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JPH08191683A - 微生物による水素生産方法及び装置 - Google Patents

微生物による水素生産方法及び装置

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Publication number
JPH08191683A
JPH08191683A JP2088495A JP2088495A JPH08191683A JP H08191683 A JPH08191683 A JP H08191683A JP 2088495 A JP2088495 A JP 2088495A JP 2088495 A JP2088495 A JP 2088495A JP H08191683 A JPH08191683 A JP H08191683A
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JP
Japan
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hydrogen
microorganism
producing
retention
effluent
Prior art date
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Pending
Application number
JP2088495A
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English (en)
Inventor
Naoaki Kataoka
直明 片岡
Koichi Kiriyama
光市 桐山
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Ebara Corp
Ebara Research Co Ltd
Original Assignee
Ebara Corp
Ebara Research Co Ltd
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Publication date
Application filed by Ebara Corp, Ebara Research Co Ltd filed Critical Ebara Corp
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    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/04Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な操作で発酵槽内液相における水素分圧
を低く維持でき、高い水素生産効率を維持することので
きる微生物による水素生産方法及び装置を提供する。 【構成】 有機性基質を含む液体から微生物により水素
を生産する装置において、上向流で前記液体3を導入す
る反応槽1を配備し、該反応槽1には、下部に水素生産
微生物を収容する水素生成部2と、該水素生成部2の上
方に水素生成部流出液を滞留させる滞留部4と、該滞留
部4の上部に気層部9とを有すると共に、前記滞留部4
には水素生成部流出液に超音波を照射する超音波照射機
構7,8を配備したものであり、前記水素生成部に収容
される水素生産微生物は、固定化担体に固定化される
か、又は自己固定された固定化微生物であるのが良い。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、微生物による水素の生
産に係り、特に、有機炭素源を基質として、嫌気性微生
物の発酵により水素を生産する方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】有機炭素源を基質とする、嫌気性微生物
の発酵により水素を生産するシステムにおいては、水素
生産反応が進行するにしたがって発酵系内の気液両相に
おける水素分圧が徐々に上昇し、水素生産反応が阻害さ
れる。このような現象を防ぐために、発酵系内の気相部
より水素を除去したり、水素を含まない、或いは水素分
圧の非常に低いガスをリアクタに循環する等の方法が採
られてきた。具体的には、前者の手段として発酵系内の
気相部或いはリアクタからの発生ガス系に水素吸蔵合金
収納容器を設置し、発生ガスと水素吸蔵合金とを接触せ
しめることが、そして後者の手段として窒素、二酸化炭
素等が大部分を占めるガスをリアクタに循環し、リアク
タ内の攪拌に供することが行われていた。
【0003】ところで、順調な水素発生が維持されてい
る以上、本来発生ガス中の水素分圧は水素吸蔵合金によ
る吸収反応を行うには低く、発酵系内の気相部或いはリ
アクタからの発生ガス系に水素吸蔵合金収納容器を設置
し、発生ガスと水素吸蔵合金とを接触せしめるというこ
れまでの方法では、水素吸蔵合金による水素吸収効率が
低いという問題があった。また窒素、二酸化炭素等が大
部分を占めるガスをリアクタに循環し、リアクタ内の攪
拌に供するという方法においては、当該ガスを発生ガス
の水素吸蔵合金との接触或いは膜分離によって得るかさ
らには系外より窒素、二酸化炭素等の新たなガスを供給
することによって実施している。しかしながら、発生ガ
スの水素吸蔵合金との接触により当該ガスを得る方法で
は上述と同じような問題がある。また、発生ガスの膜分
離による方法では、発生ガスの主たる組成である水素と
二酸化炭素との分離効率が良くなく、水素分圧の低い循
環ガスを得るのが困難であるという問題がある。さらに
系外より窒素、二酸化炭素等の新たなガスを供給する方
法は経費の点で問題がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の問題点を解決し、簡単な操作で発酵槽内液相におけ
る水素分圧を低く維持でき、高い水素生産効率を維持す
ることのできる微生物による水素生産方法及び装置を提
供することを課題とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、有機性基質を含む液体から微生物によ
り水素を生産する方法において、前記液体を、水素生産
微生物により有機物を分解し水素を生成する水素生成工
程と、該水素生成工程の流出液に超音波を照射し溶存す
る水素を揮散させる超音波処理工程とで処理することを
特徴とする微生物による水素生産方法としたものであ
る。また、本発明では、有機性基質を含む液体から微生
物により水素を生産する装置において、上向流で前記液
体を導入する反応槽を配備し、該反応槽には、下部に水
素生産微生物を収容する水素生成部と、該水素生成部の
上方に水素生成部流出液を滞留させる滞留部と、該滞留
部の上部に気層部とを有すると共に、前記滞留部には水
素生成部流出液に超音波を照射する超音波照射機構を配
備したことを特徴とする微生物による水素生産装置とし
たものである。
【0006】上記のように、本発明によれば、生産物で
ある水素を液中より気層中へ効果的に移行させ、その阻
害を防止し、引いては水素生産の効率を向上させること
ができた。上記装置で水素生成部と、他の部位即ち滞留
部と気層部とを別々の槽体として配置し、各々を連結し
てもよいが、タテ型一体として配置すれば設置スペース
及び液の移送の点で効率的であり、好ましい。本発明の
装置において、水素生成部は固定床でも流動床でも良
く、活性汚泥状の分散状態でも良いが、前記水素生成部
に収容される水素生産微生物は、固定化担体に固定化さ
れるか、又は自己固定(造粒)された固定化微生物であ
ることが好ましい。
【0007】また、前記水素生成部と滞留部との間に、
水素生産微生物の流出を防止する微生物分離手段を設け
ることも良い。微生物分離手段を設けないと、超音波処
理をする滞留部に流出した微生物は超音波による破壊等
の作用で多くが死滅するものと考えられる。しかし、分
離手段を設けずに、固定化担体の回収や、自己固定化
(造粒)の核として回収するため、循環回収手段を配備
して、水素生成部へ一部循環しても良い。また超音波に
よる微生物への影響を極力排除するために、前記水素生
成部と滞留部との間に超音波の漏入を減少させるための
狭窄部又は多孔板を配備することが好ましい。なお、本
発明において、滞留部での液の滞留時間は、被処理液の
質、負荷等により実験的に決定するのがよい。また、前
記滞留部の上部の気層部あるいは気体配管内において、
水素吸蔵合金による水素吸収を行うこと、水素吸収処理
後の気体を、本発明の装置、特に水素生成部に循環する
ことも本発明の範囲内である。
【0008】
【作用】本発明において、反応槽内液相部には主として
水素と二酸化炭素が溶存しており、当該部に超音波を照
射することによって、二酸化炭素に比べ溶解度が桁違い
に低い水素が、二酸化炭素に優先して反応槽内気相部に
移動する。したがって、液相部の水素分圧を低く維持す
ることができ、しかも窒素、二酸化炭素等が大部分を占
めるガスを反応槽に循環する場合のように、気相部にお
ける水素分圧が著しく低くなることがないため、発生ガ
スと水素吸蔵合金とを接触せしめ、水素吸蔵合金により
水素を貯蔵するにしてもその効率が低いという問題はな
い。
【0009】しかしながら、元来超音波には微生物の活
性を阻害する作用があり、微生物が存在する部位に超音
波を照射することは断じて避けなければならない。この
ため、充分な量の微生物が何らかの担体に固定、或いは
自己固定されている部分の上部に、充分な容量の流出液
滞留部を設け、当該流出液滞留部分に超音波を照射する
という手段を採る。また、流出液滞留部の容量や、照射
する超音波の出力、周波数によっては、微生物が存在す
る部位に超音波が到達する可能性も考えられる。このよ
うな可能性を防ぐ手段として、水素生産性微生物が存在
する部分と、その上部の流出液滞留部との間に当該反応
槽断面より著しく通水断面積を縮少した部分を装備し、
これより上部にて超音波を照射するのが好ましい。
【0010】上記通水断面積を縮小した部位は、反応槽
をくびれさせても、多孔性材を配備することによって
も、その他公知の如何なる方法によっても良く、超音波
の反射、散乱を適当にする形状、素材を適宜利用するの
がよい。当該反応槽断面より著しく断面積を縮少した部
分を、水素生産性微生物と接触した流出液が下から上へ
通過するときその流速は断面積に反比例して速くなり、
照射された超音波が水素生産性微生物の存在する部位に
到達するのを妨げる。流出液滞留部の容積は超音波の出
力や周波数に因るが、微生物が存在する部位に到達する
超音波の出力が0.01W/cm3 以下となるに足るだ
けの容積が存在すればよい。また、超音波は、出力0.
1W以上、発振周波数19.5KHz以上が好ましい。
【0011】
【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
るが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。 実施例1 図1及び図2に本発明の水素生産装置の概略構成図を示
す。図1において、1は反応槽(リアクタ)であり、反
応槽1は水素生成部である微生物固定層2と、流出液滞
留部4と気層部9とより構成され、底部に有機性基質を
含む液体の導入口3を有し、頂部に発生ガス流出口6を
有し、そして、滞留部4の上方に流出液排出口5を有し
ている。また、流出液滞留部4には超音波発生器7に接
続する超音波発振子8が設置されている。
【0012】図2は、図1の反応槽1において、水素生
成部2と流出液滞留部4との間に狭窄部10を設けたも
ので各符号は図1と同じである。次に、図2の装置を用
いた実験結果を示す。反応槽は下から有機性の基質が供
給される、内径10cm、高さ20cm、全容積157
0cm3 の円柱状リアクタで、その下部から高さ7cm
の範囲内に、充分な量の水素生産性微生物が予め付着固
定され、嫌気状態下に保存されていた平均径10mmの
坑火石を充填する。流出液滞留部の容積は1020cm
3 であり、流出液滞留部と水素生産性微生物が存在する
部位との間には内径4cm、高さ2.5cmの部分を装
備する。このリアクタを35℃の恒温室に設置し、水を
満たして水素生産性微生物が存在する部位を嫌気状態に
した後、以下に記す有機性基質を628ml/日で供給
する。
【0013】即ち、有機性基質は含水率73.2%のビ
ール粕8.0g(湿潤重量)を、800mlの0.36
規定硫酸に懸濁させ、120℃にて1時間加熱処理して
得られるろ液に、アルカリを添加してpHを中性に調整
した後、ミネラル、ビタミンを添加して得られるもので
ある。TOCは約1800mg/リットルである。この
有機性基質をリアクタに供給開始後しばらくしてから流
出液滞留部に出力50W、周波数20KHzの超音波を
連続して照射する。安定した状態において105ml/
日のガス発生が見られ、流出液滞留部液相における水素
分圧は0.135atm、二酸化炭素分圧は0.865
atmを、リアクタ内の流出液滞留部上部気相部におけ
る水素分圧は0.46atm、二酸化炭素分圧は0.5
4atmを維持した。
【0014】比較例1 実施例1で用いたものと同じリアクタに、予め同様の処
理を施した平均径10mmの坑火石を円柱状リアクタの
下部から高さ7cmの範囲内に充填し、35℃の恒温室
に設置して、実施例1と同じ有機性の基質を628ml
/日で下から供給する。この有機性基質をリアクタに供
給開始後しばらくしてから流出液滞留部に60リットル
/日で二酸化炭素を半連続的に供給し、二酸化炭素によ
って曝気する。安定した状態において60.73リット
ル/日のガス回収が見られ、流出液滞留部液相における
水素分圧は0.18atm、二酸化炭素分圧は0.82
atm、リアクタ内の流出液滞留部上部気相部における
水素分圧は7×10-4atm、二酸化炭素分圧はほぼ1
atmであった。
【0015】
【発明の効果】本発明では、微生物が存在する水素生成
部と離隔して設けられる流出液滞留部に超音波が照射さ
れることにより液中での生成水素による水素生産阻害を
回避することができる。更に、気相における水素を回収
する水素吸蔵合金等による水素除去手段を用いる場合の
効率が低下することなく、リアクタ内液相の水素分圧を
低く維持することができる。このため、極めて効率の良
い微生物によるクリーンエネルギー源としての水素生産
を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の水素生産装置の一例を示す概略構成
図。
【図2】本発明の水素生産装置の他の例を示す概略構成
図。
【符号の説明】
1:反応槽、2:微生物固定層、3:有機性基質導入
口、4:流出液滞留部、5:流出液排出口、6:発生ガ
ス流出口、7:超音波発生器、8:超音波発振子、9:
気層部、10:狭窄部

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 有機性基質を含む液体から微生物により
    水素を生産する方法において、前記液体を、水素生産微
    生物により有機物を分解し水素を生成する水素生成工程
    と、該水素生成工程の流出液に超音波を照射し溶存する
    水素を揮散させる超音波処理工程とで処理することを特
    徴とする微生物による水素生産方法。
  2. 【請求項2】 有機性基質を含む液体から微生物により
    水素を生産する装置において、上向流で前記液体を導入
    する反応槽を配備し、該反応槽には、下部に水素生産微
    生物を収容する水素生成部と、該水素生成部の上方に水
    素生成部流出液を滞留させる滞留部と、該滞留部の上部
    に気層部とを有すると共に、前記滞留部には水素生成部
    流出液に超音波を照射する超音波照射機構を配備したこ
    とを特徴とする微生物による水素生産装置。
  3. 【請求項3】 前記水素生成部に収容される水素生産微
    生物は、固定化担体に固定化されるか、又は自己固定さ
    れた固定化微生物であることを特徴とする請求項2記載
    の微生物による水素生産装置。
  4. 【請求項4】 前記水素生成部と滞留部との間に、水素
    生産微生物の流出を防止する微生物分離手段を設けたこ
    とを特徴とする請求項2記載の微生物による水素生産装
    置。
  5. 【請求項5】 前記水素生成部と滞留部との間に、狭窄
    部又は多孔板を配備したことを特徴とする請求項2記載
    の微生物による水素生産装置。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009544276A (ja) * 2006-02-13 2009-12-17 ナガルジュナ、エナジー、プライベート、リミテッド 水素の大量生産方法
CN102286367A (zh) * 2011-07-26 2011-12-21 哈尔滨工业大学 光发酵厌氧流化床产氢反应器
JP2012249577A (ja) * 2011-06-02 2012-12-20 Nihon Univ シアノバクテリアが産生する水素の水素吸蔵合金による効率的回収方法および水素の増収方法
JP5374044B2 (ja) * 2005-11-22 2013-12-25 サッポロビール株式会社 水素発酵装置及び水素の製造方法

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