得ようとすると、一般に効率が極めて低いので、現実には処理に困っているのが実情である。そこで、本発明に係る高効率のガス製造方法と組み合わせることで、現実の処理が可能となり、堆肥までへの大量処理が可能となる。また、近年臭気や環境汚染の観点から処理方法の規制化が検討されている牛糞等の家畜糞尿に対し有効な処理・活用方法を与えることができる。
【００１４】
木質バイオマスは、とくに限定されるものではないが、たとえば真竹、孟宗竹等の竹を原料とする木質バイオマスを使用することができる。上記竹もとくに限定されるものではないが、好ましくは孟宗竹を挙げることができる。孟宗竹等の竹の成育環境は高温、多湿であることが好ましい。また、竹とくに孟宗竹の成長は極めて早い。このため、気候が孟宗竹の成育環境に好適な日本および東南アジア諸国においては孟宗竹は広く分布しており、多量に収穫し利用したとしても資源が枯渇するおそれはなく、自然環境を破壊することはない。
【００１５】
本発明により製造される混合ガス中には少なくともメタンガスが含まれるが、その他のガスとしては二酸化炭素、水素が含まれる。メタンガス、水素はたとえば燃料電池の電池活物質等として、二酸化炭素は代替フロンの熱交換媒体等として広範な用途が考えられる。また、混合ガスからは天然ガス状物質を分離することもできる。なお、本発明中における天然ガス状物質とは、メタン等の炭化水素を主成分とする可燃性のガスをいう。
【００１６】
上記発酵に関与するメタン細菌は、絶対嫌気性細菌である。したがって、本発明における発酵は、嫌気状態下で光を遮断して行う必要がある。このような環境下においては絶対嫌気性細菌であるメタン細菌の活性が向上されるので、効率的な発酵を実現できる。なお、本明細書におけるメタン細菌とは、メタン産生菌に含まれる一群の細菌をいう。
【００１７】
上記嫌気状態を実現する方法はとくに限定されるものではないが、たとえば発酵槽内に二酸化炭素または水素を導入すれば容易にしかも確実に嫌気状態を実現することができる。
【００１８】
上記メタン細菌含有物質は、とくに限定されるものではなく、メタン細菌を含有する物質であればよい。たとえば汚泥（たとえば、下水汚泥）や、河川、海、湖等の水底に堆積されたヘドロを利用することができる。このような汚泥、ヘドロをメタン細菌含有物質として利用すれば、発酵コストを低減しつつ、河川等の環境浄化、ひいてはバイオマスの生産を促す環境形成に寄与することもできる。
【００１９】
上記茸栽培廃床もとくに限定されるものではなく、茸栽培床であれば広く適用できる。好ましくは、平茸栽培廃床、椎茸栽培廃床、マイ茸栽培廃床、シメジ茸栽培廃床、エリンギ茸栽培廃床、榎茸栽培廃床を挙げることができる。
【００２０】
上記のようなバイオマスを用いたガスの製造方法においては、発酵前の木質バイオマスに茸栽培廃床の細片が混合される。該茸栽培廃床の細片は、酸性の粉状物であり、また種々の細菌が共生しているものである。このため、茸栽培廃床中に含まれる白色菌類の作用等によりリグニンを分解することができる。したがって、以降の発酵工程において、セルロース、ヘミセルロースを基質とした発酵が促進され、メタン、水素等の混合ガスを効率的に製造することができる。また、リグニンの分離された木質バイオマスと茸栽培廃床の混合物にｐＨ調整物質を添加し、該混合物のｐＨをメタン細菌の活動に最適な範囲に調整すれば（本発明ではｐＨ＝７以上）その後の発酵におけるメタン、水素等の混合ガスの製造効率を大幅に向上できる。なお、従来、椎茸栽培等に用いられた後に生じる多量の茸栽培廃床には、有効な再利用方法が与えられておらず、専らゴミとして焼却等により処分されていた。しかし、本発明によれば、茸栽培廃床に有効利用の途を与えることができる。また、併せてゴミの減量化にも寄与できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るバイオマスを用いたガスの製造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は、本発明の第１実施態様に係るバイオマスを用いたガスの製造方法の概略工程図である。本実施態様においては、森林等から採取された森林バイオマス１は、チッパー２により、約１ｃｍ×０．５ｃｍ角以下のチップ３に粉砕され、さらに洗浄４されて木質バイオマス５の細片が製造される。次にこの木質バイオマス５に予め粉砕した茸栽培廃床６の細片を投入する。
【００２２】
次に、木質バイオマス５と茸栽培廃床６とを混合し、この混合物７を１〜２週間程度放置する。そして、該混合物７にメタン細菌含有物質８を投入し嫌気状態にされた発酵槽内で光を遮断して発酵させる（発酵工程９）。このとき、メタン細菌含有物質８とともに、廃乳等の発酵促進剤を投入すると、発酵効率の向上が可能である（図示略）。なお、発酵槽内に二酸化炭素または水素を導入すれば発酵槽内を容易にしかも確実に嫌気状態にすることができる。
【００２３】
メタン細菌含有物質８は、とくに限定されるものではなく、たとえば水底に堆積したヘドロあるいは各種の汚泥を使用できる。
【００２４】
そして、発酵工程９における発酵により、木質バイオマス５からメタン、水素、二酸化炭素を含む混合ガス１０が生成される。さらに、混合ガス１０はガス分離工程１１において分離され新たなエネルギー資源として利用される。
【００２５】
本実施態様のようなバイオマスを用いたガスの製造方法においては、発酵される前の木質バイオマス５に茸栽培廃床６の細片が投入される。該茸栽培廃床６は酸性の粉状物であり、また種々の細菌が共生しているものである。このため、たとえば茸栽培廃床６中に含まれる白色菌類の作用等により木質バイオマス５中のリグニンを分解することができる。したがって、混合物７中から発酵を阻害するおそれのあるリグニンを除去することができるので、効率的な発酵が可能となり、メタン、水素、二酸化炭素等の混合ガス１０を効率よく製造することができる。なお、茸栽培廃床６は従来専らゴミとして焼却等により処分されていたものであるが、本発明によれば多量に排出される茸栽培廃床６に有効利用の途を与えることができるとともに、ゴミの減量化にも寄与できる。
【００２６】
また、本実施態様においては、メタンの他に水素、二酸化炭素、天然ガス状物質を容易に生成することができる。上述のように水素は、エネルギー資源としてのみならず、合成原料としても多種、多様な用途を有している。したがって、新たなエネルギー供給システム等の構築に寄与することもできる。また、図２に示すように、ガス分離工程１１において混合ガス１０中から分離された二酸化炭素１２は液化処理１３された後、出荷され各種の用途（たとえば、フロン代替冷媒等）に使用される。一方、メタンを含有する天然ガス状物質１４も液化処理１５された後、出荷され家庭用、工業用のエネルギー源として使用されるようになっている。なお、上記液化処理１３、１５は加圧、冷却およびそれらの組合せ等の公知の処理方法の中から最適な方法を選択できる。
【００２７】
また、本実施態様においては、メタン細菌含有物質８としてヘドロが用いられている。したがって、発酵コストを低減できるとともに、河川等の環境浄化、ひいてはバイオマスの再生産を促す環境形成に寄与することもできる。
【００２８】
図３は、本発明の第２実施態様に係るバイオマスを用いたガス製造方法の概略工程図である。図において、１６はチップ処理および洗浄処理がなされた木質バイオマスとしての竹（孟宗竹）材料１６を示している。竹材料１６に茸栽培廃床１７および水を加え、両者を混合、放置等し予め前処理１８を施す。これに廃乳等からなる発酵促進剤１９および／または家畜糞尿２０を添加しさらに発酵工程２１において発酵させる。発酵により得られた混合ガス２２からは、たとえば図２に示したと同様のガス分離工程２４に供され、二酸化炭素を分離し液化処理した後出荷したり、天然ガス状物質を分離し液化処理した後出荷したりする。なお、発酵工程２１による残渣中には植物の生育に必要不可欠な栄養素（窒素、リン酸、カリウム等）が豊富に含まれているので、残渣は堆肥２３として使用することができる。
【００２９】
本実施態様においては、バイオマスの発酵により有益な混合ガス２２を回収しつつ、大量の家畜糞尿２０を使用し堆肥２３を得ることができる。つまり、図１に示したようなプロセスに、家畜糞尿２０の処理、さらには廃乳等の発酵促進剤１９の添加プロセスを加えることにより、従来大量処理が困難であった家畜糞尿２０の処理を効率よく行うことができるようになる。
【００３０】
【実施例】
次に、本発明に係るバイオマスを用いたガス製造方法についての具体的な実施例について説明する。
【００３１】
実施例１
まず、はじめに森林から採取した倒木等の廃材から１ｃｍ×０．５ｃｍ以下の廃材チップを作り、これを洗浄４し木質バイオマス５を生産した。この木質バイオマス５に、予め細片にされた茸栽培廃床６および水を加えよく混合し混合物７を得た。なお、本実施例においては木質バイオマス５と茸栽培廃床６とを同量ずつ混合しているが、この混合比率は変更することができる。
【００３２】
上述のようにして得られた混合物７を１〜２週間程度放置した。さらに、混合物７にメタン細菌含有物質８としてヘドロを加えた。なお、メタン細菌含有物質８としてのヘドロの添加量は、適宜変更できる。
【００３３】
そして、混合物７にヘドロを添加したものを発酵工程９に送り発酵槽内において発酵させた。該発酵は、発酵槽内に二酸化炭素を導入し内部を嫌気状態とし、光を略完全に遮断して行った。また、発酵槽内の温度は２５〜３０℃に維持した。
【００３４】
上記により製造された混合ガス１０中には、メタン、水素、二酸化炭素が含まれていた。製造されたガスの量は、木質バイオマス５（１ｋｇ）、茸栽培廃床６（１ｋｇ）、ヘドロ（１ｋｇ）、合計重量略３ｋｇに対し、メタン約３０％（９００ｇ）、水素約２０％（６００ｇ）、二酸化炭素約２０％（６００ｇ）であった。また、約３０％（９００ｇ）の残渣が生じた。本実施例および以下の実施例により製造される混合ガス１０中には、メタンが３０％〜６０％、二酸化炭素２０％〜４０％、水素およびその他のガスが２０％〜４０％含まれる。なお、混合ガス１０中における各ガスの分圧は、木質バイオマス５、廃床６、メタン細菌含有物質８の種類、および混合割合により変更することができる。
【００３５】
実施例２
孟宗竹５００ｇを洗浄し細片にし木質バイオマス５とした。これに水５００ｍｌおよび茸栽培廃床６としての平茸栽培廃床２５０ｇを加え、混合物７を得てこれを１〜２週間放置した。上記混合物７（７５ｇ）にメタン細菌含有物質８としてヘドロ（神奈川県内の芝川の川底に堆積したヘドロ）を同量（７５ｇ）加えた。さらにｐＨ調整物質として水酸化カルシウム水溶液を加え、ｐＨを７以上に調整し、これを発酵させ発生した混合ガス１０を経時的に定量した。
【００３６】
実施例３
茸栽培廃床６として椎茸栽培廃床を用いた以外は実施例１と全く同一の条件で発酵させ、混合ガス１０を経時的に定量した。
【００３７】
実施例４
孟宗竹３００ｇを洗浄し細片にし木質バイオマス５とした。これに水４００ｍｌおよび茸栽培廃床６としてマイ茸栽培廃床１５０ｇを加え、混合物７を得てこれを１〜２週間放置した。上記混合物７（７５ｇ）にメタン細菌含有物質８としてヘドロを同量（７５ｇ）加えた。さらにｐＨ調整物質として水酸化カルシウム水溶液を加えｐＨを７以上に調整し、これを発酵させ発生した混合ガス１０を経時的に定量した。
【００３８】
実施例５
茸栽培廃床６としてシメジ茸栽培廃床▲１▼を用い木質バイオマス５に添加する水の量を２００ｍｌに変更し、それ以外は、実施例４と全く同一の条件で発酵させ、発生した混合ガス１０を経時的に定量した。
ここでシメジ茸栽培廃床▲１▼は、シメジ茸を収穫後に栽培廃床を屋外に数ヶ月間放置した後の廃床を細片に切断したものである。
【００３９】
実施例６
茸栽培廃床６としてエリンギ茸栽培廃床を用いた以外は、実施例４と全く同一の条件で発酵させ、発生した混合ガス１０を経時的に定量した。
【００４０】
実施例７
茸栽培廃床６としてシメジ茸栽培廃床▲２▼を用いた以外は、実施例４と全く同一の条件で発酵させ、発生した混合ガス１０を経時的に定量した。
ここでシメジ茸栽培廃床▲２▼は、シメジ茸を収穫した後に直ちに廃床を細片に切断したものである。
【００４１】
実施例８
茸栽培廃床６として榎茸栽培廃床を用いた以外は、実施例４と全く同一の条件で発酵させ、発生した混合ガス１０を経時的に定量した。
【００４２】
実施例９
発酵の際にｐＨ調整物質としての水酸化カルシウム水溶液を添加せずに発酵を行った以外は、実施例５と全く同一の条件とした。実施例５との混合ガス１０の発生量との対比を図４に示した。
【００４３】
比較例１、２
孟宗竹３００ｇを洗浄し細片にし木質バイオマス５とした。これに水４００ｍｌを加えて１〜２週間放置し混合物７とした。該混合物７（７５ｇ）にヘドロを同量（７５ｇ）加え、さらにｐＨ調整物質として水酸化カルシウム水溶液を加えｐＨを７以上に調整した後、発酵させた（比較例１）。一方、混合物７（７５ｇ）にヘドロを同量（７５ｇ）加え、これを発酵させた（比較例２）。比較例１、２の混合ガス１０の発生状態を図５に示した。
【００４４】
実施例２〜９、比較例１、２の結果を表１に、得られたデータを主成分負荷量分析した結果を表す表２に示すとともに、図４〜図７に示した。図７は、表２に対応する主成分負荷量分布を示している。
【００４５】
【表１】
【表２】
上記実施例２〜９、比較例１、２からわかるように、孟宗竹に茸栽培廃床６を加え予めリグニンを分解処理する場合は（実施例２〜９）、処理しない場合（比較例１、２）に比べて発酵により多量の混合ガス１０を効率よく発生させることができる。また、とくに平茸栽培廃床、椎茸栽培廃床により処理すると混合ガス１０を効率よく発生させることができる。また、実施例５と実施例９との比較から明らかなように、発酵の際にはｐＨを７近傍あるいは７以上に調整することにより、メタン細菌が活性化され混合ガス１０の発生量を増加することができる。また、得られたデータの変数成分のうち、表２、図７に示した主成分１は、時間を変数とした場合時間の経過と共に増加していることから、明らかにガス発生量と解釈することができるが、主成分１に直交する変数成分としての主成分２が何に関与するファクターかは現状では不明である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のバイオマスを用いたガス製造方法によるときは、木質バイオマスの発酵を阻害するおそれのあるリグニンを、効果的にしかも低コストで分離等することができるので、発酵によりメタン等を効率よく得ることができる。また、メタン細菌含有物質としては汚泥やヘドロ等を利用することができるので、発酵コストを低減しつつ、環境浄化にも寄与できる。また、メタンのみならず、利用価値の高い水素等も同時に製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施態様に係るバイオマスを用いたガス製造方法を示す工程図である。
【図２】本発明の第１実施態様に係るバイオマスを用いたガス製造方法により得られた混合ガスから二酸化炭素と天然ガス状物質を分離する工程図である。
【図３】本発明の第２実施態様に係るバイオマスを用いたガス製造方法の工程図である。
【図４】各茸栽培廃床の時間に対する混合ガスの発生量を示すグラフである。
【図５】シメジ茸栽培廃床を使用した場合において、ｐＨ調整の有無による混合ガス発生量の差を示すグラフである。
【図６】茸栽培廃床を添加しない場合における混合ガス発生量を示すグラフである。
【図７】実施例、比較例で得られたデータの主成分負荷量分布図である。
【符号の説明】
１ 森林バイオマス
２ チッパー
３ チップ
４ 洗浄
５ 木質バイオマス
６、１７ 茸栽培廃床
７ 混合物
８ メタン細菌含有物質
９、２１ 発酵工程
１０、２２ 混合ガス
１１、２４ ガス分離工程
１２ 二酸化炭素
１３、１５ 液化処理
１４ 天然ガス状物質
１６ 木質バイオマスとしての竹材料
１８ 前処理
１９ 発酵促進剤
２０ 家畜糞尿
２３ 堆肥
Claims (20)
- 細片化された木質バイオマスに、茸栽培廃床の細片を混合した後、メタン細菌含有物質を添加し、嫌気状態下での発酵により少なくともメタンを含む混合ガスを発生させることを特徴とするバイオマスを用いたガス製造方法。
- 細片化された木質バイオマスに、茸栽培廃床の細片を混合した後、メタン細菌含有物質およびｐＨ調整物質を添加し、嫌気状態下で発酵させる、請求項１のバイオマスを用いたガス製造方法。
- 細片化された木質バイオマスに、茸栽培廃床の細片を混合した後、メタン細菌含有物質および発酵促進剤を添加し、嫌気状態下で発酵させる、請求項１または２のバイオマスを用いたガス製造方法。
- 細片化された木質バイオマスに、茸栽培廃床の細片を混合した後、メタン細菌含有物質および家畜糞尿を添加し、嫌気状態下で発酵させる、請求項１ないし３のいずれかに記載のバイオマスを用いたガス製造方法。
- 前記木質バイオマスが竹を原料とする、請求項１ないし３のいずれかに記載のバイオマスを用いたガス製造方法。
- 前記竹として孟宗竹を使用する、請求項５のバイオマスを用いたガス製造方法。
- 前記混合ガスがメタンと水素と二酸化炭素とを含有する、請求項１ないし６のいずれかに記載のバイオマスを用いたガス製造方法。
- 前記混合ガスを各成分ガスに分離する、請求項１ないし７のいずれかに記載のガス製造方法。
- 前記混合ガスから二酸化炭素を分離する、請求項８のバイオマスを用いたガス製造方法。
- 前記混合ガスから天然ガス状物質を分離する、請求項８または９のバイオマスを用いたガス製造方法。
- 嫌気状態下で光を遮断して発酵させる、請求項１ないし１０のいずれかに記載のバイオマスを用いたガス製造方法。
- 二酸化炭素または水素の導入により嫌気状態にする、請求項１ないし１１のいずれかに記載のバイオマスを用いたガス製造方法。
- 前記メタン細菌含有物質として汚泥を使用する、請求項１ないし１２のいずれかに記載のバイオマスを用いたガス製造方法。
- 前記メタン細菌含有物質として水底に堆積したヘドロを使用する、請求項１ないし１２のいずれかに記載のバイオマスを用いたガス製造方法。
- 前記茸栽培廃床として平茸栽培廃床を使用する、請求項１ないし１４のいずれかに記載のバイオマスを用いたガス製造方法。
- 前記茸栽培廃床として椎茸栽培廃床を使用する、請求項１ないし１４のいずれかに記載のバイオマスを用いたガス製造方法。
- 前記茸栽培廃床としてマイ茸栽培廃床を使用する、請求項１ないし１４のいずれかに記載のバイオマスを用いたガス製造方法。
- 前記茸栽培廃床としてシメジ茸栽培廃床を使用する、請求項１ないし１４のいずれかに記載のバイオマスを用いたガス製造方法。
- 前記茸栽培廃床としてエリンギ茸栽培廃床を使用する、請求項１ないし１４のいずれかに記載のバイオマスを用いたガス製造方法。
- 前記茸栽培廃床として、榎茸栽培廃床を使用する、請求項１ないし１４のいずれかに記載のバイオマスを用いたガス製造方法。
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2003
- 2003-04-10 JP JP2003106564A patent/JP2004215648A/ja active Pending
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