JP2016168564A - 汚泥処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】高効率に生物汚泥を処理可能な汚泥処理システムを提供する。
【解決手段】実施形態の汚泥処理システムは、第１の生体触媒培養槽と、第１の分解槽と、第２の生体触媒培養槽と、第２の分解槽と、消化槽とを持つ。第１の生体触媒培養槽は、第１の生体触媒を培養する。第１の分解槽は、生物汚泥に含まれる粘性物質、前記第１の生体触媒により分解する。第２の生体触媒培養槽は、第２の生体触媒を培養する。第２の分解槽は、生物汚泥中の微生物を前記第２の生体触媒により分解する。消化槽は、前記第２の分解槽において処理された生物汚泥を嫌気性消化処理し、バイオガスに変換する。前記第１の生体触媒は、宿主生物の細胞表面に、生物汚泥に含まれる粘性物質の構成成分を分解する触媒を提示したものである。前記第２の生体触媒は、宿主生物の細胞表面に、生物汚泥中の微生物の構成成分を分解する触媒を提示したものである。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、汚泥処理システムに関する。

水処理システムでは、微生物等を含む生物汚泥の処理を行う場合がある。しかしながら、従来の技術では、生物汚泥の処理効率の向上について検討の余地があった。

特開２００５−１６９３２９号公報 特開２００１−３２７９９８号公報 特開２００８−２６４６５０号公報 特開２００４−８８９２号公報

本発明が解決しようとする課題は、高効率に生物汚泥を処理可能な汚泥処理システムを提供することである。

実施形態の汚泥処理システムは、第１の生体触媒培養槽と、第１の分解槽と、第２の生体触媒培養槽と、第２の分解槽と、消化槽とを持つ。第１の生体触媒培養槽は、第１の生体触媒を培養する。第１の分解槽は、生物汚泥に含まれる粘性物質の構成成分を、前記第１の生体触媒により分解する。第２の生体触媒培養槽は、第２の生体触媒を培養する。第２の分解槽は、前記第１の分解槽の後段に配置され、前記第１の分解槽において処理された生物汚泥中の微生物の構成成分を前記第２の生体触媒により分解する。消化槽は、前記第２の分解槽の後段に配置され、前記第２の分解槽において処理された生物汚泥を嫌気性消化処理し、バイオガスに変換する。前記第１の生体触媒は、宿主生物の細胞表面に、生物汚泥に含まれる粘性物質の構成成分を分解する触媒を提示したものである。前記第２の生体触媒は、宿主生物の細胞表面に、生物汚泥中の微生物の構成成分を分解する触媒を提示したものである。

第１の実施形態における、汚泥処理システムの構成例を示す図。 第２の実施形態における、汚泥処理システムの構成例を示す図。 第３の実施形態における、汚泥処理システムの構成例を示す図。 第４の実施形態における、汚泥処理システムの構成例を示す図。 余剰汚泥に含まれるフロックの構造の一例を示す模式図。 実施形態に好適に用いられる生体触媒の説明図。

以下、実施形態の汚泥処理システムを、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における、汚泥処理システム１の構成例を示す図である。第１の実施形態では、汚泥処理システムは、「汚泥処理システム１ａ」という。汚泥処理システム１ａは、微生物を含有する生物汚泥を分解処理する設備であれば、特定の設備に限定されない。汚泥処理システム１ａは、例えば、下水処理場、食品工場である。第１の実施形態では、汚泥処理システム１ａは、一例として下水処理場である。

第１の実施形態において、生物汚泥を分解するとは、生物汚泥の成分の少なくとも一部を低分子化することである。

汚泥処理システム１ａは、基質槽７０と、第１の生体触媒培養槽１０ａと、粘性物質分解槽１０ｂ（第１の分解槽）と、第２の生体触媒培養槽２０ａと、細胞壁分解槽２０ｂ（第２の分解槽）と、第３の生体触媒培養槽３０ａと、細胞膜・細胞質分解槽３０ｂ（第３の分解槽）と、消化槽５０とを備える。上記各槽は、管によって連結されていてもよい。

第１の生体触媒培養槽１０ａは、第１の生体触媒の培養生産を行う槽である。第１の生体触媒は、宿主生物の細胞表面に、生物汚泥に含まれる粘性物質の構成成分を分解する触媒を提示したものであり、該触媒を作り出す生物自体が挙げられる。
生物により作り出される触媒としては、酵素等のタンパク質が挙げられ、加水分解酵素、酸化還元酵素、転移酵素、脱離酵素、異性化酵素、合成酵素が好ましく、加水分解酵素がより好ましい。

第１の実施形態において、粘性物質とは、生物汚泥に含まれるフロックを構成する粘性物質であり、生物汚泥に含まれる微生物が分泌したものが挙げられる。

第１の生体触媒培養槽１０ａは、宿主細胞が好適に増殖するための手段を備えている。係る手段としては、一例として温度制御手段、ｐＨ制御手段、濁度計等の基質濃度制御手段、圧力制御手段、攪拌手段等が挙げられる。
一例として、宿主細胞として酵母を用いる場合、第１の生体触媒培養槽１０ａは、槽内環境が２０〜３０℃、ｐＨ４〜７となるように制御される。

基質槽７０には、第１の生体触媒培養槽１０ａ、第２の生体触媒培養槽２０ａ、及び第３の生体触媒培養槽３０ａに供給する培地が溜められている。培地としては、第１の生体触媒培養槽１０ａ、第２の生体触媒培養槽２０ａ、及び第３の生体触媒培養槽３０ａ中の微生物等を培養できるものであれば特に限定されず、炭素源、窒素源、無機塩類等を含有するものが好ましい。各生体触媒培養槽には、調整部８０によって培地が導入される。調整部８０は、一例として、ポンプ又はバルブである。
炭素源としては、グルコース、フルクトース、シュークロース等の糖類；デンプン又はデンプン加水分解物等の炭水化物が挙げられる。
窒素源としては、アンモニア、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム、酢酸アンモニウム等の無機酸または有機酸のアンモニウム塩、ペプトン、肉エキス、酵母エキス、コーンスティーブリカー、カゼイン加水分解物、大豆粕、大豆粕加水分解物、各種発酵菌体消化物等が挙げられる。
無機塩類としては、リン酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、塩化ナトリウム、リン酸第一カリウム、リン酸第二カリウム、硫酸第一鉄、硫酸マンガン、硫酸銅、炭酸カルシウム等が挙げられる。

なお、実施形態において、生体触媒培養槽に培地を供給する基質槽７０は、各生体触媒培養槽ともに共通としたが、基質が各生体触媒培養槽ごとに導入されるよう、生体触媒培養槽ごとに各基質槽が設けられていてもよい。

粘性物質分解槽１０ｂは、余剰汚泥Ｆに含まれる粘性物質の構成成分を、前記第１の生体触媒により分解する槽である。粘性物質分解槽１０ｂには、調整部１０ｄによって余剰汚泥Ｆ（生物汚泥）が導入される。また、粘性物質分解槽１０ｂには、調整部１０ｃによって第１の生体触媒が導入され、余剰汚泥Ｆと合流する。調整部１０ｄ，１０ｃは、一例として、ポンプ又はバルブである。
前記第１の生体触媒により、余剰汚泥Ｆに含まれる粘性物質の構成成分を低分子化することで、後段の各分解槽における処理、及び消化槽５０における生物汚泥の嫌気性消化処理を、高効率に行うことが可能となる。

実施形態において、生物汚泥は余剰汚泥Ｆである。粘性物質分解槽１０ｂに導入される余剰汚泥Ｆには、有機物と微生物が含まれている。有機性汚泥、特に余剰汚泥等の生物汚泥は、微生物集合体（フロック）が主な組成となっている。図５は、余剰汚泥Ｆに含まれるフロックの構造を模式的に示した図である。汚泥中の微生物フロックは図５に示すように、微生物が自身で分泌する粘性物質により囲まれている。これらの粘性物質が微生物を囲むように微生物を守っている。例えば、ズーグレア属細菌は粘性物質を分泌し、自己または他の微生物を粘性物質の中に閉じ込める習性がある。

より効率的に、生物汚泥をバイオガスへと変換するためには、消化槽５０における嫌気性消化の基質となるよう、汚泥を低分子化することが好ましい。消化槽５０内においても、酸生成菌などの嫌気性微生物の働きによって汚泥の一部成分は低分子化され得るが、嫌気性微生物による分解反応は、基本的に時間を要する。したがって、汚泥の低分子化に際しては、微生物に含まれる有機成分を、生体触媒を用い予め低分子化することが有効である。生体触媒を用いた高い反応速度で前記成分を低分子化することで、消化槽での消化反応がよりスムーズに進行されると期待される。
しかし、上記フロックの粘性物質によるブロッキングで、触媒が微生物へアクセスするのが困難となっている。また、粘性物質の耐薬品性は非常に強い。粘性物質を分解する方法として、物理的な方法（例えば、超音波処理、オゾン処理、加熱処理）が有効とされるが、膨大なエネルギーをかけることになる。
実施形態においては、粘性物質の構成成分を分解可能な触媒によって、粘性物質を分解することで、少ないエネルギー且つマイルドな状態で粘性物質を効率よく分解でき、触媒の微生物へのアクセスが容易となる。

粘性物質は、主に多糖類、タンパク質、核酸によって構成されている。上記のとおりであるから、粘性物質を分解し得る触媒としては、酵素が挙げられ、粘性物質を分解可能なものであれば、特に限定されない。粘性物質を分解し得る酵素としては以下のものが挙げられる。多糖類に関しては、多糖類分解酵素が挙げられ、β‐１，４グルカン結合を加水分解する酵素が挙げられる。多糖類分解酵素としては、例えば、セルラーゼ群、ヘミセルラーゼ群、キシラーゼ群、マンノーシターゼ等が挙げられる。タンパク質に関しては、プロテアーゼが挙げられ、ペプチド結合を加水分解するプロテアーゼ群が挙げられる。核酸に関しては、核酸分解酵素が挙げられ、リボ核酸の糖とリン酸の間のホスホジエステル結合を加水分解するヌクレアーゼ群が挙げられる。

例えば、プロテアーゼ及びセルラーゼが細胞表面に提示された宿主生物を含有する第１の生体触媒と、余剰汚泥Ｆとを混合することによって、余剰汚泥Ｆに含まれる粘性物質が、これらの生体触媒によって分解される。
第１の生体触媒は、１種類の触媒のみを含んでいてもよく、複数種類の触媒を含んでいてもよい。第１の生体触媒が複数種類の触媒を含む場合、１種類の触媒を発現した宿主生物を、複数種類含んでいてもよいし、複数種類の触媒を発現した宿主生物を１種類又は複数種類含んでいてもよい。

粘性物質分解槽１０ｂの運転温度としては、宿主生物とその表面に提示された生体触媒の種類に応じて適宜設定可能であり、一例として、２０℃〜５５℃程度であり、生体触媒の至適温度を考慮して、３７℃がより好ましい。また、備え付けの攪拌装置により適宜攪拌されることが有機性汚泥の温度分布の均一化の観点から好ましい。
粘性物質分解槽１０ｂ内の処理液のｐＨは、宿主生物とその細胞表面に提示された生体触媒の種類に応じて適宜設定可能である。

第２の生体触媒培養槽２０ａは、第２の生体触媒の培養生産を行う槽である。第２の生体触媒は、宿主生物の細胞表面に、生物汚泥に含まれる微生物の細胞壁の構成成分を分解する触媒を提示したものであり、該触媒を作り出す生物自体が挙げられる。生物により作り出される触媒としては、酵素等のタンパク質が挙げられ、加水分解酵素、酸化還元酵素、転移酵素、脱離酵素、異性化酵素、合成酵素が好ましく、加水分解酵素がより好ましい。

第２の生体触媒培養槽２０ａは、宿主細胞が好適に増殖するための手段を備えている。係る手段としては、一例として温度制御手段、ｐＨ制御手段、濁度計等の基質濃度制御手段、圧力制御手段、攪拌手段等が挙げられる。
一例として、宿主細胞として酵母を用いる場合、第２の生体触媒培養槽２０ａは、槽内環境が２０〜３０℃、ｐＨ４〜７となるように制御される。

粘性物質分解槽１０ｂにおいて処理された生物汚泥は、細胞壁分解槽２０ｂへと導入される。粘性物質分解槽１０ｂにおいて処理された生物汚泥については、生物汚泥である余剰汚泥Ｆに由来する意味で生物汚泥と称している。

細胞壁分解槽２０ｂは、粘性物質分解槽１０ｂにおいて処理された生物汚泥に含まれる微生物の細胞壁の構成成分を、前記第２の生体触媒により分解する槽である。細胞壁分解槽２０ｂには、調整部２０ｃによって第２の生体触媒が導入され、粘性物質分解槽１０ｂにおいて処理された生物汚泥と合流する。調整部２０ｃは、一例として、ポンプ又はバルブである。
第２の生体触媒により、粘性物質分解槽１０ｂにおいて処理された生物汚泥に含まれる微生物の細胞壁の構成成分を低分子化することで、後段の各分解槽における処理、及び消化槽５０における生物汚泥の嫌気性消化処理を、高効率に行うことが可能となる。

微生物の細胞壁の構成成分を分解し得る分解酵素としては、細胞壁の構成成分を分解可能であるものであれば、特に制限されない。微生物の細胞壁の構成成分を分解し得る分解酵素としては、細胞壁を構成する物質であるペプチドグリカンを加水分解可能な酵素が挙げられる。例として、細胞壁の強固な構造を作るペプチドグリカン結合を特異的に加水分解するリゾチーム酵素群が挙げられる。なお、前記第２の生体触媒には、プロテアーゼが細胞表面に提示された宿主生物が含まれていないことが好ましい。

例えば、リゾチームが細胞表面に提示された宿主生物を含む第２の生体触媒と、粘性物質分解槽１０ｂにおいて処理された生物汚泥とを混合することによって、生物汚泥中の微生物が、これらの生体触媒によって分解される。
第２の生体触媒は、１種類の触媒のみを含んでいてもよく、複数種類の触媒を含んでいてもよい。第２の生体触媒が複数種類の触媒を含む場合、一種類の触媒を発現した宿主生物を、複数種類含んでいてもよいし、複数種類の触媒を発現した宿主生物を１種類又は複数種類含んでいてもよい。

細胞壁分解槽２０ｂの運転温度としては、宿主生物とその表面に提示された生体触媒の種類に応じて適宜設定可能であり、一例として、２０℃〜５５℃程度であり、生体触媒の至適温度を考慮して、３７℃がより好ましい。また、備え付けの攪拌装置により適宜攪拌されることが有機性汚泥の温度分布の均一化の観点から好ましい。
細胞壁分解槽２０ｂ内の処理液のｐＨは、宿主生物とその表面に提示された生体触媒の種類に応じて適宜設定可能である。

第３の生体触媒培養槽３０ａは、第３の生体触媒の培養生産を行う槽である。第３の生体触媒は、宿主生物の細胞表面に、生物汚泥に含まれる微生物の細胞膜及び/又は細胞質の構成成分を分解する触媒を提示したものであり、該触媒を作り出す生物自体が挙げられる。生物により作り出される触媒としては、酵素等のタンパク質が挙げられ、加水分解酵素、酸化還元酵素、転移酵素、脱離酵素、異性化酵素、合成酵素が好ましく、加水分解酵素がより好ましい。

第３の生体触媒培養槽３０ａは、宿主細胞が好適に増殖するための手段を備えている。係る手段としては、一例として温度制御手段、ｐＨ制御手段、濁度計等の基質濃度制御手段、圧力制御手段、攪拌手段等が挙げられる。
一例として、宿主細胞として酵母を用いる場合、第３の生体触媒培養槽３０ａは、槽内環境が２０〜３０℃、ｐＨ４〜７となるように制御される。

細胞壁分解槽２０ｂにおいて処理された生物汚泥は、細胞膜・細胞質分解槽３０ｂへと導入される。細胞壁分解槽２０ｂにおいて処理された生物汚泥については、生物汚泥である余剰汚泥Ｆに由来する意味で生物汚泥と称している。

細胞膜・細胞質分解槽３０ｂは、細胞壁分解槽２０ｂにおいて処理された生物汚泥に含まれる微生物の細胞膜及び/又は細胞質の構成成分を、前記第３の生体触媒により分解する槽である。細胞膜・細胞質分解槽３０ｂには、調整部３０ｃによって第３の生体触媒が導入され、細胞壁分解槽２０ｂにおいて処理された生物汚泥と合流する。調整部３０ｃは、一例として、ポンプ又はバルブである。
第３の生体触媒により、細胞壁分解槽２０ｂにおいて処理された生物汚泥に含まれる微生物の細胞膜及び/又は細胞質の構成成分を低分子化することで、後段の消化槽５０における生物汚泥の嫌気性消化処理を、高効率に行うことが可能となる。

なお、細胞膜は粘性物質や細胞壁ほど強固ではなく、比較的簡単に生体触媒により低分子化することが可能である。したがって、効率よく微生物の細胞膜を破壊しつつ、細胞質の低分子化を進行させることが可能である。

微生物の細胞膜の構成成分を分解し得る分解酵素としては、微生物の細胞膜の構成成分を分解可能なものであれば特に制限されない。微生物の細胞膜の構成成分を分解し得る分解酵素としては、微生物の細胞膜を構成する物質である脂質を加水分解可能な酵素や、細胞膜の膜タンパク質を分解可能な酵素が挙げられる。脂質に関しては、脂質分解酵素が挙げられる。脂質分解酵素としては、脂質を加水分解可能なリパーゼ酵素群が挙げられる。細胞膜の膜タンパク質に関しては、プロテアーゼが挙げられ、ペプチド結合を加水分解するプロテアーゼ群が挙げられる。
微生物の細胞質の構成成分を分解し得る分解酵素としては、微生物の細胞質の構成成分を分解可能なものであれば特に制限されない。微生物の細胞質の構成成分を分解し得る分解酵素としては、細胞質に含有される物質であるデンプン、タンパク質、脂質等を加水分解可能な酵素が挙げられる。デンプンに関しては、デンプンを加水分解可能なアミラーゼ酵素群が挙げられる。タンパク質に関しては、プロテアーゼが挙げられ、ペプチド結合を加水分解するプロテアーゼ群が挙げられる。脂質に関しては、脂質分解酵素が挙げられる。脂質分解酵素としては、脂質を加水分解可能なリパーゼ酵素群が挙げられる。

例えば、アミラーゼ、プロテアーゼ、リパーゼが細胞表面に提示された宿主生物を含む第３の生体触媒と、細胞壁分解槽２０ｂにおいて処理された生物汚泥とを混合することによって、生物汚泥中の微生物の細胞膜及び/又は細胞質が、これらの生体触媒によって分解される。
第３の生体触媒は、１種類の触媒のみを含んでいてもよく、複数種類の触媒を含んでいてもよい。第３の生体触媒が複数種類の触媒を含む場合、１種類の触媒を発現した宿主生物を、複数種類含んでいてもよいし、複数種類の触媒を発現した宿主生物を１種類又は複数種類含んでいてもよい。

細胞膜・細胞質分解槽３０ｂの運転温度としては、宿主生物とその表面に提示された生体触媒の種類に応じて適宜設定可能であり、一例として、２０℃〜５５℃程度であり、生体触媒の至適温度を考慮して、３７℃がより好ましい。また、備え付けの攪拌装置により適宜攪拌されることが有機性汚泥の温度分布の均一化の観点から好ましい。
細胞膜・細胞質分解槽３０ｂ内の処理液のｐＨは、宿主生物とその表面に提示された生体触媒の種類に応じて適宜設定可能である。

以下、生体触媒について説明する。
生物は所有している遺伝子情報（ＤＮＡ）を基に、酵素の合成を行っている。そこで特定の生物に汚泥分解酵素の情報をコードしている遺伝子を人為的に導入（遺伝子組み換え）することで、目的の酵素を上記微生物に作らせることが可能である。

生体触媒を作り出す生物自体としては、微生物が挙げられ、実施形態に係る宿主生物としては微生物が好ましい。微生物としては、Pseudomonas alcaligenes 、P. putida、P. dacunhae 等のPseudomonas 属のグラム陰性細菌；Gluconobacter melanogenes 、G. oxydans等のGluconobacter 属のグラム陰性細菌；Alcaligenes eutrophus 等のAlcaligenes 属のグラム陰性細菌；Acetobacter suboxydans等の酢酸菌；Escherichia coli、E. freundii 、Enterobacter aerogenes等の大腸菌群細菌；Erwinia carotovora、Serratia marcescens 、Protaminobacter rubrum、Proteus mirabilis 等のその他のグラム陰性細菌などを挙げることができる。
また、Streptococcus faecalis、Leuconostoc mensenteroides、Lactobacillus delbruckii等の乳酸菌；Bacillus subtilis 、B. megaterium 等のBacillus属のグラム陽性細菌；Clostridium acetobutylicum、C. beijerinckii 等のClostridium 属のグラム陽性細菌；Arthrobacter simplex等のArthrobacter属のグラム陽性細菌；Corynebacterium glutamicum、Brevibacterium ammoniagenes 、B. flavum 、Propionibacterium sp. 等のその他のグラム陽性細菌などを挙げることができる。
さらに、Nocardia rhodocrous 、Streptomyces phaeochromogenes 、S. rimosus、S. roseochromogenes 、S. tendae 、S. rimosus等の放線菌、Saccharomyces sp. 、Hansenula jadinii 、Candida tropicalis、Rhodotorula minuta等の酵母、Rhizopus nigricans、R. stolonofer 、Curvularia lunata 、Aspergillusochraceus 、A. niger、Penicillium chrysogenum 等の糸状菌などを挙げることができる。
上述した微生物の内、生体触媒として２種以上の異なる微生物を宿主として用いてもよい。代表的な宿主微生物として、酵母、大腸菌等が挙げられる。

生体触媒としては、アミノアシラーゼ、α−アミラーゼ、グルコアミラーゼ、セルラーゼ、インベルターゼ、カルボキシペプチダーゼ、ロイシンアミノペプチダーゼ、ペニシリンアミダーゼ、ＡＭＰデアミナーゼ、プロテアーゼ、リゾチーム、パパイン、キチナーゼ、コレステロールエステルヒドロラーゼ、アルカリホスファターゼ、β−グルコシダーゼ、β−Ｄ−ガラクトシダーゼ、アスパラギナーゼ、グルタミナーゼ、ウレアーゼ、ペニシリナーゼ、クレアチニナーゼ、クレアチナーゼ、クレアチンデイミナーゼ、ペクチナーゼ、カタラーゼ、リパーゼ、ヘミセルラーゼ、キシラーゼ、マンノーシターゼ、アミノペプチターゼ、キモトリプシン、ウロキナーゼ、ウレアーゼ、アミダーゼ、グルコースフォスファターゼ、リボヌクレアーゼ、各種制限酵素（エンドデオキシリボヌクレアーゼ）、フォスフォリパーゼ、サッカラーゼ等が挙げられ、アミラーゼ、セルラーゼ、プロテアーゼ、リゾチームが好ましい。

図６は、実施形態に好適に用いられる生体触媒の説明図である。図６に示すように、酵素遺伝子に宿主生物の細胞表面に提示する指令配列を加えることで、合成された酵素を細胞表層に提示（アーミング）することができる。
宿主細胞に上記酵素を提示させる方法としては、一例として、遺伝子操作により酵素と細胞表層提示タンパクをコードしている遺伝子を特定の微生物に導入する方法が挙げられる。遺伝子の発現により、微生物の細胞内から酵素が合成された後、細胞表層に提示される。より具体的には、宿主微生物（酵母）に以下の配列、分泌シグナル、目標酵素、アグルチニンタンパク質、及び上記アンカー付着シグナルをコードする遺伝子を含む配列を導入することが挙げられる。アグルチニンタンパク質は、上記酵素を固定するアンカーとなる。アンカー付着シグナルとしては、グリコシルフォスファチジルイノシトール（GPI）が挙げられる。上記特徴を有する配列を酵母に導入することにより、目標酵素を宿主微生物にアーミングすることができる。酵素が提示された微生物は生体触媒となり、生物汚泥に含有される物質の低分子化に作用する。

上記技術を利用して、特定の微生物、例えば、一般的に利用される酵母、大腸菌等を使い、上記方法で物質低分子化能を持つ生体触媒を作製し、汚泥の低分子化処理に用いることが可能である。
また、生体触媒として、酵母等の有価物生産をする微生物を用いる場合、これらの微生物自身も低分子された汚泥を餌として利用でき、例えば、酵母表層に提示されたセルラーゼの働きにより、汚泥中のセルロースが低分子糖に分解され、酵母がこの低分子糖を利用し、アルコール発酵を行い、バイオエタノールを生産するように、有価物を生産することが可能となる。宿主細胞に発現させる酵素は、１種類でも複数種類でもよい。発現効率の観点からは１種類のタンパク質を発現させることが好ましく、複数の宿主細胞にそれぞれ異なる種類のタンパク質を１種類ずつ発現させることがより好ましい。
生体触媒の表層に難分解目標の分解に適した酵素を提示することによって、生体触媒の汚泥低分子化効率を向上させることができる。

細胞膜・細胞質分解槽３０ｂにおいて処理された生物汚泥は、消化槽５０へと導入される。細胞膜・細胞質分解槽３０ｂにおいて処理された生物汚泥については、生物汚泥である余剰汚泥Ｆに由来する意味で生物汚泥と称している。

消化槽５０は、細胞膜・細胞質分解槽３０ｂの後段に配置され、細胞膜・細胞質分解槽３０ｂにおいて処理された生物汚泥を嫌気性消化処理し、バイオガスに変換する槽である。
消化槽５０には、メタン生成菌を主とする種々の嫌気性微生物（加水分解菌、酸生成菌、メタン生成菌等）が定着している。消化槽５０は、回転式の撹拌翼を備えたものなど攪拌装置を備えることが好ましい。消化槽５０で消化された消化汚泥は、調整部６０によって、脱水機９０へ送られる。調整部６０は、一例として、ポンプ又はバルブである。

消化槽５０内では、定着している加水分解菌により、有機性汚泥中の炭水化物、タンパク質、脂質等の高分子有機物が低分子有機物へ分解されてもよい。次いで、消化槽５０内に定着している酸生成菌により低分子有機物が、酢酸、プロピオン酸等の低級脂肪酸へ分解されてもよい。最終的には、消化槽５０内に定着しているメタン生成菌により酢酸等の低級脂肪酸からメタンと二酸化炭素とに分解される。

消化槽５０の運転温度としては、メタン生成菌の活性温度に依存して設定されることが好ましく、中温菌及び高温菌の活性温度である３７℃〜５５℃が好ましく、生体触媒の至適温度を考慮して、３７℃がより好ましい。また、備え付けの攪拌装置により適宜攪拌されることが有機性汚泥の温度分布の均一化の観点から好ましい。
消化槽５０内の処理液のｐＨは、嫌気消化の最適ｐＨである８．５〜９．５の範囲が好ましく、嫌気消化開始時には消石灰等を用いて８．５〜９．０に調整を行うことがより好ましい。

脱水機９０は、消化槽５０から導入された消化汚泥を脱水処理するための手段を備えたものであれば特に限定されず、遠心脱水機、圧縮脱水機等が挙げられる。

脱水処理された汚泥は、焼却処理または乾燥処理を経て廃棄されるか、或いは、脱水処理された汚泥は、肥料として再利用される。
脱水処理されて得られた汚泥の液分は、返流水として、下水処理施設に返流される。

上記汚泥が肥料として環境に放出される前、及び上記液分が下水処理施設に返流される前に、これら汚泥及び汚泥の液分を、滅菌装置を通過させて、汚泥中の微生物を死滅させることが好ましい。脱水された消化汚泥については、焼却や、１２０℃以上での乾燥により微生物を死滅させることが可能である。
死滅させる方法としては、塩素、オゾン、紫外線等による消毒や、加温による滅菌、ｐＨ調整による滅菌、圧力制御による滅菌が挙げられる。係る構成により、各生体触媒培養槽で培養された生体触媒が、環境中に漏えいすることを防止できる。
滅菌装置は、有機性汚泥中の微生物を死滅させる手段を備えたものであれば特に限定されず、加温手段、ｐＨ調整手段、圧力制御手段等を備えたものが挙げられる。オートクレーブのように、高温高圧の飽和水蒸気による滅菌手段を備えたものであってもよい。

上記滅菌装置のなかでは、加温手段を備えたものが好ましい。加温手段による高温滅菌法では、簡便に微生物を死滅させることが可能である。例えば、よく使われる高温滅菌条件は１２０℃、１５分間などである。
高温滅菌法で加熱するために、バイオガス発電の際に発生した燃焼廃熱を回収して、加熱に用いてもよい。

第１の実施形態の汚泥処理システム１ａによれば、余剰汚泥Ｆに含まれる微生物集合体（フロック）の構造を、生体触媒を用いて粘性物質、微生物の細胞壁の順に処理し、フロックの構造を外から内部へ順番的に崩すことが可能となる。これにより、余剰汚泥Ｆの低分子化が効率化され、消化槽５０での消化効率・消化速度が向上し、汚泥中の有機物のガス変換効率を向上できる。

第１の実施形態の汚泥処理システム１ａによれば、フロックの構造を考慮し、複数の分解槽及び複数の生体触媒培養槽を持つことにより、余剰汚泥Ｆに含まれる粘性物質と、余剰汚泥Ｆに含まれる微生物とを、それぞれ異なる分解槽で処理可能である。係る構成により、粘性物質の分解時に、微生物の分解に適した触媒が分解されたり劣化したりする恐れが低減され、汚泥処理効率が向上可能である。また、係る構成により、各分解槽ごとに最適な処理条件が設定可能となり、汚泥処理効率が向上可能である。

第１の実施形態の汚泥処理システム１ａによれば、上記のように、余剰汚泥Ｆの低分子化が効率化されるため、消化槽５０より排出される消化汚泥量の減量と、それによる脱水性の向上が達成され、消化汚泥の処理コストが低減できる。

第１の実施形態の汚泥処理システム１ａによれば、上記のように、消化槽５０での消化速度が向上するので、消化槽５０のコンパクト化が可能となる。

第１の実施形態の汚泥処理システム１ａによれば、上記のように、消化槽５０での消化速度が向上するので、消化槽５０での消化時間が短縮できる。

第１の実施形態の汚泥処理システム１ａによれば、上記のように、消化槽５０のコンパクト化が可能となるので、消化槽５０の加温コスト及び撹拌コストの低減が可能となる。

第１の実施形態の汚泥処理システム１ａによれば、余剰汚泥Ｆの低分子化に生体触媒を用いているので、生体触媒を一旦設計できれば、餌とする有機物を与えるだけで、生体触媒を対数的に増やすこと可能で、触媒の利用コストを削減できる。

第１の実施形態の汚泥処理システム１ａによれば、生体触媒として、宿主生物の細胞表面に触媒を提示したもの用いており、生体触媒である宿主生物が死滅しても、酵素は槽中に残るため、汚泥処理剤として継続的な利用が可能である。

第１の実施形態の汚泥処理システム１ａによれば、物理、化学的な処理（超音波処理、オゾン処理、熱処理など）で使われる大掛かりの機械、装置が不要のため、イニシャルコスト及びランニングコストを軽減することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、汚泥処理システム１が細胞壁分解槽２０ｂの後段に、細胞膜分解槽３１ｂ（第３の分解槽）と、細胞質分解槽４０ｂ（第４の分解槽）を備えている点、及び第４の生体触媒培養槽４０ａ（第４の生体触媒培養槽）を備えている点が、第１の実施形態と相違する。第２の実施形態では、第１の実施形態との相違点についてのみ説明する。

図２は、第２の実施形態における、汚泥処理システム１の構成例を示す図である。第２の実施形態では、汚泥処理システムは、「汚泥処理システム１ｂ」という。汚泥処理システム１ｂは、微生物を含有する生物汚泥を分解処理する設備であれば、特定の設備に限定されない。汚泥処理システム１ｂは、例えば、下水処理場、食品工場である。第１の実施形態では、汚泥処理システム１ｂは、一例として下水処理場である。

第３の生体触媒培養槽３１ａは、第３の生体触媒の培養生産を行う槽である。第３の生体触媒は、宿主生物の細胞表面に、生物汚泥に含まれる微生物の細胞膜の構成成分を分解する触媒を提示したものであり、該触媒を作り出す生物自体が挙げられる。生物により作り出される触媒としては、酵素等のタンパク質が挙げられ、加水分解酵素、酸化還元酵素、転移酵素、脱離酵素、異性化酵素、合成酵素が好ましく、加水分解酵素がより好ましい。

細胞壁分解槽２０ｂにおいて処理された生物汚泥は、細胞膜分解槽３１ｂへと導入される。

細胞膜分解槽３１ｂは、細胞壁分解槽２０ｂにおいて処理された生物汚泥に含まれる微生物の細胞膜の構成成分を、前記第３の生体触媒により分解する槽である。細胞膜分解槽３１ｂには、調整部３１ｃによって、第３の生体触媒が導入され、細胞壁分解槽２０ｂにおいて処理された生物汚泥と合流する。調整部３１ｃは、一例として、ポンプ又はバルブである。
第３の生体触媒により、微生物の細胞膜の構成成分を低分子化することで、後段の細胞質分解槽４０ｂにおける処理、及び消化槽５０における生物汚泥の嫌気性消化処理を、高効率に行うことが可能となる。
微生物の細胞膜を破壊し、細胞内の細胞質を溶出させることで、メタン発酵の基質として利用されやすい細胞質の成分が溶出され、細胞質の成分の分解の効率を向上させることができる。

微生物の細胞膜の構成成分を分解し得る分解酵素としては、第１の実施形態で説明したものと同様のものが挙げられる。

第４の生体触媒培養槽４０ａは、第４の生体触媒の培養生産を行う槽である。第４の生体触媒は、宿主生物の細胞表面に、生物汚泥に含まれる微生物の細胞質の構成成分を分解する触媒を提示したものであり、該触媒を作り出す生物自体が挙げられる。生物により作り出される触媒としては、酵素等のタンパク質が挙げられ、加水分解酵素、酸化還元酵素、転移酵素、脱離酵素、異性化酵素、合成酵素が好ましく、加水分解酵素がより好ましい。

細胞膜分解槽３１ｂにおいて処理された生物汚泥は、細胞質分解槽４０ｂへと導入される。

細胞質分解槽４０ｂは、細胞膜分解槽３１ｂにおいて処理された生物汚泥に含まれる微生物の細胞質の構成成分を、前記第４の生体触媒により分解する槽である。細胞質分解槽４０ｂには、調整部４０ｃによって、第４の生体触媒が導入され、細胞膜分解槽３１ｂにおいて処理された生物汚泥と合流する。調整部３１ｃは、一例として、ポンプ又はバルブである。
第４の生体触媒により、微生物の細胞質の構成成分を低分子化することで、後段の消化槽５０における生物汚泥の嫌気性消化処理を、高効率に行うことが可能となる。
細胞質には、微生物のエネルギー原として貯蔵されている物質顆粒、例えばデンプンなどの多糖類、脂質が含まれる。これらの物質はメタン発酵の基質にもなるため、メタンガスの発生量に大きく寄与する。これらの物質を、生体触媒を用い、高い反応速度で予め低分子化することで、後段の消化槽５０における消化反応をよりスムーズに進行させることができる。

微生物の細胞質の構成成分を分解し得る分解酵素としては、第１の実施形態で説明したものと同様のものが挙げられる。

以上のように、第２の実施形態の汚泥処理システム１ｂでは、余剰汚泥Ｆに含まれる微生物集合体（フロック）の構造を、生体触媒を用いて粘性物質、微生物の細胞壁、微生物の細胞膜、微生物の細胞質の順に処理し、フロックの構造を外から内部へ順番的に崩すことが可能となる。これにより、余剰汚泥Ｆの低分子化がさらに効率化され、消化槽５０での消化効率・消化速度が向上し、汚泥中の有機物のガス変換効率が向上可能となる。また、消化槽５０での消化時間も短縮できる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、汚泥処理システム１が、粘性物質分解槽１０ｂと細胞壁分解槽２０ｂの間に、生体触媒に含まれる酵素を失活させる酵素失活装置１００を、更に備えている点で、第１の実施形態と相違する。第３の実施形態において、該生体触媒は、第１の生体触媒である。第３の実施形態では、第１に実施形態との相違点についてのみ説明する。

図３は、第３の実施形態における、汚泥処理システム１の構成例を示す図である。第３の実施形態では、汚泥処理システムは、「汚泥処理システム１ｃ」という。汚泥処理システム１ｃは、微生物を含有する生物汚泥を分解処理する設備であれば、特定の設備に限定されない。汚泥処理システム１ｃは、例えば、下水処理場、食品工場である。第３の実施形態では、汚泥処理システム１ｃは、一例として下水処理場である。

汚泥処理システム１ｃは、汚泥処理システム１ａと比較して、粘性物質分解槽１０ｂと細胞壁分解槽２０ｂの間に、生体触媒に含まれる酵素を失活させる酵素失活装置１００を更に備える。第３の実施形態において、酵素失活装置１００は、第１の生体触媒に含まれる酵素を失活させる。

余剰汚泥Ｆに含まれる粘性物質には、通常、タンパク質が含有されている。そのため、余剰汚泥Ｆの粘性物質の低分子化を高効率に行うとの観点から、第１の生体触媒には、プロテアーゼが細胞表面に提示された宿主生物が、含有されることが好ましい。この場合、粘性物質分解槽１０ｂにて処理された第１の生体触媒を含む汚泥が、細胞壁分解槽２０ｂへと導入されることで、第１の生体触媒のプロテアーゼが細胞壁分解槽２０ｂへと導入されることとなる。しかし、当該プロテアーゼは、細胞壁分解槽２０ｂへ導入された第２の生体触媒をも消化してしまう可能性がある。これを防止するため、プロテアーゼが細胞表面に提示された宿主生物が含有された生体触媒を溜めた分解槽の後段に、酵素失活装置１００を配置することが有効である。より具体的には、粘性物質分解槽１０ｂと細胞壁分解槽２０ｂの間に、生体触媒に含まれる酵素を失活させる酵素失活装置１００を配置することで、第１の生体触媒に含まれる酵素を失活させることが有効である。係る構成により、細胞壁分解槽２０ｂにおける第２の生体触媒の活性の低下を防止できる。
酵素失活装置１００における酵素失活方法としては、加温による酵素の変性、ｐＨ調整による酵素の変性、抗体の投入、キレート剤の投入による酵素活性中心の不活性化などがあり、これらの方法に限定されない。

酵素失活装置１００は、汚泥分解酵素を失活させる手段を備えたものであれば特に限定されず、加温手段、ｐＨ調整手段、中和抗体投入手段、キレート剤投入手段を備えたものが挙げられる。

なお、第３の実施形態では、酵素失活装置１００は、粘性物質分解槽１０ｂと細胞壁分解槽２０ｂとの間に備えられるものとしたが、酵素失活装置１００は、細胞壁分解槽２０ｂと消化槽５０との間に、備えられていてもよい。細胞壁分解槽２０ｂと消化槽５０との間としては、例えば、細胞壁分解槽２０ｂと細胞膜・細胞質分解槽３０ｂとの間、細胞膜・細胞質分解槽３０ｂと消化槽５０との間が挙げられる。
各分解槽で処理された汚泥には、多くの汚泥分解酵素が含まれているため、そのまま有機性汚泥を消化槽５０に投入すると、消化槽５０中の嫌気微生物の活性を低下する可能性がある。そのために、上記汚泥が消化槽５０に投入される前に、酵素失活装置を通過させ、汚泥分解酵素、特に微生物の細胞壁、細胞膜を分解する酵素を失活させることによって、消化槽内の嫌気性微生物の活性低下を阻止できる。
上記の観点によれば、酵素失活装置１００は、粘性物質分解槽１０ｂと細胞壁分解槽２０ｂとの間、又は細胞膜・細胞質分解槽３０ｂと消化槽５０との間に配置されることが好ましい。酵素失活装置１００は、粘性物質分解槽１０ｂと細胞壁分解槽２０ｂとの間、及び細胞膜・細胞質分解槽３０ｂと消化槽５０との間に配置されることがより好ましい。

また、第３の実施形態で説明した、酵素失活装置１００の配置は、第２の実施形態にも同様に適用可能である。例えば、第２の実施形態では、酵素失活装置１００は、粘性物質分解槽１０ｂと細胞壁分解槽２０ｂとの間に備えられていてもよく、細胞壁分解槽２０ｂと消化槽５０との間に、備えられていてもよい。細胞壁分解槽２０ｂと消化槽５０との間としては、例えば、細胞壁分解槽２０ｂと細胞膜分解槽３１ｂとの間、細胞膜分解槽３１ｂと細胞質分解槽４０ｂとの間、細胞質分解槽４０ｂと消化槽５０の間が挙げられる。
酵素失活装置１００は、粘性物質分解槽１０ｂと細胞壁分解槽２０ｂとの間、又は細胞質分解槽４０ｂと消化槽５０との間に配置されることが好ましい。酵素失活装置１００は、粘性物質分解槽１０ｂと細胞壁分解槽２０ｂとの間、及び細胞質分解槽４０ｂと消化槽５０との間に配置されることがより好ましい。

なお、第３の実施形態では、酵素失活装置１００が備えられるものとしたが、滅菌装置は酵素失活を達成可能であるのが通常であるので、酵素失活装置に代えて、滅菌装置が備えられてもよい。滅菌装置としては、第１の実施形態において説明したものと同様の装置が挙げられる。

以上のように、第３の実施形態の汚泥処理システム１ｃでは、生体触媒に含まれる酵素を失活させることにより、後段の分解槽内での生体触媒の活性低下を防止できる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態では、汚泥処理システム１が、細胞膜・細胞質分解槽３０ｂと消化槽５０の間に、生物汚泥中の微生物を死滅させる滅菌装置１１０を、更に備えている点で、第１の実施形態と相違する。第４の実施形態において、該生物汚泥中の微生物は、第１の生体触媒、第２の生体触媒、第３の生体触媒、及び余剰汚泥Ｆ中の微生物である。第４の実施形態では、第１の実施形態との相違点についてのみ説明する。

図４は、第４の実施形態における、汚泥処理システム１の構成例を示す図である。第３の実施形態では、汚泥処理システムは、「汚泥処理システム１ｄ」という。汚泥処理システム１ｄは、微生物を含有する生物汚泥を分解処理する設備であれば、特定の設備に限定されない。汚泥処理システム１ｄは、例えば、下水処理場、食品工場である。第４の実施形態では、汚泥処理システム１ｄは、一例として下水処理場である。

生体触媒として微生物を用いる場合、消化槽５０に生体触媒が混入した有機性汚泥を投入すると、主に有機酸等のメタン発酵を行うメタン菌の餌を消費する可能性があり、バイオガスの発生量を低減させてしまう可能性がある。

第４の実施形態の汚泥処理システム１ｄでは、各分解槽で処理した汚泥を消化槽５０に投入する前に、滅菌装置１１０により微生物を死滅させ、消化槽５０内のメタン菌等の有用微生物への影響を無くし、メタン発酵反応を促進できる。

従来の汚泥処理システムでは、オゾン、アルカリ剤投入、超音波破砕による前処理を行うことで汚泥を可溶化させる。これらはいずれも物理化化学的な手法で、多大なエネルギー投入、薬品投入が必要とされる場合があった。従来の汚泥処理システムでは、ランニングコストの増加や多くの付帯設備の投入が必要で、これらの技術の普及は難しかった。

上記各実施形態では、汚泥処理システム１は、第１の生体触媒培養槽、第１の分解槽、第２の生体触媒培養槽、及び第２の分解槽の他に、第３の生体触媒培養槽と、第３の分解槽とを備えるものとしたが、生体触媒培養槽及び分解槽は、第１の生体触媒培養槽、第１の分解槽、第２の生体触媒培養槽、及び第２の分解槽のみであってもよい。ここで、第１の分解槽は、生物汚泥に含まれる粘性物質の構成成分を、前記第１の生体触媒により分解する槽である。第２の分解槽は、前記第１の分解槽において処理された生物汚泥中の微生物の構成成分を前記第２の生体触媒により分解する槽である。

以上に述べた少なくとも一つの実施形態によれば、余剰汚泥Ｆに含まれる微生物集合体（フロック）の構造を、生体触媒を用いて粘性物質、微生物の順に処理し、フロックの構造を外から内部へ順番的に崩すことが可能となる。これにより、余剰汚泥Ｆの低分子化が効率化され、消化槽５０での消化効率・消化速度が向上し、汚泥中の有機物のガス変換効率を向上できる。

以上に述べた少なくとも一つの実施形態によれば、フロックの構造を考慮し、複数の分解槽及び複数の生体触媒培養槽を持つことにより、余剰汚泥Ｆに含まれる粘性物質と、余剰汚泥Ｆに含まれる微生物とを、それぞれ異なる分解槽で処理可能である。係る構成により、粘性物質の分解時に、微生物の分解に適した触媒が分解されたり劣化したりする恐れが低減され、汚泥処理効率が向上可能である。また、係る構成により、各分解槽ごとに最適な処理条件が設定可能となり、汚泥処理効率が向上可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ａ…汚泥処理システム、１ｂ…汚泥処理システム、１ｃ…汚泥処理システム、１ｄ…汚泥処理システム、１０ａ…第１の生体触媒培養槽、１０ｂ…粘性物質分解槽、１０ｃ…調整部、１０ｄ…調整部、２０ａ…第２の生体触媒培養槽、２０ｂ…細胞壁分解槽、２０ｃ…調整部、３０ａ…第３の生体触媒培養槽、３０ｂ…細胞膜・細胞質分解槽、３０ｃ…調整部、３１ａ…第３の生体触媒培養槽、３１ｂ…細胞膜分解槽、３１ｃ…調整部、４０ａ…第４の生体触媒培養槽、４０ｂ…細胞質分解槽、４０ｃ…調整部、５０…消化槽、６０…調整部、７０…基質槽、８０…調整部、９０…脱水機、１００…酵素失活装置、１１０…滅菌装置

Claims (6)

1. 第１の生体触媒を培養する第１の生体触媒培養槽と、
   生物汚泥に含まれる粘性物質の構成成分を、前記第１の生体触媒により分解する第１の分解槽と、
   第２の生体触媒を培養する第２の生体触媒培養槽と、
   前記第１の分解槽の後段に配置され、前記第１の分解槽において処理された生物汚泥中の微生物の構成成分を前記第２の生体触媒により分解する第２の分解槽と、
   前記第２の分解槽の後段に配置され、前記第２の分解槽において処理された生物汚泥を嫌気性消化処理し、バイオガスに変換する消化槽と、
   を備え、
   前記第１の生体触媒は、宿主生物の細胞表面に、生物汚泥に含まれる粘性物質の構成成分を分解する触媒を提示したものであり、
   前記第２の生体触媒は、宿主生物の細胞表面に、生物汚泥中の微生物の構成成分を分解する触媒を提示したものである汚泥処理システム。
2. 前記第２の生体触媒は、宿主生物の細胞表面に、生物汚泥中の微生物の細胞壁の構成成分を分解する触媒を提示したものである請求項１に記載の汚泥処理システム。
3. 更に、第３の生体触媒を培養する第３の生体触媒培養槽と、
   前記第２の分解槽の後段に配置され、前記第２の分解槽において処理された生物汚泥中の、微生物の構成成分を前記第３の生体触媒により分解する第３の分解槽と、
   を備え、
   前記第３の生体触媒は、宿主生物の細胞表面に、生物汚泥中の微生物の細胞膜及び/又は細胞質の構成成分を分解する触媒を提示したものである請求項１又は２に記載の汚泥処理システム。
4. 更に、第４の生体触媒を培養する第４の生体触媒培養槽と、
   前記第３の分解槽の後段に配置され、前記第３の分解槽において処理された生物汚泥中の、微生物の構成成分を前記第４の生体触媒により分解する第４の分解槽と、
   を備え、
   前記第３の生体触媒は、宿主生物の細胞表面に、生物汚泥中の微生物の細胞膜の構成成分を分解する触媒を提示したものであり、
   前記第４の生体触媒は、宿主生物の細胞表面に、生物汚泥中の微生物の細胞質の構成成分を分解する触媒を提示したものである請求項３に記載の汚泥処理システム。
5. 更に、前記第１の分解槽と前記第２の分解槽の間、及び/又は前記第２の分解槽と前記消化槽の間に、酵素失活装置を備えた請求項１〜４のいずれか一項に記載の汚泥処理システム。
6. 更に、前記第１の分解槽と前記第２の分解槽の間、及び/又は前記第２の分解槽と前記消化槽の間に、生物汚泥中の微生物を死滅させる滅菌装置を備えた請求項１〜４のいずれか一項に記載の汚泥処理システム。

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