JP2005245219A

JP2005245219A - 有機物からの水素生産方法

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Publication number: JP2005245219A
Application number: JP2004056488A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kono; 孝志河野; Katsushi Wada; 克士和田; Kenichi Shishida; 健一宍田; Gyokuyu Ri; 玉友李; Tatsuya Noike; 達也野池
Original assignee: Takuma Co Ltd
Current assignee: Takuma Co Ltd
Priority date: 2004-03-01
Filing date: 2004-03-01
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】微生物を用いる最適な水素生産条件を提供すること。
【解決手段】水素生成能力を有する微生物を用いて有機物から水素を連続的に生成する方法であって、該微生物を含む水素発酵槽内の有機物濃度に対応してｐＨを制御する工程を含む、方法を提供する。制御するｐＨは、有機物濃度の上昇に伴って上昇し、有機物濃度の低下によって低下する。好ましい有機物濃度は２〜１０質量％であり、ｐＨが４．５〜６．５に制御される。さらに、このｐＨ調整を、水素発酵残渣をさらにメタン発酵させて得られるアンモニアを含有する分離液を用いて行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、微生物を用いて有機物から効率的に水素を生成させる方法に関する。

石油を始めとする化石燃料は、エネルギー源および化学製品の原料として大量に消費されている。この化石燃料は、枯渇問題および消費の増大に基づくＣＯ_２、ＮＯ_Ｘ、ＳＯ_Ｘなどの排出による環境汚染の問題を抱えている。また、わが国においては、化石燃料の大部分を海外に依存しており、エネルギー安定供給の確保も、重要な課題となっている。これらのエネルギー源の確保および環境汚染問題に対する対策として、再生可能なエネルギーが注目を浴びている。その中でも、水素は重量あたりの発熱エネルギーが大きいこと、ＣＯ_２、ＮＯ_Ｘ、ＳＯ_Ｘなどを排出しないことから、次世代の燃料として期待されている。

水素ガスは、炭化水素からの水蒸気改質、水の電気的分解、熱化学的分解などの物理化学的方法で生産されているのが現状である。しかし、これらの方法は現在のところ、化石燃料に依存しており、二酸化炭素の放出による温室効果を発生させるものである。

他方、有機性廃棄物による環境汚染も問題となっている。しかし、有機性廃棄物を微生物を用いて分解することにより、水素ガスが生成される。そのため、有機性廃棄物からの水素生産は、環境汚染を防止しつつ、エネルギー源を確保できるという利点がある。このようなことから、近年、有機性廃棄物からの水素生産の研究が盛んに行われている。

微生物による水素生産は、光合成細菌を用いる方法、あるいは非光合成微生物の嫌気培養により行われている。光合成細菌（緑藻類あるいは藍藻類）を用いる方法は、光を必要とする。しかし、太陽光だけでは光量が不足し、光を照射しなければならないためエネルギーを大量使用する、さらに広大な面積を必要とするなどの問題があり、実用化されるに至っていない。

非光合成微生物における嫌気条件下の水素生産は、一般に通気が不要であり、大型の発酵槽が使用できるという利点がある。また、嫌気性微生物は強い有機物分解能を有しているため、バイオマス、有機性廃棄物などから水素を生産できるなどの利点があり、近年その研究が進展しつつある。

嫌気性微生物を用いる水素生産においては、種々の方法が検討されている。例えば、特許文献１には、水素発酵後の培養液に超音波を照射して溶存水素を揮散させ、水素を回収する方法が記載されている。また、特許文献２には、水素発酵において生成した水素と二酸化炭素を主成分とするバイオガスから水素を回収し、残りの二酸化炭素を主成分とするバイオガスを水素発酵槽に循環して水素発酵槽を加圧状態とし、水素の分圧を低くして、水素を回収する方法が記載されている。これらの特許文献１および２について、特許文献２の方法は、幾分、微生物による水素発酵を促すことが考えられるが、いずれも微生物による水素生産自体の効率を高めることを目的とする方法ではない。そのため、効率のよい水素生産方法が望まれている。

微生物による水素発酵には、有機物が必要であるため、有機物と水素発酵との関係が検討されている。特許文献３には、下水汚泥をコンポストとし、このコンポストと有機物とを接触させることにより、水素を生産させる方法が記載されている。この方法では、いったん活性汚泥をコンポスト化すること、高温で処理することなどの点でコストが高く、実用的ではない。

特許文献４は、有機物の１０〜３０質量％に相当する量の乳酸または乳酸と蟻酸との混合物を培養液に混合する水素発酵方法を記載している。この方法は、水素生産に利用されない乳酸および蟻酸を予め培養液中に存在させておき、水素発酵微生物が有機物から乳酸および蟻酸を生成することなく、水素生産に用いられる酢酸および酪酸などを優先的に生成させ、水素発酵効率を高める方法である。この方法では、添加する乳酸および蟻酸の量が多く、これらをさらに処理する必要があるので、有機性廃棄物からの水素生産には不向きである。

特許文献５には、メタン発酵微生物群が保持されたバイオリアクター中で、メタン発酵微生物群中に含まれる水素生成微生物群の成長速度と水素消費微生物群の成長速度とを考慮して、有機物の滞留時間を決定して水素発酵を行う方法が記載されている。しかしこの方法では、メタン発酵と水素発酵とのバランスをとることが困難であり、水素の発生速度も大きくないという問題がある。

また、炭水化物からの水素発酵例として、０．７質量％のグルコースを基質とし、ｐＨを５．５に調整して行った例が非特許文献１に記載されている。また、ショ糖（約１質量％）とゼラチンの混合基質を用いた場合の最適ｐＨは５．０と報告されている。しかし、これらの単純な組成の有機物を水素発酵させた場合でも、水素の発生能は高くなく、最適な水素発生とはいえない。

さらに、有機物には、炭水化物の他にもタンパク質および脂肪が含まれているため、これらのタンパク質や脂肪が水素発酵にも影響を与えることが考えられる。非特許文献３は、炭水化物、タンパク質および脂質を含むオカラを原料とし、オカラの濃度を２．９〜９．２質量％に調整して水素発酵を行ったが水素発生能は、オカラの濃度の影響を受けなかったことを報告している。さらに、非特許文献４は、キャベツ、ニンジン、米などの食品を用いて水素発酵を行ったことを報告している。しかし、水素の発生能は低いという問題がある。

上記のように、有機物から水素発酵を行い、水素を回収する方法は検討されているが、水素発酵自体を効率よく行うために、有機物の濃度、培養条件などを検討した例はほとんどない。さらに、水素発酵においては、有機酸が生成し、培地のｐＨが変動して微生物の代謝系が変動することも考えられる。従って、このような観点からも、有機物からの水素発酵の最適化を検討する必要があるが、そのような検討は、なされていない。そこで、実用化可能な、連続的に安定して、効率よく水素を発酵させる方法が望まれている。
特開平８−１９１６８３号公報特開２００３−１３５０８８号公報特許第２６５７７６３号公報特開平８−２８０３９３号公報特開２００２−２７２４９１号公報 Fang,H.H.PおよびLiu,H., Biores.Tech.,82巻,87-93頁(2002) 佐藤ら、土木学会第５４回年次学術講演会、394-395頁水野ら、土木学会論文集、573巻、111-118頁 (1997) Okamotoら、Wat.Sci.Tech., 41巻, 25-32頁 (2000)

本発明は、嫌気性発酵による、有機物含有材料からの効率的な水素生産方法を提供することを目的とする。

本発明は、水素生成能力を有する微生物を用いて、有機物含有材料から水素を連続的に生成させる方法であって、該微生物を含む水素発酵槽内の有機物濃度に対応してｐＨを制御する工程を含む方法を提供する。

好ましい実施態様においては、前記制御するｐＨが有機物濃度が高い場合には高く、有機物濃度が低い場合には低くなるように制御する。

好ましい実施態様においては、前記有機物濃度が２〜１０質量％であり、前記ｐＨが４．５〜６．５に制御される。

より好ましい実施態様においては、有機物濃度が９〜１０質量％、ｐＨが６．０〜６．５に制御される。

また、別の好ましい実施態様においては、前記有機物含有材料が有機性廃水または有機性廃棄物である。

さらに、別の実施態様においては、前記工程が水素発酵残渣をさらにメタン発酵する工程を含み、メタン発酵残渣の分離液を水素発酵のｐＨ調整に用いる。

本発明によれば、種々の有機物の濃度に対応して、好ましくは、有機物濃度の上昇に伴ってｐＨを上昇させ、有機物濃度の低下によってｐＨを低下するようにｐＨを制御することにより、最適なガス発生能あるいは最適なガス発生速度を維持しながら水素発酵が行われるという効果が得られる。さらに、水素発酵とメタン発酵とを組合せ、水素発酵残渣をメタン発酵に供し、メタン発酵により発生するアンモニア態窒素を水素発酵液のｐＨ調整剤として用いることにより、水素発酵とメタン発酵を同時に行いエネルギーの回収を行うことができる。

本発明においては、微生物を用いて有機物から水素を連続的に生成する方法おいて、有機物濃度に対応して培養液のｐＨを制御する。すなわち、有機物濃度が低いときは培養液のｐＨを低く、有機物濃度が高いときは、培養液のｐＨを高くする。例えば、バイオガス（水素と二酸化炭素との混合ガス）の、単位有機物量あたりの発生量（ガス生産能）を最大に維持するために、有機物濃度が約２質量％の場合、水素発酵槽内のｐＨを４．０〜４．５付近に、有機物濃度が約５質量％の場合、ｐＨを５．０〜５．５付近に、および有機物濃度が約１０質量％の場合、ｐＨ６．５〜７付近に調整する。このように、有機物濃度に応じて、水素発酵槽内のｐＨを調整することにより、ガス発生能を最大に維持し、効率よく水素発酵を行うことができる。また、単位時間あたりのガス発生量（ガス発生速度）も、有機物濃度に応じて、水素発酵槽内のｐＨを調整することにより、最大に維持でき、水素発酵を効率的に行うことができる。

以下、まず、本発明で用いられる水素発酵システムについて説明し、ついで、本発明を説明することとする。

図１は、本発明に用いられる水素発酵システムの一例を示すブロック図である。この水素発酵システムは、固形分濃度調整槽１および水素発酵槽２を備えている。水素発酵槽２には、ｐＨメーター２３とそれに接続するｐＨ調節器２４が備えられ、水素発酵槽２内のｐＨを一定に保持するように構成されている。また、水素発酵により発生した水素発酵ガス２１（水素と二酸化炭素の混合ガス）は、水素発酵ガス回収装置４に回収され、水素発酵残渣２２は、好ましくは、メタン発酵の原料とされるように、構成されている。なお、水素発酵残渣２２は廃棄してもよく、排水処理の炭素源として有効に利用してもよい。

図２に示す水素発酵装置は、図１に示すシステムに加えて、水素発酵残渣２２を受け入れ、メタン発酵を行うメタン発酵槽３、メタン発酵槽３から発生するメタンを回収するメタン回収装置５、メタン発酵により発生するメタン発酵残渣３１を分離する固液分離機３２を備えている。固液分離機３２により得られる固形分３４は、コンポストなどに利用される。分離液３３は、メタン発酵生成物であるアンモニアを含んでいる。このアンモニア含有分離液の一部（分離液３３ａ）は、希釈水あるいはｐＨ調整剤として、固形分濃度調整槽１に循環され、また、ｐＨ調整剤として、水素発酵槽２に循環されるように構成されている。

以下、図面を参照しつつ、本発明を説明する。本発明に用いられる有機物含有材料は、炭水化物（糖類）、タンパク質、脂質などを含むものであれば、特に制限はない。有機物としては、主に、炭水化物が全有機物中の２０質量％以上含まれていることが好ましく、３０質量％以上、さらには４０質量％以上、あるいは５０質量％以上含まれていることが好ましい。本発明に好ましく用いられる有機物含有材料としては、有機性廃水、有機性廃棄物などである。食品工業、製紙工業、畜産業などにおける有機性廃水、有機性廃棄物、都市下水の汚泥などが例示されるが、有機物を含む廃棄物であれば、これらに制限されない。

（前処理）
有機物含有材料（好ましくは有機性廃水、有機性廃棄物）は、必要に応じて前処理を行ってもよい。前処理には、例えば、加熱処理などが含まれる。５０℃以上、好ましくは８０℃以上で加熱することにより、以降の工程において、有機物含有材料中に含まれる水素発酵収率を低下させる微生物（例えば、乳酸菌、メタン生成菌など）が死滅するとともに、有機物含有材料が微生物による分解を受けやすくなる。固形分濃度調整槽１を設ける場合、前処理は固形分濃度調整槽１で行ってもよいし、予め前処理を行った有機物含有材料を固形分濃度調整槽１に投入してもよい。

（固形分濃度の調整）
図１および図２に示される固形分濃度調整槽１は、必ずしも必要ではないが、水素発酵槽２に導入する有機物濃度をほぼ一定に調整する観点から、配置することが好ましい。固形分濃度は、一般に有機物濃度が１５質量％未満となるように、好ましくは１〜１０質量％の範囲となるように調整される。固形分濃度の調整方法に特に制限はない。例えば、予め、処理すべき有機性廃水中あるいは有機廃棄物中の固形分濃度および有機物濃度を測定しておき、上記所定の濃度になるように、適切な量の水、図２の場合はアンモニアを含むメタン発酵残渣の分離水３３ａなどで希釈する、あるいは有機廃棄物を加えるなどの方法で調整され得る。また、固形分濃度調整槽１に固形分濃度を検出するセンサー（図示せず）をとりつけ、自動的に濃度調整を行うように構成してもよい。なお、水素発酵がアンモニア濃度によって影響を受けるため、図２のように分離水３３ａを希釈水として用いる場合、後述のアンモニア濃度を考慮して、使用することが好ましい。固形分濃度が調整された有機物含有材料１１は、水素発酵槽２に導入され、水素発酵される。

（水素発酵）
水素発酵は、有機物濃度に応じて水素発酵槽２内のｐＨを調整しながら行う。有機物濃度が約２質量％の場合、水素発酵槽内のｐＨを４．０〜４．５付近に、有機物濃度が約５質量％の場合、ｐＨを５．０〜５．５付近に、および有機物濃度が約１０質量％の場合、ｐＨ６．０〜６．５付近に調整する。

水素発酵中にも、有機物濃度を測定することが好ましい。有機物濃度の測定は、例えば、一定時間毎にサンプリングして、standard method（後述）を用いて測定する、有機物濃度測定機（図示せず）を用いて連続的にモニターするなどの方法で測定する。あるいは、所定の物質の濃度をモニターして有機物濃度を算出することができる。すなわち、例えば固形分濃度と有機物濃度に一定の相関関係がある場合には、予めその関係を求めておき、固形物濃度で代用することもできる。

有機物濃度１０質量％で水素発酵を行う場合、ｐＨはｐＨ６．０〜６．５に、好ましくは６．５に調整する。ｐＨの調整は、図１および図２に示すように、ｐＨメーター２３でｐＨを測定し、手動であるいはｐＨ調節器２４でアルカリ剤（苛性ソーダ、炭酸ナトリウムなど）を添加する。水素発酵においては、水素発酵に伴う有機酸の生産によってｐＨが低下する。そのため、ｐＨの調整は専らアルカリ剤を添加することにより行われる。しかし、水素発酵においては、アンモニア態窒素が律速となる。そのため、ｐＨ調整にはアンモニアを用いてもよい。このアンモニアとしては、図２に示すような水素発酵残渣２２をメタン発酵して生じるアンモニアを含有する分離水３３ａが好ましく用いられる。分離水３３ａを使用することによって、アンモニアが供給され、ｐＨ調整のためのアルカリ剤などが不要になるか、使用量が減少できる。

他方、水素発酵は、アンモニア態窒素の濃度により、影響を受ける。そのため、分離水３３ａを用いてｐＨを調整する場合は、水素発酵槽２内のアンモニア濃度を適切な範囲、例えば、以下に限定されないが、１０００ｍｇ−Ｎ／Ｌ以下となるようにすることが好ましく、５０〜９００ｍｇ−Ｎ／Ｌとすることがより好ましく、３００〜７００ｍｇ−Ｎ／Ｌ程度となるようにすることがさらに好ましい。

また、有機物濃度センサーとｐＨセンサーとを水素発酵槽２に備えつけ、これらをコンピュータと連動させて、有機物濃度に対応するｐＨに調整しつつ、固形物濃度調整槽１から有機物含有材料の流入量を制御することもできる。

なお、水素発酵槽としては、完全混合型の槽とすることが好ましい。

本発明に用いられる水素発酵能を有する微生物としては、単離された既知の水素発酵能を有する微生物、あるいは、有機物（例えば、有機性廃棄物）中に生息し、水素発酵能を有する微生物（混合微生物、微生物フローラ）が用いられる。このような微生物としては、シトロバクター（Citrobactor）属、エンテロバクター（Enterobactor）属、クロストリジウム（Clostridium）属、クレブシエラ（Klebsiera）属などに属する微生物などが知られているが、これらに制限されない。有機性廃棄物中の水素発酵能を有する微生物は、馴養することにより、集積される。水素発酵能を有する微生物は、有機物の種類（成分）に応じて、適宜選択することができ、組合せて使用してもよい。水素発酵能を有する微生物は、浮遊状態でもよく、固定床などに固定されていてもよい。

水素発酵槽２は、水素分圧を低下させることにより水素を効率的に生成させる目的で、減圧下で稼動するように構成されていてもよい。

（水素の回収）
水素は、図１および２に記載の水素発酵ガス回収装置４を用いて、回収される。生成する水素発酵ガス２１（バイオガス）は水素と二酸化炭素の混合ガスであるので、ガス分離膜を備えているか、二酸化炭素捕捉装置（図示せず。例えば、水酸化ナトリウム水溶液へのバブリング装置）が備えられ、主に水素が回収されるように構成してもよい。

（メタン発酵）
図１および図２の水素発酵残渣２２には、水素発酵の副生物である有機酸（酢酸、ギ酸、乳酸、酪酸、プロピオン酸など）が含まれ、利用されなかった炭水化物、タンパク質、脂質なども含まれる。そこで、これらの有機酸および炭水化物、タンパク質、脂質などを有効に処理するため、メタン発酵を行う。図２に示すように、水素発酵残渣２２をメタン発酵槽３に導入し、嫌気条件下でメタン発酵能を有する微生物と接触させる。

メタン発酵能を有する微生物としては、単離された、既知のメタン発酵能を有する微生物、あるいは、有機性廃棄物中に生息し、メタン発酵能を有する微生物（混合微生物、微生物フローラ）が用いられる。メタン発酵能を有する微生物としては、メタノコッカス（Methanococcus）属、メタノバクテリウム（Methanobacterium）属、メタノサルシナ（Methanosarcina）属などに属する微生物が挙げられるが、これらに制限されない。メタン発酵能を有する微生物は、馴養することにより、得られる。メタン発酵能を有する微生物は、有機性廃棄物の種類（成分）に応じて、適宜選択することができ、組合せて使用してもよい。

メタン発酵槽３のｐＨは５〜９、好ましくは６〜８に維持され、温度は２５〜６５℃、好ましくは３０〜４０℃、高温菌の場合は、５０〜６０℃に維持される。これらは、一般的条件であり、用いる微生物によって異なり、適宜調整され得る。

微生物による嫌気条件下におけるメタン発酵では、一般に、メタンと二酸化炭素とがほぼ１：１の割合で発生する。メタンは、メタン発酵ガス回収装置５に回収され、燃料として利用される。

メタン発酵残渣３１は、上記の通り、固液分離機３２で分離され、分離水の一部（分離水３３ａ）は水素発酵のｐＨ調整剤として、あるいは有機物の希釈とｐＨ調整剤として循環され、使用される。固形分３４はさらに活性汚泥などで分解処理を受けるか、コンポストとして回収される。残りの分離水３３は、さらに分解処理される。メタン発酵残渣３１、分離水３３および固形分３４のさらなる分解は、活性汚泥処理、硝化処理、脱窒処理などを経由して行われる。

以下、本発明を、実施例に基づいて説明するが、本発明がこの実施例に制限されることはない。

（水素発酵微生物の取得装置および水素発酵装置）
本発明に用いた水素発酵微生物の取得装置および水素発酵装置として、同じタイプの装置を用いた。図３に、その装置を示す。３５℃に制御された恒温水槽６１内に、培養槽６３が配置され、培養液の温度を３５℃に調節した。培養液の攪拌は、マグネティックスターラー６２を用いて培養槽６３内のスターラーバー６６を回転させることによって、行った。培養槽６３内のｐＨはｐＨメーター６４で測定され、ｐＨ調節器６７で電磁弁６９を開閉し、ｐＨ調整液（アルカリ水溶液）６８を添加することにより、培養槽６３内のｐＨを制御した。発生したバイオガスは、ガス測定装置７０に導入され、ガスサンプリング口７１からサンプリングした。培養液のサンプリングは、サンプリング口６５から行った。

（有機物含有材料）
食品廃棄物系バイオマスのモデルとして、ドッグフード（日本ペットフード社製、商品名ビタワンシニア期犬用）を用いた。このドッグフードをブレンダー（ワーリング(WARLING SB990)を用いて粉砕し、８５０μｍのふるい通過物を使用した。ドッグフードの組成は表１に示す通りであり、炭水化物を主成分とし、タンパク質および脂質を含んでいる。

（分析）
ガス発生量は酸性飽和食塩水を用いた水上置換法により一定時間毎に測定した。発生ガス中の水素、メタン、二酸化炭素の割合は、ＴＣＤガスクロマトグラフ（SIMADZU GC14B），カラム:2.0ｍステンレス，キャリアガス：アルゴン50ml/min）により測定した。

培養液のｐＨの連続測定には、ガラス電極ｐＨ計（本体:HORIBA D-21，電極：HORIBA 6378-1OD）を用いた。

培養液はサンプリング口６５からシリンジで採取し、その成分を分析した。

炭水化物はグルコースを標準物質としてフェノール硫酸法で測定した。タンパク質はアルブミンを標準物質としてModified Lowry Protein Assay Reagent Kit（PIERCE社製）で定量した。有機酸（ギ酸、乳酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸）は高速液体クロマトグラフィー（ウォーターズアライアンスＵＶシステム社製，カラム：SPR‐H(G)，カラム温度：４０℃，移動相：５ｍＭ過塩素酸）、エタノールはＦＩＤガスクロマトグラフ（GL science社製、GC7000，カラム：PorapackＱ，カラム温度：２００℃，キャリアガス：Ｎ_２）にて分析した。

固形分濃度、有機物濃度の分析は、Standard Method（APHA-AWA-WRCF Standard methods for the examination of water and wastewater, 19th ed. American Public Association, Washington, DC, USA, 1995）に準拠して行った。溶解性成分の測定には、培養液を31,200×ｇ、１５分の遠心分離（TOMY GRX‐220）にかけ、得られた上澄み液を０．４５μｍのメンブレンフィルター（ADVANTEC TOYO DISMIC25CS）でろ過したものを用いた。

（実施例１）
Ａ：水素発酵微生物の調製
本発明に用いる水素発酵能を有する微生物は、図３の水素発酵装置６を用いて、取得した。

有効容積が２Ｌの培養槽に、以下の組成のＧ培地：

を注入し、生ごみを高温メタン発酵で得られた汚泥を種菌として接種し、３５℃で培養した。ｐＨは１０Ｎ−ＮａＯＨ溶液を用いて５．５に維持した。Ｇ培地の水理学的滞留時間（ＨＲＴ）が１６〜１８時間となるように、Ｇ培地を連続的に添加し、サンプリング口６５から、連続的に培養液を抜き出した。水素は、グルコース１モルあたり、０．７１モル発生した。抜き出した培養液中の残存グルコース濃度はほぼゼロであり、有機物濃度は平均５１３ｍｇ／ｍｌであり、主な生成物はｎ−酪酸、酢酸、乳酸であった。得られた微生物群に対して、１６Ｓ−ｒＤＮＡのＶ３領域を標的とした変性剤濃度勾配ゲル電気泳動法による解析を行ったところ、メインのバンドが２つ得られた(データ示さず)。ＢＬＡＳＴによる検索の結果、その１つの塩基配列は、Clostridium pasteurianumと１００％，他の塩基配列はSporolactobacillus racemicus M116株と９７．９％の相同性を有していた。さらに、バンド由来およびＢＬＡＳＴ検索で得られた近緑の配列を基にした分子系統樹を作成した結果、Clostridium属およびSporolactobacillus属が優先的に集積したと考えられる。この集積培養物を以降の実験に用いた。

Ｂ：培養条件
図３に示す装置を用いて、有機物濃度とｐＨとのバイオガス発生に対する影響を検討した。なお、培養槽は、アクリル製の全容積１．４３Ｌ（直径１１０ｍｍ×高さ１５０ｍｍ）の大きさであった。ドッグフードの固形分濃度（以下、基質濃度という）がそれぞれ、２質量％、５質量％、および１０質量％（有機物として、それぞれ、１．９質量％、４．７質量％、および９．４質量％）となるように水に溶解し、集積培養物を０．２Ｌ添加し、滅菌水で最終液量を１Ｌに調整して培養液とし、ｐＨを所定のｐＨに調整し、３５℃で培養を行った。

なお、培養の開始に先立って窒素ガスをサンプリング口６５から吹き込み、ガスサンプリング口７１から排出することによって、培養槽６３内を窒素置換して嫌気状態とした。

また、初期のｐＨはＨＣｌ溶液（２Ｎ）およびＮａＯＨ溶液（２Ｎ）を用いて、ｐＨ４．０〜７．５の範囲で所望のｐＨに調整した。培養開始後のｐＨをｐＨメーター６４でモニターし、ｐＨ調節器６７を用いて１０Ｎ−ＮａＯＨ水溶液を添加することにより一定に制御した。実験は、安定性の確認のため培養槽６３を６系列準備し、開始日をずらして、一つの固形分濃度およびｐＨ条件に対して、複数回の培養を行った。

Ｃ：実験結果
C-1：水素発酵における物質分解の解析
図４に、基質濃度２質量％、ｐＨ４．５の条件で行った場合の累積ガス発生量、有機物分解率、分解生成物の経時変化を示す。図４において、○のＴＧは累積ガス発生量、□のＨＧは水素ガス発生量、＋のdeＣは炭水化物の分解率、×のdeＰはたんぱく質の分解率、●のＬＡは乳酸、■のＡＡは酢酸、▲のｎ−ＢＡはｎ−酪酸、そして◆のEtOHはエタノールの培養液中の濃度をそれぞれ表す。

図４からわかるように、培養開始後約２０時間で炭水化物の分解が始まり、その後バイオガス発生が急激に起こると同時に炭水化物量が大きく減少し、ｎ−酪酸、酢酸が生成した。その後、ガス発生は緩やかとなり８０時間で停止した。乳酸は約１５時間まで生成しているものの、その後減少した。この培養における最終的な累積ガス発生量を当該条件におけるガス発生能（ｍｌ/ｇ-有機物）として、図４に示した。

C-2：各基質濃度におけるガス発生能、ガス発生速度、バイオガス中の水素濃度におよぼすｐＨの影響
図５に、基質濃度２質量％、５質量％、および１０質量％の各実験系において、各ｐＨ条件下における単位有機物当りのガス発生能、ガス発生速度、発生ガス中の水素濃度におよぼす培養ｐＨの影響を示す。なお、ガス発生速度（L/L/ｈ）は、急激にガス発生が起こった時の単位時間あたりのバイオガス発生量を意味する。

図５（ａ）に示すように、それぞれの単位有機物量あたりのガス発生能はあるｐＨ範囲で最大値を示し、それより酸性側、アルカリ側で低下する傾向を示した。しかし、有機物濃度によってガス発生能が最大となる最適ｐＨ値が異なった。基質濃度が２質量％（有機物濃度１．９質量％）ではｐＨ４．５で２１５ｍｌ／ｇ-有機物、基質濃度が５質量％（有機物濃度４．７質量％）では、ｐＨ５．５で２１５ｍｌ／ｇ-有機物、基質濃度１０質量％（有機物濃度９．４質量％）では、ｐＨ６．５で１９７ｍｌ／ｇ-有機物であった。このように、基質濃度（すなわち、有機物濃度）が高くなると、最適ｐＨが高くなる傾向が見られた。また、基質濃度が２質量％および５質量％では、ガス発生能はほぼ同じであったが、基質濃度が１０質量％では、ガス発生能が１０％程度減少した。

図５（ｂ）に示すように、ガス発生速度に及ぼすｐＨと基質濃度との影響も、ガス発生能の場合と同様に、基質濃度の上昇と共にガス発生速度が最大となる最適ｐＨが高くなっていた。基質濃度が２質量％に対応した最適ｐＨは５．５であり、最大ガス発生速度は０．３７Ｌ／Ｌ／ｈであったのに対して、基質濃度が５質量％の場合は、最適ｐＨがｐＨ６．５でガス発生速度が０．６Ｌ／Ｌ／ｈであり，基質濃度が１０質量％の場合は、最適ｐＨが７．０でガス発生速度が１．０６Ｌ／Ｌ／ｈとなった。ガス発生能の最適ｐＨに比べ、ガス発生速度の最適ｐＨはやや高く，各基質濃度におけるガス発生能とガス発生速度の最適ｐＨは一致せず、後者は前者より約０．５〜１．０高い傾向にあった。

図５（ｃ）に示すように、発生ガス中の主なガス成分は水素および二酸化炭素であり、いずれの実験条件においてもメタンは検出されなかった。水素濃度は各基質濃度およびｐＨ条件下で４０〜６０％の範囲であったが、ｐＨ７．０以上となると６０％を超えた。これは発生した二酸化炭素は、培養液がアルカリ性であるため、ＣＯ_３ ^２−、あるいはＨＣＯ_３ ⁻の形態で溶存し、相対的に発生ガス中の水素濃度が高くなったと考えられる。つまり、基質濃度１０質量％でのガス発生能が基質濃度２質量％、５質量％に比べ若干減少した原因は、基質濃度１０質量％での最適ｐＨが６．５であったため発生した二酸化炭素が培養液に溶存したためと考えられる。

以上の結果、最大のガス発生能については、（１）有機物濃度を約２質量％とした場合、ｐＨ４．０〜４．５付近であること、（２）有機物濃度が約５質量％の場合、最適ｐＨは５．０〜５．５付近であること、および（３）有機物濃度が約１０質量％の場合、最適ｐＨは６．０〜６．５付近であることがわかった。また、最大のバイオガス発生速度は、（４）有機物濃度を約２質量％とした場合、ｐＨ４．５〜５付近であること、（５）有機物濃度約５質量％の場合は、ｐＨ５．５〜６付近であること、および（６）有機物濃度約１０質量％の場合は、ｐＨ７付近であることがわかった。すなわち、最大バイオガス発生速度も、ガス発生能と同様、有機物濃度とｐＨに依存するが、最適なｐＨは、ガス発生能の場合より高いｐＨ側にあることがわかった。

C-3：基質の分解率、分解生成物に及ぼす基質濃度とｐＨの影響
図６に、基質中の炭水化物とタンパク質の分解率に及ばす基質濃度およびｐＨの影響を示す。図６（ａ）に示すように、基質濃度２質量％における炭水化物の分解率はｐＨ４．０で６１％であり、それ以外のｐＨでは８０％を超え、ｐＨの上昇に伴い高くなる傾向が見られた。基質濃度１０質量％ではｐＨ４．５で１８％、ｐＨ５．０で７２％であり、それ以外のｐＨでは８０％を超えているが、ＰＨ５．５の９１％をピークにｐＨ７．５では８０％と分解率はやや低下した。

図６（ｂ）に示すように、タンパク質の分解率は基質濃度に関係なく、ほぼ３０〜５０％であり、ｐＨが低くなると、分解率は低下する傾向が見られた。

C-4：水素発酵における代謝産物とその変化
上記各水素発酵培養条件における水素および有機酸の生成は、ほとんど炭水化物の分解によるものとして、投入した炭水化物量に対する各分解生成物のＣＯＤ質量収支を計算した。結果を表３に示す。なお、表３における数値の単位は質量％である。

全体的な傾向として、ギ酸、プロピオン酸の生成量はわずかであった。注目すべき代謝産物としては、水素の他に、酢酸、酪酸、乳酸、エタノールが挙げられる。

基質濃度が２質量％の場合、ｎ−酪酸が最も重要な代謝産物であり、次いで酢酸の生成量が多かった。ｐＨ４．５〜６．５の範囲において、ｎ−酪酸、水素、および酢酸が主要な生成物であり、それぞれの収率は、４０％前後、１０〜１５％程度、および１０％前後であった。ｐＨ４．０では、酢酸、ｎ−酪酸、水素の生成量が減少し、乳酸の生成量が増加した。また、ＰＨ７では代謝産物の組成がより複雑になり、ｎ−酪酸と水素が減少し、代わりにエタノール、ギ酸、プロピオン酸の生成量が増加した。

基質濃度が１０質量％である場合、主要な代謝産物は水素の他にｎ−酪酸、乳酸、酢酸、エタノールであった。乳酸の生成はｐＨ４．５〜６．５の幅広い条件下で認められた。低ｐＨ側では、乳酸が最も重要な代謝生成物であった。ｐＨが６．５以上になると、ｎ−酪酸、酢酸およびエタノールが増加した。このように、ｐＨの変化に伴い代謝産物の組成が著しく変化した。

この結果から、水素発酵に適したｐＨ条件では、ｎ−酪酸と酢酸が多く生成することがわかる。すなわち、水素生成量が最大となるｐＨ（最適ｐＨ）より低いｐＨ条件では、乳酸が主な生成物となり、水素生成量は著しく減少する。最適ｐＨ付近では、ｎ−酪酸と酢酸が主な代謝産物であり、水素発酵が進行する。最適ｐＨよりもｐＨが高い条件では、ｎ−酪酸の生成量は低下し、エタノールやギ酸などが増え、発酵反応が複雑になるとともに、水素生成が低下することわかる。

以上から、水素発酵能有する微生物を用いて水素発酵を行うに際し、基質濃度（有機物濃度）に対応して最適なｐＨを制御することにより、水素生成を最大にすることができる。この実施例では、有機物含量が９４％の基質を用いているが、主成分が有機物であり、上記実験結果は、有機物１００％の場合にも適用されることは明らかである。

本発明の方法は、有機物の濃度に対応してｐＨを制御することにより、水素発生量を最大にすることができるので、環境汚染の可能性のある有機物から、クリーンエネルギー源である水素を効率的に生産し得るので、有用である。さらに、水素発酵残渣をさらにメタン発酵させ、メタン発酵によって生成されるアンモニアを含有する培養液をｐＨ調整剤として用いることにより、有機性廃棄物の排出量を低減できるので、環境にやさしい点でも産業上有用な方法である。

本発明に用いられるシステムを示すブロック図である。本発明に用いられる好ましいシステムを示すブロック図である。本発明に用いた水素発酵装置の模式図である。本発明の方法により水素発酵を行った場合の、累積ガス発生量、分解生成物などの経時変化を示す図である。各基質濃度、各ｐＨ条件における（ａ）ガス発生能、（ｂ）ガス発生速度、および（ｃ）発生ガス中の水素濃度を示す図である。基質中の（ａ）炭水化物と（ｂ）タンパク質の分解率に及ぼす、基質濃度およびｐＨの影響を示す図である。

符号の説明

１固形分濃度調整槽
１１有機物含有材料
２水素発酵槽
２１水素発酵ガス
２２水素発酵残渣
２３ｐＨメーター
２４ｐＨ調節器
３メタン発酵槽
３１メタン発酵残渣
３２固液分離機
３３分離液
４水素発酵ガス回収装置
５メタン回収装置
６水素発酵装置
６１恒温水槽
６２マグネティックスターラー
６３培養槽
６４ｐＨメーター
６５サンプリング口
６６スターラーバー
６７ｐＨ調節器
６８ｐＨ調整液
６９電磁弁
７０がス測定装置
７１ガスサンプリング口

Claims

水素生成能力を有する微生物を用いて、有機物含有材料から水素を連続的に生成させる方法であって、該微生物を含む水素発酵槽内の有機物濃度に対応してｐＨを制御する工程を含む、方法。
前記制御するｐＨが、有機物濃度が高い場合には高く、有機物濃度が低い場合には低くなるように制御する、請求項１に記載の方法。
前記有機物濃度が２〜１０質量％であり、前記ｐＨが４．５〜６．５に制御される、請求項１または２に記載の方法。
前記有機物濃度が９〜１０質量％であり、前記ｐＨが６．０〜６．５に制御される、請求項３に記載の方法。
前記有機物含有材料が有機性廃水または有機性廃棄物である、請求項１から４のいずれかの項に記載の方法。
前記工程が水素発酵残渣をさらにメタン発酵する工程を含み、メタン発酵残渣の分離液を水素発酵のｐＨ調整に用いる、請求項１から５のいずれかの項に記載の方法。