水素醗酵装置
【課題】 原料供給設備および攪拌設備を有する水素醗酵槽と、前記水素醗酵槽に連通するガス管と、前記水素醗酵槽の発生ガスを貯留するガス貯留槽を有する水素醗酵装置において、水素醗酵を行なう水素醗酵槽では、生成する水素ガスにより、水素醗酵槽内の水素分圧が上昇し、可逆反応（水素ガスの取り込み）が促進され、その結果、水素ガスの生成（水素醗酵）が抑制され、場合により水素醗酵反応が停止してしまう。これを解決すること。
【解決手段】 水素醗酵槽２の壁面に設けられた醗酵液排出管４と、この醗酵液排出管４に接続されたサイホン設備５とを備えた。
【解決手段】 水素醗酵槽２の壁面に設けられた醗酵液排出管４と、この醗酵液排出管４に接続されたサイホン設備５とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素醗酵装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素ガスは、燃焼しても二酸化炭素を排出しないクリーンな燃料として注目されており、燃料電池などの次世代エネルギーとして需要が高まっている。今日、水素ガスは主に化石燃料からの改質により製造されており、地球温暖化の観点から、化石燃料に替わりクリーンで効率のよい水素製造技術の実用化が期待されている。このような中嫌気性微生物を用いて有機性物質を醗酵させて水素ガスを製造する、いわゆる水素醗酵法は、バイオマス、有機性廃水および廃棄物などに含有される糖質を原料に水素生成細菌により水素ガスを製造することが可能であることから、廃棄物のエネルギー化および再資源化として重要な技術である。また水素醗酵は、水素生成細菌により水素ガスと同時に有機酸を生成することから、水素醗酵後の排出液をメタン醗酵処理することでメタンを回収することができる。
【０００３】
水素醗酵として、嫌気条件下で糖を分解して水素ガスを生産する反応は一般には次式（１）で表せる。
Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋２Ｈ２Ｏ → ２ＣＨ３ＣＯＯＨ＋２ＣＯ２＋４Ｈ２ ・・・（１）
炭水化物の基礎となる六炭糖（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６：以下、ヘキソースという。）１モルから、化学量論的に水素ガスは最大４モル得ることができる。そのためヘキソース１モル当たりに回収できる水素ガスのモル数を水素生成収率（非特許文献１参照）といい、水素ガス回収の評価に用いている。
【０００４】
水素ガスの生成に関与する酵素は、ヒドロゲナーゼとニトロゲナーゼが知られており、嫌気性醗酵では主にヒドロゲナーゼを用いた水素生成が行われている（非特許文献２、非特許文献３参照）。ヒドロゲナーゼは水素ガスの放出または取り込みを触媒する酵素であり、（２）式に示す可逆反応により水素ガスの酸化やプロトンの還元を行う。水素醗酵経路におけるこのヒドロゲナーゼの酵素反応は可逆反応であるため、水素分圧が高くなると水素ガス生成が阻害されてしまい、さらに酸素に対しきわめて不安定であるため容易に失活してしまう。
【数１】
【０００５】
水素生成細菌の代謝経路に関与する酵素の生成や活性は、環境条件（ｐＨ、揮発性脂肪酸濃度、水素分圧、水理学的滞留時間（以下、ＨＲＴという。）微量元素濃度など）の影響も大きく受けることが知られており、酢酸以外にギ酸、酪酸、乳酸、エタノールなどを生成する。さらに、水素生成細菌は生育に必要なエネルギーおよび還元力（電子）双方をすべて原料である有機物に依存しているため、基質を完全に水素ガスに変換できず、実際に得ることができる水素生成収率は４モルよりも低い。
【０００６】
また、水素醗酵により生成した水素ガスを資化する微生物（水素資化性メタン生成細菌、硫酸還元細菌など）も存在すると、その分回収できる水素ガス量も減少してしまう。したがって、水素生成細菌を利用して水素ガスを連続して生成させるためには、水素生成細菌の優占化に適合した醗酵条件を維持し、原料から生成した水素ガスを効率的に回収できるシステムが必要となる。
【０００７】
図１０は従来の水素醗酵装置の概略的な構成図である。図において、１０１は水素醗酵装置である。１０２は有機物を水素醗酵により分解して水素ガスを生成する水素醗酵槽である。１０３は有機物を水素醗酵槽１０２に投入する原料供給設備としての流入管であり、１０４は水素醗酵により生成した有機酸等を含む醗酵液を水素醗酵槽１０２から取り出す醗酵液排出管である。１０５は水素醗酵槽１０２内を攪拌し、水素醗酵槽１０２に投入された有機物と水素醗酵槽１０２内に存在する水素生成細菌とをまんべんなく混合する攪拌設備である。１０６は水素醗酵槽１０２内で生成されたガス（以下、バイオガスという。）を取り出すガス管であり、ガス貯留槽１０７に連通している。
醗酵液排出管１０４は、水素醗酵槽１０２の壁面であって、最高液位ＨＨＬの部位と最低液位ＬＬの部位にそれぞれ連通した管の部分とこれらの管を合流した管の部分とを有し、合流した管の部分は水素醗酵槽１０２よりも低い位置に及んでいる。また、上記最低液位ＬＬの部位に連通した管には排出弁１０８が設けられている。
【０００８】
次に動作について説明する。
排出弁１０８は予め閉じてある。有機物が流入管１０３を経由して連続的又は間欠的に水素醗酵槽１０２に投入される。水素醗酵槽１０２に投入された有機物は、攪拌設備１０５の攪拌により水素醗酵槽１０２内に存在する水素生成細菌とまんべんなく混合されて、水素醗酵により分解して水素ガスが生成される。水素醗酵が進行すると、水素醗酵槽１０２の液相において水素濃度が上昇し、気相において水素分圧が上昇する。有機酸等を含んだ醗酵液は水素醗酵槽１０２内の最高液位ＨＨＬに達した以後は、醗酵液排出管１０４をオーバーフローして系外に取り出される。
【０００９】
このような制御法は、流入管１０３からの原料投入量と、醗酵液排出管１０４からの醗酵液の排出量とを、オーバーフローによりバランスする制御方式であり、ここでは、オーバーフロー方式と称する。なお、かかる構成及び動作をする水素醗酵装置に類似するものとして、オーバーフロー方式の記載はないが、原料供給設備および攪拌設備を有する水素醗酵槽と、前記水素醗酵槽に連通するガス管を具備したものがある（例えば、特許文献１参照）。そのほか、従来行なわれている制御法として、水素醗酵槽１０２への原料投入や醗酵液の排出をポンプで行なうポンプ方式がある。
【００１０】
【非特許文献１】鈴木智雄監修「微生物工学技術ハンドブック」３２０頁〜３３２頁（１９９０）
【非特許文献２】鈴木周一編「エネルギー資源と微生物」７５頁〜１１８頁
【非特許文献３】片岡直明 他「微生物による水素生成システムに関する研究」３８頁〜４５頁、エバラ時報Ｎｏ．１８３（１９９９−４）
【特許文献１】特開２００３−２５１３１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の水素醗酵装置では、以上のように構成されているので、以下に述べる課題を有していた。
第１に、オーバーフロー方式では必然的にＨＲＴが長くなり、水素生成収率の減少または水素ガス生成の停止という課題がある。
ＨＲＴが長いと水素生成細菌以外の微生物が生成した水素ガスを消費してしまうことから、原料である有機物からの水素ガス回収効率が低くなる。尤も、オーバーフロー方式の連続運転でも、流入管１０３からの原料投入量と、醗酵液排出管１０４からの醗酵液の排出量とを、例えば、排出弁１０８の開閉制御も加えて制御し、ＨＲＴを制御することは可能であるが、実際の運転時においては、理論通り１００％の醗酵液が完璧に制御されることは考えられず、短絡流などにより、水素生成細菌に適したＨＲＴを維持することは困難であった。
【００１２】
第２に、連続運転の経過と共に、水素生成細菌以外の微生物が増殖して水素生成収率が減少してしまうという課題がある。
流入管からの原料連続投入、醗酵液排出管からの醗酵液の連続排出を行うと、菌体の増殖に伴い、菌体に対する有機物質（例えば、ＢＯＤ・ＳＳ負荷）が低減してしまい、良好な水素生成収率を維持しにくい。
【００１３】
オーバーフロー方式や、或いはポンプ方式で連続運転すると、有機物負荷が一定であれば、存在する有機物質量に応じて菌体量が増殖する。有機物負荷は一定であっても、菌体の増殖に伴って菌体量当たりの有機物量（有機物・ＳＳ負荷）は低減してしまう。そのため、菌体量が少ない時には有機物負荷が比較的高い時に出現する微生物群集を示し、菌体量の増加と共に有機物負荷が低い時に出現する微生物群集に変化してしまう。また、一般的に菌体を純粋培養する際、一定の有機物負荷条件で継体培養を繰り返すと、菌体の活性が低下してしまうため、培地の有機物負荷を変化させて培養を行なうことが多い。
【００１４】
水素生成細菌は、特に高負荷条件に限って出現するわけではないが、運転負荷が低くなると他の微生物も出現しやすくなり、優占割合は低下してしまう。そのため、前記した従来法の連続運転では運転開始時には水素生成細菌の優占運転を維持できるが、運転経過と共に、菌体量が増殖し、水素生成細菌以外の微生物が増殖して水素生成収率が減少してしまう。
【００１５】
第３に、水素ガスは爆発性のガスであり水素醗酵槽内の機器を防爆仕様にしなければならないという課題がある。
水素醗酵によりバイオマスや有機性廃棄物から直接回収される水素ガスは爆発性ガスであり、バイオガスや醗酵液に直接触れる機器は全て防爆仕様が必要である。防爆仕様の機器は通常の機器と比べて大掛かりで、価格も高価である。しかも防爆仕様にしたからといって１００％安全とは限らない。
【００１６】
第４に、水素醗酵槽の液量レベルの制御が難しいため、反応がうまくいかないという課題がある。
水素醗酵槽の液量レベルをポンプ方式で行なう場合、特に小さい装置ではポンプの制御が難しく、流入管からの原料投入量が多過ぎると水素醗酵槽から醗酵液があふれて、その結果、嫌気性が保持できず、現場が菌体による汚染を受けることがあった。逆に水素醗酵槽内の醗酵液の排出量が多過ぎると、水素醗酵の要ともいえるミクロフローラを必要以上に流出させてしまうこともあった。
【００１７】
また、オーバーフロー方式による流入管からの原料連続投入、醗酵液排出管からの醗酵液の排出だと、ポンプ流量の制御の失敗による菌体の流出は起こらないが、投入時にオーバーフロー方式の配管が詰まりやすく、醗酵液が溢れたり、有機物負荷が低くなりミクロフローラの微生物群集が変わってしまい、反応がうまくいかなくなることがある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記課題を達成するため、請求項１記載の発明では、原料供給設備および攪拌設備を有する水素醗酵槽と、前記水素醗酵槽に連通するガス管と、前記水素醗酵槽の発生ガスを貯留するガス貯留槽を有する水素醗酵装置において、前記水素醗酵槽の壁面に設けられた１つまたは２つ以上の醗酵液排出管と、前記醗酵液排出管に接続されたサイホン設備とを備えることとした。
請求項２記載の発明では、前記醗酵液排出管に開閉弁を設けた。
請求項３記載の発明では、前記サイホン設備には、漏水防止弁を設けた。
請求項４記載の発明では、前記ガス貯留槽のガスを前記水素醗酵槽へ送る送気設備を設けた。
請求項５記載の発明では、前記水素醗酵槽内に伸縮性袋材が設けられ前記水素醗酵槽外に設けた給排気手段と接続した。
【発明の効果】
【００１９】
この発明では、水素醗酵槽をサイホン設備で連通した構成とし、槽内に原料を投入しつつ醗酵液を貯留し規定レベルで一気に排出したのち、再び貯留するという工程を繰り返すことができるので、従来技術のオーバーフロー方式では解決できなかったＨＲＴのコントロールが可能となり、水素生成収率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
水素醗酵は、有機性廃水または廃棄物を原料に水素生成細菌により次世代型クリーンエネルギーとして注目されている水素ガスを効率よく回収できる水素製造技術である。ところが、水素醗酵槽では、水素ガスの生成により槽内の水素分圧が上昇し、その結果、水素ガスの生成（水素醗酵）が抑制され、場合により水素醗酵反応が停止してしまう。しかし、以下で述べるように、この発明では、サイホン設備によりＨＲＴを短く維持することで、可逆反応を抑制でき水素醗酵反応を停止させることなく好条件で水素ガス生成を可能にする。
【００２１】
また、以下の実施の形態では、水素醗酵槽周辺では、水素ガスが可燃性ガスであることから災害防止、安全確保のため関連機器を防爆仕様としなければならず、コスト面や維持管理面で大きな負担となっているが、この発明では以下で述べるように、水素醗酵槽の液量レベルの制御に電気機器を用いずサイホン設備を用いるので爆発の危険は極端にない。
このように、以下で述べる実施の形態では、サイホン設備により、水素醗酵を行なう水素生成細菌を含む水素醗酵液を速やかに且つ確実に排出することができこれにより、水素醗酵槽内の水素生成細菌の菌体量を制御し、以って、水素分圧の上昇を防止（可逆反応の抑止）ができる。また、災害防止、安全確保のための防爆できるものとして水素醗酵槽の醗酵液排出にサイホン設備を用いている。
【００２２】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による水素醗酵装置の概略的な構成図である。図において、１は水素醗酵装置、２は有機物を水素醗酵により分解して水素ガスを生成する水素醗酵槽であり、嫌気状態を保持するように製作され、水素生成収率が高くなるように温度、ｐＨ、有機物負荷、ＨＲＴなどが調整される。この槽内で水素ガス生成能をもつ微生物と投入された原料が攪拌され、水素ガスを含有するバイオガスと代謝産物に変換される。３は被処理対象である有機性廃液・廃棄物、食品残渣、有機性汚泥など有機物からなる原料を水素醗酵槽２に投入する原料供給設備としての供給管である。水素醗酵槽２に投入する有機物は固体状態のものでも、液体状態のものでもよい。４は水素醗酵により生成した有機酸等を含む醗酵液を水素醗酵槽２から取り出す醗酵液排出管であり、水素醗酵槽２の壁面に連通している。
【００２３】
５は逆さＵ字の形に曲げられた形状部分を有する管からなるサイホン設備であって、一端側は醗酵液排出管４に接続され、他端側は醗酵液排出管４よりも下位、この例では水素醗酵槽２よりも下の位置にある。７は水素醗酵槽２内を攪拌し、水素醗酵槽２に投入された原料と水素醗酵槽２内に存在する水素生成細菌とをまんべんなく混合する攪拌設備である。槽内の原料及び水素生成細菌を十分に混合攪拌でき、嫌気性を保つことができれば、形式は問わない。８は水素醗酵槽２内でバイオを取り出すガス管であり、ガス貯留槽６に連通している。
【００２４】
ガス貯留槽６は、醗酵によって生成されたバイオガスを貯留する槽である。水素醗酵槽２への原料投入と、サイホンが起きるときに、貯留しているガスの吸収・排出をすることで、水素醗酵槽２内の内圧を調整するクッションタンクとしての役割をもち、外内圧の調整により、サイホンをスムーズに起こす役割をもつ。
【００２５】
醗酵液排出管４は水素醗酵槽２の壁面であって、定められた最低液位ＬＬの部位に連通している。攪拌設備７は最低液位でも槽内を攪拌できるように、最低液位ＬＬよりも下に配置されている。サイホン設備５の逆さＵ字形状をした管の内壁頂部（小曲率部）のレベルを水素醗酵槽２について定められた規定液位ＨＬに合わせてある。よって、水素醗酵槽２の液位が上昇するに伴って、サイホン設備５内の液位も上昇し、規定液位ＨＬよりも液位が上昇してサイホン設備５の逆さＵ字形状をした管の部位が満管になるとサイホンが起きる。
【００２６】
水素醗酵槽２は反応時発泡により液位が上昇する場合もあるので、安全をみて規定液位ＨＬよりも上部に余裕のある設定が望ましい。逆にいえば、規定液位ＨＬは余裕をみて設定されているのがよい。なお、図示していないが、醗酵液排出管４には水素醗酵槽２と排出側とを区切る排出弁が設けられる。例えば、メンテナンス時に使用される。この排出弁はサイホンが起きるときには開けられる。サイホンが起きていないときには開閉は何れでもよい。
醗酵液排出管４は、水素醗酵槽１０２の壁面であって、規定液位ＨＬの部位と最低液位ＬＬの部位にそれぞれ連通した管の部分とこれらの管を合流した管の部分とを有し、合流した管の部分は水素醗酵槽１０２よりも低い位置に及んでいる。また、上記最低液位ＬＬの部位に連通した管には排出弁１０８が設けられている。
【００２７】
次に動作について説明する。
（基本工程１）
図２において、水素醗酵槽２の液位が規定液位ＨＬよりも下位にある状態のもとで、供給管３を経由して原料を水素発酵槽２に投入中であり、水素醗酵槽２内の液位も上昇中である。サイホン設備５内の液位も逆さＵ字形状をした管の部位よりも下のレベルにあるのでサイホンは起きていない。攪拌設備７は駆動中であり、反応が行なわれて水素醗酵槽２からガス管８を経てガス貯留槽６へバイオガスが送気されている。
【００２８】
（基本工程２）
図３において、供給管３を経由して原料を水素発酵槽２に投入中であり、水素醗酵槽２の液位が規定液位ＨＬを超えた状態でまもなくサイホンが起きるところである。攪拌設備７は駆動中であり、反応が行なわれて水素醗酵槽２からガス管８を経てガス貯留槽６へバイオガスが送気されている。
【００２９】
（基本工程３）
図４において、サイホンが起きて醗酵液排出管４およびサイホン設備５を経て水素醗酵槽２の醗酵液の排出が開始されたところであり、液位が規定液位ＨＬから低下中である。供給管３を経由しての原料の水素発酵槽２への供給は任意である。攪拌設備７の駆動は任意である。液位の低下に伴い水素醗酵槽２の内圧が低下し負圧になるため、ガス貯留槽６からガス管８を経てバイオガスが水素醗酵槽２に供給（還流）中である。これにより、サイホンが起きた状態が継続し、液位の低下も継続される。
【００３０】
（基本工程４）
図５において、起きていたサイホンにより水素醗酵槽２内の醗酵液が最低液位ＬＬまで排出を完了した状態である。供給管３を経由しての原料の水素発酵槽２への供給は任意である。醗酵液排出管４から立ち上がったサイホン設備５内に醗酵液は残っておらず全部排出されている。ガス貯留槽６からガス管８を経ての水素醗酵槽２へのバイオガスの供給を停止するどうかは任意である。なお、図示していないが、醗酵液排出管４に逆止弁を連結しておけば、水素醗酵槽２内の圧力の関係で醗酵液排出完了時において水素醗酵槽２内に向けて外気が流入してくる場合でも、これを防止することができる。
【００３１】
以上の基本工程を繰り返すことにより、連続的に水素を生成することができる。この発明では、サイホン設備を設けた点に特徴があり、醗酵液をサイクリックに一気に排出するので、基本的にＨＲＴの短縮を図ることができる。
Ａ． 供給管３を介しての水素醗酵槽２への原料の投入量を制御することで確実に水素消費が起こらない最適なＨＲＴの維持が可能となる。
回収できる水素ガスの生成収率の多寡は、原料組成、供試するミクロフローラ、制御ｐＨ、醗酵温度、有機物負荷などによっても影響を受ける。中でも、ＨＲＴを制御することで水素生成収率を高くできることがわかってきた。一般に水素生成細菌は他の微生物と比べて、増殖速度が速く、水素生成速度も速い。そこで、水素醗酵の運転において、原料である投入有機物の反応槽内に滞留する時間を制御し、ＨＲＴを短く維持することで、水素生成細菌を優占種として維持することが可能となる。
反対にＨＲＴを長く運転してしまうと水素を利用する水素生成細菌以外の微生物が増殖し始め、水素生成収率が減少してしまう。また、増殖速度が速い水素生成細菌は、排出時に一部の菌体を醗酵槽内に保持しておけば、次工程で必要な水素生成細菌量は確保でき、従来法で必要であった菌体の返送や濃縮は不要である。
この発明のサイホン設備５によれば、増殖した菌体も投入有機物も同時に排出できるため、確実なＨＲＴ制御が可能となり、菌体量の一部も保持することが可能となる。
【００３２】
Ｂ． 水素醗酵槽２内に菌体量を一定以上保持しない運転が可能となるので、水素生成細菌が優占するのに最適な有機物負荷を維持することができる。
この発明のサイホン設備５によれば、運転によって増殖した菌体も代謝産物も一定量以上は保持せず排出することが可能であるため、長期間の運転でも菌体の増殖に伴う有機物・ＳＳ負荷が減少することがない。また、サイホン設備５によって水素ガスを消費する微生物もＨＲＴと有機物・ＳＳ負荷を制御することで、水素生成細菌以外の微生物が出現することが難しくなり、水素生成細菌の優占運転を維持しやすくなる。また、サイホン設備５の最低水位を調整することで、優占させたい水素生成細菌に最適な有機物負荷を常に維持することも可能である。
連続運転の経過と共に、水素生成細菌以外の微生物が増殖して水素生成収率が減少してしまうことを回避できる。
【００３３】
Ｃ． サイホン設備５により水素醗酵槽２内の醗酵液の排出が行なわれるため、水素醗酵槽２内に電気的な機器を備え付ける必要がなくなる。サイホン設備５を用いた制御は、原料投入量と最高液位、最低液位によって行なうため、水素醗酵槽２内に電気を使用する機器を使用する必要がない。そのため、爆発性ガスである水素ガスが発生しても安全に運転を行なうことが可能である。なお、水素醗酵槽２内に配置された攪拌設備７は駆動源としてのモータを水素醗酵槽外に設ける構成であり、動力伝達手段を介して連結されているので、水素醗酵槽２内にて電気を使用する機器には当たらない。
【００３４】
Ｄ． サイホン設備５により水素醗酵槽２の液量レベルの制御が簡単である。
水素醗酵槽２内の規定液位ＨＬや最低液位ＬＬは常に一定であり、水素醗酵槽２から溢れたり、馴養した菌体が全部排出されたりなどのアクシデントが回避される。サイホン設備５を用いるため、有機物負荷やＨＲＴ、醗酵液量の制御を投入原料の液量のみで行なうことができる。万が一、サイホン設備５の配管が詰まってもサイホン式では、毎回多量の醗酵液が一挙に排出されるため、詰まっている部分も押し出されて、いわゆるフラッシュ洗浄により洗い直しが可能である。
【００３５】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２による水素醗酵装置１１の概略的な構成図である。前記した実施の形態１では、水素醗酵槽２の壁面に１つの醗酵液排出管４しか設けてなかった。これに対して、この実施の形態２の水素醗酵装置１１では、水素醗酵槽２の壁面にレベルを変えて２つの醗酵液排出管１４、２４を設けている。或いは、３以上設けることもできる。これらの醗酵液排出管１４、２４はサイホン設備１５に接続され、途中にそれぞれ開閉弁１４Ｖ、２４Ｖが設けられている。
【００３６】
醗酵液排出管１４のレベルを最低液位ＬＬ１、醗酵液排出管１４のレベルを最低液位ＬＬ１よりも低い最低液位ＬＬ２とすれば、開閉弁２４Ｖを閉じて開閉弁１４Ｖを開くことにより最低液位ＬＬ１を得、また、開閉弁１４Ｖを閉じて開閉弁２４Ｖを開くことにより最低液位ＬＬ２をそれぞれ得ることができる。なお、高い方の規定の液位ＨＬは共通である。最低液位ＬＬ１、ＬＬ２の何れを選択するかは、菌体の種類や性状に応じて決定する。その他の構成要素は図１〜５で同一符合を付して示したものと同一あるいは同等である。
この実施の形態２の発明では、菌体の種類や性状、そのほかの運転の諸条件に応じて最低液位の変更が可能であり、運転条件の自由度が高まる分、より一層、適正なＨＲＴの設定が可能となる。
【００３７】
実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３による水素醗酵装置２１の概略的な構成図である。この実施の形態３では、サイホン設備５の逆さＵ字形状をした管の部位よりも下流側に漏水防止弁５０Ｖを設けている。その他の構成要素は図１〜５で同一符合を付して示したものと同一あるいは同等である。
図７において、水素醗酵装置２１について、供給管３からの原料の供給量が少ない場合、水素醗酵槽２内の醗酵液の液位が図示されるように規定液位ＨＬを越えてもサイホン設備５の逆さＵ字形状をした管の部位が満管とならずに空隙を残し、このためサイホンが起きず、醗酵液の増加量と排出量とが平衡状態のまま推移することがある。
このような場合に、予め漏水防止弁５０Ｖを閉じておき、水素醗酵槽２内の醗酵液の液位が規定液位ＨＬをある程度越えてから、漏水防止弁５０Ｖを開くことで、そのときには既にサイホン設備５の逆さＵ字形状をした管の部位が満管となっているので、確実にサイホンを起こすことができる。漏水防止弁５０Ｖは手動で操作してもよいが、液位を検知するセンサの情報を受けて自動的に開閉制御するようにすることもできる。
【００３８】
実施の形態４．
図８はこの発明の実施の形態４による水素醗酵装置３１の概略的な構成図である。この実施の形態４では、ガス管８の途中にバイパス管８０を設け、バイパス部の本管（ガス管８）には開閉弁８Ｖ、バイパス管８０にはガス貯留槽６のバイオガスを水素醗酵槽２へ送る送気設備９を接続した。送気設備９としてはポンプ、圧縮機、送風機など適宜のものを用いる。その他の構成要素は図１〜５で同一符合を付して示したものと同一あるいは同等である。
水素醗酵槽３１の内圧は、反応の状態や原料の供給量、醗酵液の排出量などの相関により変わり、負圧傾向になるとサイホンが起き難くなる。そのときに、開閉弁８Ｖを閉じ、送気設備９を駆動することで、水素醗酵槽３１の内圧を上昇させれば、サイホンが起き易くなり、サイホン設備５を所期のとおりに機能させ、規定液位ＨＬと最低液位ＬＬ間で液位を制御することが可能となる。送気設備９を駆動させないときには、開閉弁８Ｖは開いておく。
【００３９】
実施の形態５．
図９はこの発明の実施の形態５による水素醗酵装置４１の概略的な構成図である。この実施の形態５では、水素醗酵槽２の中に伸縮性袋材（風船）９０を設けた。材質は原料である有機物に侵されないものを用いる。この伸縮性袋材９０には、給排気管９１を連通させてあり、水素醗酵槽２の外部に導かれた給排気管９１には、給気設備９２と、排気設備９３がそれぞれ接続されている。給気設備９２は伸縮性袋材９０にガスを送り込む圧縮機、送風機等の機械、排気設備９３は伸縮性袋材９０からガスを抜く真空ポンプ等の機械が用いられる。給気設備９２、排気設備９３は給排気手段の一例である。その他の構成要素は図１〜５で同一符合を付して示したものと同一あるいは同等である。
【００４０】
水素醗酵槽２の内圧は、反応の状態や原料の供給量、醗酵液の排出量などにより変わり、負圧傾向になるとサイホンが起き難くなる。水素醗酵槽２の内圧が低いときには、排気設備９３は駆動せずに給気設備９０を駆動して伸縮性袋材９０にガスを送り込むことで内圧を上げサイホンを起こし、サイホン設備５を所期のとおりに機能させ、規定液位ＨＬと最低液位ＬＬ間で液位を制御することが可能となる。内圧を高める必要のない状態になったら、給気設備９２は駆動せず排気設備９３を駆動して伸縮性袋材９０からガスを抜いておく。
【００４１】
伸縮性袋材９０に入れるガスは伸縮性袋材９０から漏れる可能性や危険性を考慮すると不活性ガスであることが望ましいが、特に種類は選ばない。また、この実施の形態５では、水素醗酵によるバイオガスの生成が止まったときに水素醗酵槽２内が負圧になってもサイホンを確実に起こし、醗酵液を排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】この発明の実施の形態１による水素醗酵装置の概略的な構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による水素醗酵装置の運転状態を説明した概略的な構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１による水素醗酵装置の運転状態を説明した概略的な構成図である。
【図４】この発明の実施の形態１による水素醗酵装置の運転状態を説明した概略的な構成図である。
【図５】この発明の実施の形態１による水素醗酵装置の運転状態を説明した概略的な構成図である。
【図６】この発明の実施の形態２による水素醗酵装置の概略的な構成図である。
【図７】この発明の実施の形態３による水素醗酵装置の概略的な構成図である。
【図８】この発明の実施の形態４による水素醗酵装置の概略的な構成図である。
【図９】この発明の実施の形態５による水素醗酵装置の概略的な構成図である。
【図１０】従来の水素醗酵装置の概略的な構成図である。
【符号の説明】
【００４３】
１、１１、２１、３１、４１ 水素醗酵装置
２ 水素醗酵槽
３ 供給管
４ 醗酵液排出管
５ サイホン設備
７ 攪拌設備
８ ガス管
９ 送気設備
１４、２４ 醗酵液排出管
９０ 伸縮性袋材
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素醗酵装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素ガスは、燃焼しても二酸化炭素を排出しないクリーンな燃料として注目されており、燃料電池などの次世代エネルギーとして需要が高まっている。今日、水素ガスは主に化石燃料からの改質により製造されており、地球温暖化の観点から、化石燃料に替わりクリーンで効率のよい水素製造技術の実用化が期待されている。このような中嫌気性微生物を用いて有機性物質を醗酵させて水素ガスを製造する、いわゆる水素醗酵法は、バイオマス、有機性廃水および廃棄物などに含有される糖質を原料に水素生成細菌により水素ガスを製造することが可能であることから、廃棄物のエネルギー化および再資源化として重要な技術である。また水素醗酵は、水素生成細菌により水素ガスと同時に有機酸を生成することから、水素醗酵後の排出液をメタン醗酵処理することでメタンを回収することができる。
【０００３】
水素醗酵として、嫌気条件下で糖を分解して水素ガスを生産する反応は一般には次式（１）で表せる。
Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋２Ｈ２Ｏ → ２ＣＨ３ＣＯＯＨ＋２ＣＯ２＋４Ｈ２ ・・・（１）
炭水化物の基礎となる六炭糖（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６：以下、ヘキソースという。）１モルから、化学量論的に水素ガスは最大４モル得ることができる。そのためヘキソース１モル当たりに回収できる水素ガスのモル数を水素生成収率（非特許文献１参照）といい、水素ガス回収の評価に用いている。
【０００４】
水素ガスの生成に関与する酵素は、ヒドロゲナーゼとニトロゲナーゼが知られており、嫌気性醗酵では主にヒドロゲナーゼを用いた水素生成が行われている（非特許文献２、非特許文献３参照）。ヒドロゲナーゼは水素ガスの放出または取り込みを触媒する酵素であり、（２）式に示す可逆反応により水素ガスの酸化やプロトンの還元を行う。水素醗酵経路におけるこのヒドロゲナーゼの酵素反応は可逆反応であるため、水素分圧が高くなると水素ガス生成が阻害されてしまい、さらに酸素に対しきわめて不安定であるため容易に失活してしまう。
【数１】
【０００５】
水素生成細菌の代謝経路に関与する酵素の生成や活性は、環境条件（ｐＨ、揮発性脂肪酸濃度、水素分圧、水理学的滞留時間（以下、ＨＲＴという。）微量元素濃度など）の影響も大きく受けることが知られており、酢酸以外にギ酸、酪酸、乳酸、エタノールなどを生成する。さらに、水素生成細菌は生育に必要なエネルギーおよび還元力（電子）双方をすべて原料である有機物に依存しているため、基質を完全に水素ガスに変換できず、実際に得ることができる水素生成収率は４モルよりも低い。
【０００６】
また、水素醗酵により生成した水素ガスを資化する微生物（水素資化性メタン生成細菌、硫酸還元細菌など）も存在すると、その分回収できる水素ガス量も減少してしまう。したがって、水素生成細菌を利用して水素ガスを連続して生成させるためには、水素生成細菌の優占化に適合した醗酵条件を維持し、原料から生成した水素ガスを効率的に回収できるシステムが必要となる。
【０００７】
図１０は従来の水素醗酵装置の概略的な構成図である。図において、１０１は水素醗酵装置である。１０２は有機物を水素醗酵により分解して水素ガスを生成する水素醗酵槽である。１０３は有機物を水素醗酵槽１０２に投入する原料供給設備としての流入管であり、１０４は水素醗酵により生成した有機酸等を含む醗酵液を水素醗酵槽１０２から取り出す醗酵液排出管である。１０５は水素醗酵槽１０２内を攪拌し、水素醗酵槽１０２に投入された有機物と水素醗酵槽１０２内に存在する水素生成細菌とをまんべんなく混合する攪拌設備である。１０６は水素醗酵槽１０２内で生成されたガス（以下、バイオガスという。）を取り出すガス管であり、ガス貯留槽１０７に連通している。
醗酵液排出管１０４は、水素醗酵槽１０２の壁面であって、最高液位ＨＨＬの部位と最低液位ＬＬの部位にそれぞれ連通した管の部分とこれらの管を合流した管の部分とを有し、合流した管の部分は水素醗酵槽１０２よりも低い位置に及んでいる。また、上記最低液位ＬＬの部位に連通した管には排出弁１０８が設けられている。
【０００８】
次に動作について説明する。
排出弁１０８は予め閉じてある。有機物が流入管１０３を経由して連続的又は間欠的に水素醗酵槽１０２に投入される。水素醗酵槽１０２に投入された有機物は、攪拌設備１０５の攪拌により水素醗酵槽１０２内に存在する水素生成細菌とまんべんなく混合されて、水素醗酵により分解して水素ガスが生成される。水素醗酵が進行すると、水素醗酵槽１０２の液相において水素濃度が上昇し、気相において水素分圧が上昇する。有機酸等を含んだ醗酵液は水素醗酵槽１０２内の最高液位ＨＨＬに達した以後は、醗酵液排出管１０４をオーバーフローして系外に取り出される。
【０００９】
このような制御法は、流入管１０３からの原料投入量と、醗酵液排出管１０４からの醗酵液の排出量とを、オーバーフローによりバランスする制御方式であり、ここでは、オーバーフロー方式と称する。なお、かかる構成及び動作をする水素醗酵装置に類似するものとして、オーバーフロー方式の記載はないが、原料供給設備および攪拌設備を有する水素醗酵槽と、前記水素醗酵槽に連通するガス管を具備したものがある（例えば、特許文献１参照）。そのほか、従来行なわれている制御法として、水素醗酵槽１０２への原料投入や醗酵液の排出をポンプで行なうポンプ方式がある。
【００１０】
【非特許文献１】鈴木智雄監修「微生物工学技術ハンドブック」３２０頁〜３３２頁（１９９０）
【非特許文献２】鈴木周一編「エネルギー資源と微生物」７５頁〜１１８頁
【非特許文献３】片岡直明 他「微生物による水素生成システムに関する研究」３８頁〜４５頁、エバラ時報Ｎｏ．１８３（１９９９−４）
【特許文献１】特開２００３−２５１３１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の水素醗酵装置では、以上のように構成されているので、以下に述べる課題を有していた。
第１に、オーバーフロー方式では必然的にＨＲＴが長くなり、水素生成収率の減少または水素ガス生成の停止という課題がある。
ＨＲＴが長いと水素生成細菌以外の微生物が生成した水素ガスを消費してしまうことから、原料である有機物からの水素ガス回収効率が低くなる。尤も、オーバーフロー方式の連続運転でも、流入管１０３からの原料投入量と、醗酵液排出管１０４からの醗酵液の排出量とを、例えば、排出弁１０８の開閉制御も加えて制御し、ＨＲＴを制御することは可能であるが、実際の運転時においては、理論通り１００％の醗酵液が完璧に制御されることは考えられず、短絡流などにより、水素生成細菌に適したＨＲＴを維持することは困難であった。
【００１２】
第２に、連続運転の経過と共に、水素生成細菌以外の微生物が増殖して水素生成収率が減少してしまうという課題がある。
流入管からの原料連続投入、醗酵液排出管からの醗酵液の連続排出を行うと、菌体の増殖に伴い、菌体に対する有機物質（例えば、ＢＯＤ・ＳＳ負荷）が低減してしまい、良好な水素生成収率を維持しにくい。
【００１３】
オーバーフロー方式や、或いはポンプ方式で連続運転すると、有機物負荷が一定であれば、存在する有機物質量に応じて菌体量が増殖する。有機物負荷は一定であっても、菌体の増殖に伴って菌体量当たりの有機物量（有機物・ＳＳ負荷）は低減してしまう。そのため、菌体量が少ない時には有機物負荷が比較的高い時に出現する微生物群集を示し、菌体量の増加と共に有機物負荷が低い時に出現する微生物群集に変化してしまう。また、一般的に菌体を純粋培養する際、一定の有機物負荷条件で継体培養を繰り返すと、菌体の活性が低下してしまうため、培地の有機物負荷を変化させて培養を行なうことが多い。
【００１４】
水素生成細菌は、特に高負荷条件に限って出現するわけではないが、運転負荷が低くなると他の微生物も出現しやすくなり、優占割合は低下してしまう。そのため、前記した従来法の連続運転では運転開始時には水素生成細菌の優占運転を維持できるが、運転経過と共に、菌体量が増殖し、水素生成細菌以外の微生物が増殖して水素生成収率が減少してしまう。
【００１５】
第３に、水素ガスは爆発性のガスであり水素醗酵槽内の機器を防爆仕様にしなければならないという課題がある。
水素醗酵によりバイオマスや有機性廃棄物から直接回収される水素ガスは爆発性ガスであり、バイオガスや醗酵液に直接触れる機器は全て防爆仕様が必要である。防爆仕様の機器は通常の機器と比べて大掛かりで、価格も高価である。しかも防爆仕様にしたからといって１００％安全とは限らない。
【００１６】
第４に、水素醗酵槽の液量レベルの制御が難しいため、反応がうまくいかないという課題がある。
水素醗酵槽の液量レベルをポンプ方式で行なう場合、特に小さい装置ではポンプの制御が難しく、流入管からの原料投入量が多過ぎると水素醗酵槽から醗酵液があふれて、その結果、嫌気性が保持できず、現場が菌体による汚染を受けることがあった。逆に水素醗酵槽内の醗酵液の排出量が多過ぎると、水素醗酵の要ともいえるミクロフローラを必要以上に流出させてしまうこともあった。
【００１７】
また、オーバーフロー方式による流入管からの原料連続投入、醗酵液排出管からの醗酵液の排出だと、ポンプ流量の制御の失敗による菌体の流出は起こらないが、投入時にオーバーフロー方式の配管が詰まりやすく、醗酵液が溢れたり、有機物負荷が低くなりミクロフローラの微生物群集が変わってしまい、反応がうまくいかなくなることがある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記課題を達成するため、請求項１記載の発明では、原料供給設備および攪拌設備を有する水素醗酵槽と、前記水素醗酵槽に連通するガス管と、前記水素醗酵槽の発生ガスを貯留するガス貯留槽を有する水素醗酵装置において、前記水素醗酵槽の壁面に設けられた１つまたは２つ以上の醗酵液排出管と、前記醗酵液排出管に接続されたサイホン設備とを備えることとした。
請求項２記載の発明では、前記醗酵液排出管に開閉弁を設けた。
請求項３記載の発明では、前記サイホン設備には、漏水防止弁を設けた。
請求項４記載の発明では、前記ガス貯留槽のガスを前記水素醗酵槽へ送る送気設備を設けた。
請求項５記載の発明では、前記水素醗酵槽内に伸縮性袋材が設けられ前記水素醗酵槽外に設けた給排気手段と接続した。
【発明の効果】
【００１９】
この発明では、水素醗酵槽をサイホン設備で連通した構成とし、槽内に原料を投入しつつ醗酵液を貯留し規定レベルで一気に排出したのち、再び貯留するという工程を繰り返すことができるので、従来技術のオーバーフロー方式では解決できなかったＨＲＴのコントロールが可能となり、水素生成収率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
水素醗酵は、有機性廃水または廃棄物を原料に水素生成細菌により次世代型クリーンエネルギーとして注目されている水素ガスを効率よく回収できる水素製造技術である。ところが、水素醗酵槽では、水素ガスの生成により槽内の水素分圧が上昇し、その結果、水素ガスの生成（水素醗酵）が抑制され、場合により水素醗酵反応が停止してしまう。しかし、以下で述べるように、この発明では、サイホン設備によりＨＲＴを短く維持することで、可逆反応を抑制でき水素醗酵反応を停止させることなく好条件で水素ガス生成を可能にする。
【００２１】
また、以下の実施の形態では、水素醗酵槽周辺では、水素ガスが可燃性ガスであることから災害防止、安全確保のため関連機器を防爆仕様としなければならず、コスト面や維持管理面で大きな負担となっているが、この発明では以下で述べるように、水素醗酵槽の液量レベルの制御に電気機器を用いずサイホン設備を用いるので爆発の危険は極端にない。
このように、以下で述べる実施の形態では、サイホン設備により、水素醗酵を行なう水素生成細菌を含む水素醗酵液を速やかに且つ確実に排出することができこれにより、水素醗酵槽内の水素生成細菌の菌体量を制御し、以って、水素分圧の上昇を防止（可逆反応の抑止）ができる。また、災害防止、安全確保のための防爆できるものとして水素醗酵槽の醗酵液排出にサイホン設備を用いている。
【００２２】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による水素醗酵装置の概略的な構成図である。図において、１は水素醗酵装置、２は有機物を水素醗酵により分解して水素ガスを生成する水素醗酵槽であり、嫌気状態を保持するように製作され、水素生成収率が高くなるように温度、ｐＨ、有機物負荷、ＨＲＴなどが調整される。この槽内で水素ガス生成能をもつ微生物と投入された原料が攪拌され、水素ガスを含有するバイオガスと代謝産物に変換される。３は被処理対象である有機性廃液・廃棄物、食品残渣、有機性汚泥など有機物からなる原料を水素醗酵槽２に投入する原料供給設備としての供給管である。水素醗酵槽２に投入する有機物は固体状態のものでも、液体状態のものでもよい。４は水素醗酵により生成した有機酸等を含む醗酵液を水素醗酵槽２から取り出す醗酵液排出管であり、水素醗酵槽２の壁面に連通している。
【００２３】
５は逆さＵ字の形に曲げられた形状部分を有する管からなるサイホン設備であって、一端側は醗酵液排出管４に接続され、他端側は醗酵液排出管４よりも下位、この例では水素醗酵槽２よりも下の位置にある。７は水素醗酵槽２内を攪拌し、水素醗酵槽２に投入された原料と水素醗酵槽２内に存在する水素生成細菌とをまんべんなく混合する攪拌設備である。槽内の原料及び水素生成細菌を十分に混合攪拌でき、嫌気性を保つことができれば、形式は問わない。８は水素醗酵槽２内でバイオを取り出すガス管であり、ガス貯留槽６に連通している。
【００２４】
ガス貯留槽６は、醗酵によって生成されたバイオガスを貯留する槽である。水素醗酵槽２への原料投入と、サイホンが起きるときに、貯留しているガスの吸収・排出をすることで、水素醗酵槽２内の内圧を調整するクッションタンクとしての役割をもち、外内圧の調整により、サイホンをスムーズに起こす役割をもつ。
【００２５】
醗酵液排出管４は水素醗酵槽２の壁面であって、定められた最低液位ＬＬの部位に連通している。攪拌設備７は最低液位でも槽内を攪拌できるように、最低液位ＬＬよりも下に配置されている。サイホン設備５の逆さＵ字形状をした管の内壁頂部（小曲率部）のレベルを水素醗酵槽２について定められた規定液位ＨＬに合わせてある。よって、水素醗酵槽２の液位が上昇するに伴って、サイホン設備５内の液位も上昇し、規定液位ＨＬよりも液位が上昇してサイホン設備５の逆さＵ字形状をした管の部位が満管になるとサイホンが起きる。
【００２６】
水素醗酵槽２は反応時発泡により液位が上昇する場合もあるので、安全をみて規定液位ＨＬよりも上部に余裕のある設定が望ましい。逆にいえば、規定液位ＨＬは余裕をみて設定されているのがよい。なお、図示していないが、醗酵液排出管４には水素醗酵槽２と排出側とを区切る排出弁が設けられる。例えば、メンテナンス時に使用される。この排出弁はサイホンが起きるときには開けられる。サイホンが起きていないときには開閉は何れでもよい。
醗酵液排出管４は、水素醗酵槽１０２の壁面であって、規定液位ＨＬの部位と最低液位ＬＬの部位にそれぞれ連通した管の部分とこれらの管を合流した管の部分とを有し、合流した管の部分は水素醗酵槽１０２よりも低い位置に及んでいる。また、上記最低液位ＬＬの部位に連通した管には排出弁１０８が設けられている。
【００２７】
次に動作について説明する。
（基本工程１）
図２において、水素醗酵槽２の液位が規定液位ＨＬよりも下位にある状態のもとで、供給管３を経由して原料を水素発酵槽２に投入中であり、水素醗酵槽２内の液位も上昇中である。サイホン設備５内の液位も逆さＵ字形状をした管の部位よりも下のレベルにあるのでサイホンは起きていない。攪拌設備７は駆動中であり、反応が行なわれて水素醗酵槽２からガス管８を経てガス貯留槽６へバイオガスが送気されている。
【００２８】
（基本工程２）
図３において、供給管３を経由して原料を水素発酵槽２に投入中であり、水素醗酵槽２の液位が規定液位ＨＬを超えた状態でまもなくサイホンが起きるところである。攪拌設備７は駆動中であり、反応が行なわれて水素醗酵槽２からガス管８を経てガス貯留槽６へバイオガスが送気されている。
【００２９】
（基本工程３）
図４において、サイホンが起きて醗酵液排出管４およびサイホン設備５を経て水素醗酵槽２の醗酵液の排出が開始されたところであり、液位が規定液位ＨＬから低下中である。供給管３を経由しての原料の水素発酵槽２への供給は任意である。攪拌設備７の駆動は任意である。液位の低下に伴い水素醗酵槽２の内圧が低下し負圧になるため、ガス貯留槽６からガス管８を経てバイオガスが水素醗酵槽２に供給（還流）中である。これにより、サイホンが起きた状態が継続し、液位の低下も継続される。
【００３０】
（基本工程４）
図５において、起きていたサイホンにより水素醗酵槽２内の醗酵液が最低液位ＬＬまで排出を完了した状態である。供給管３を経由しての原料の水素発酵槽２への供給は任意である。醗酵液排出管４から立ち上がったサイホン設備５内に醗酵液は残っておらず全部排出されている。ガス貯留槽６からガス管８を経ての水素醗酵槽２へのバイオガスの供給を停止するどうかは任意である。なお、図示していないが、醗酵液排出管４に逆止弁を連結しておけば、水素醗酵槽２内の圧力の関係で醗酵液排出完了時において水素醗酵槽２内に向けて外気が流入してくる場合でも、これを防止することができる。
【００３１】
以上の基本工程を繰り返すことにより、連続的に水素を生成することができる。この発明では、サイホン設備を設けた点に特徴があり、醗酵液をサイクリックに一気に排出するので、基本的にＨＲＴの短縮を図ることができる。
Ａ． 供給管３を介しての水素醗酵槽２への原料の投入量を制御することで確実に水素消費が起こらない最適なＨＲＴの維持が可能となる。
回収できる水素ガスの生成収率の多寡は、原料組成、供試するミクロフローラ、制御ｐＨ、醗酵温度、有機物負荷などによっても影響を受ける。中でも、ＨＲＴを制御することで水素生成収率を高くできることがわかってきた。一般に水素生成細菌は他の微生物と比べて、増殖速度が速く、水素生成速度も速い。そこで、水素醗酵の運転において、原料である投入有機物の反応槽内に滞留する時間を制御し、ＨＲＴを短く維持することで、水素生成細菌を優占種として維持することが可能となる。
反対にＨＲＴを長く運転してしまうと水素を利用する水素生成細菌以外の微生物が増殖し始め、水素生成収率が減少してしまう。また、増殖速度が速い水素生成細菌は、排出時に一部の菌体を醗酵槽内に保持しておけば、次工程で必要な水素生成細菌量は確保でき、従来法で必要であった菌体の返送や濃縮は不要である。
この発明のサイホン設備５によれば、増殖した菌体も投入有機物も同時に排出できるため、確実なＨＲＴ制御が可能となり、菌体量の一部も保持することが可能となる。
【００３２】
Ｂ． 水素醗酵槽２内に菌体量を一定以上保持しない運転が可能となるので、水素生成細菌が優占するのに最適な有機物負荷を維持することができる。
この発明のサイホン設備５によれば、運転によって増殖した菌体も代謝産物も一定量以上は保持せず排出することが可能であるため、長期間の運転でも菌体の増殖に伴う有機物・ＳＳ負荷が減少することがない。また、サイホン設備５によって水素ガスを消費する微生物もＨＲＴと有機物・ＳＳ負荷を制御することで、水素生成細菌以外の微生物が出現することが難しくなり、水素生成細菌の優占運転を維持しやすくなる。また、サイホン設備５の最低水位を調整することで、優占させたい水素生成細菌に最適な有機物負荷を常に維持することも可能である。
連続運転の経過と共に、水素生成細菌以外の微生物が増殖して水素生成収率が減少してしまうことを回避できる。
【００３３】
Ｃ． サイホン設備５により水素醗酵槽２内の醗酵液の排出が行なわれるため、水素醗酵槽２内に電気的な機器を備え付ける必要がなくなる。サイホン設備５を用いた制御は、原料投入量と最高液位、最低液位によって行なうため、水素醗酵槽２内に電気を使用する機器を使用する必要がない。そのため、爆発性ガスである水素ガスが発生しても安全に運転を行なうことが可能である。なお、水素醗酵槽２内に配置された攪拌設備７は駆動源としてのモータを水素醗酵槽外に設ける構成であり、動力伝達手段を介して連結されているので、水素醗酵槽２内にて電気を使用する機器には当たらない。
【００３４】
Ｄ． サイホン設備５により水素醗酵槽２の液量レベルの制御が簡単である。
水素醗酵槽２内の規定液位ＨＬや最低液位ＬＬは常に一定であり、水素醗酵槽２から溢れたり、馴養した菌体が全部排出されたりなどのアクシデントが回避される。サイホン設備５を用いるため、有機物負荷やＨＲＴ、醗酵液量の制御を投入原料の液量のみで行なうことができる。万が一、サイホン設備５の配管が詰まってもサイホン式では、毎回多量の醗酵液が一挙に排出されるため、詰まっている部分も押し出されて、いわゆるフラッシュ洗浄により洗い直しが可能である。
【００３５】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２による水素醗酵装置１１の概略的な構成図である。前記した実施の形態１では、水素醗酵槽２の壁面に１つの醗酵液排出管４しか設けてなかった。これに対して、この実施の形態２の水素醗酵装置１１では、水素醗酵槽２の壁面にレベルを変えて２つの醗酵液排出管１４、２４を設けている。或いは、３以上設けることもできる。これらの醗酵液排出管１４、２４はサイホン設備１５に接続され、途中にそれぞれ開閉弁１４Ｖ、２４Ｖが設けられている。
【００３６】
醗酵液排出管１４のレベルを最低液位ＬＬ１、醗酵液排出管１４のレベルを最低液位ＬＬ１よりも低い最低液位ＬＬ２とすれば、開閉弁２４Ｖを閉じて開閉弁１４Ｖを開くことにより最低液位ＬＬ１を得、また、開閉弁１４Ｖを閉じて開閉弁２４Ｖを開くことにより最低液位ＬＬ２をそれぞれ得ることができる。なお、高い方の規定の液位ＨＬは共通である。最低液位ＬＬ１、ＬＬ２の何れを選択するかは、菌体の種類や性状に応じて決定する。その他の構成要素は図１〜５で同一符合を付して示したものと同一あるいは同等である。
この実施の形態２の発明では、菌体の種類や性状、そのほかの運転の諸条件に応じて最低液位の変更が可能であり、運転条件の自由度が高まる分、より一層、適正なＨＲＴの設定が可能となる。
【００３７】
実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３による水素醗酵装置２１の概略的な構成図である。この実施の形態３では、サイホン設備５の逆さＵ字形状をした管の部位よりも下流側に漏水防止弁５０Ｖを設けている。その他の構成要素は図１〜５で同一符合を付して示したものと同一あるいは同等である。
図７において、水素醗酵装置２１について、供給管３からの原料の供給量が少ない場合、水素醗酵槽２内の醗酵液の液位が図示されるように規定液位ＨＬを越えてもサイホン設備５の逆さＵ字形状をした管の部位が満管とならずに空隙を残し、このためサイホンが起きず、醗酵液の増加量と排出量とが平衡状態のまま推移することがある。
このような場合に、予め漏水防止弁５０Ｖを閉じておき、水素醗酵槽２内の醗酵液の液位が規定液位ＨＬをある程度越えてから、漏水防止弁５０Ｖを開くことで、そのときには既にサイホン設備５の逆さＵ字形状をした管の部位が満管となっているので、確実にサイホンを起こすことができる。漏水防止弁５０Ｖは手動で操作してもよいが、液位を検知するセンサの情報を受けて自動的に開閉制御するようにすることもできる。
【００３８】
実施の形態４．
図８はこの発明の実施の形態４による水素醗酵装置３１の概略的な構成図である。この実施の形態４では、ガス管８の途中にバイパス管８０を設け、バイパス部の本管（ガス管８）には開閉弁８Ｖ、バイパス管８０にはガス貯留槽６のバイオガスを水素醗酵槽２へ送る送気設備９を接続した。送気設備９としてはポンプ、圧縮機、送風機など適宜のものを用いる。その他の構成要素は図１〜５で同一符合を付して示したものと同一あるいは同等である。
水素醗酵槽３１の内圧は、反応の状態や原料の供給量、醗酵液の排出量などの相関により変わり、負圧傾向になるとサイホンが起き難くなる。そのときに、開閉弁８Ｖを閉じ、送気設備９を駆動することで、水素醗酵槽３１の内圧を上昇させれば、サイホンが起き易くなり、サイホン設備５を所期のとおりに機能させ、規定液位ＨＬと最低液位ＬＬ間で液位を制御することが可能となる。送気設備９を駆動させないときには、開閉弁８Ｖは開いておく。
【００３９】
実施の形態５．
図９はこの発明の実施の形態５による水素醗酵装置４１の概略的な構成図である。この実施の形態５では、水素醗酵槽２の中に伸縮性袋材（風船）９０を設けた。材質は原料である有機物に侵されないものを用いる。この伸縮性袋材９０には、給排気管９１を連通させてあり、水素醗酵槽２の外部に導かれた給排気管９１には、給気設備９２と、排気設備９３がそれぞれ接続されている。給気設備９２は伸縮性袋材９０にガスを送り込む圧縮機、送風機等の機械、排気設備９３は伸縮性袋材９０からガスを抜く真空ポンプ等の機械が用いられる。給気設備９２、排気設備９３は給排気手段の一例である。その他の構成要素は図１〜５で同一符合を付して示したものと同一あるいは同等である。
【００４０】
水素醗酵槽２の内圧は、反応の状態や原料の供給量、醗酵液の排出量などにより変わり、負圧傾向になるとサイホンが起き難くなる。水素醗酵槽２の内圧が低いときには、排気設備９３は駆動せずに給気設備９０を駆動して伸縮性袋材９０にガスを送り込むことで内圧を上げサイホンを起こし、サイホン設備５を所期のとおりに機能させ、規定液位ＨＬと最低液位ＬＬ間で液位を制御することが可能となる。内圧を高める必要のない状態になったら、給気設備９２は駆動せず排気設備９３を駆動して伸縮性袋材９０からガスを抜いておく。
【００４１】
伸縮性袋材９０に入れるガスは伸縮性袋材９０から漏れる可能性や危険性を考慮すると不活性ガスであることが望ましいが、特に種類は選ばない。また、この実施の形態５では、水素醗酵によるバイオガスの生成が止まったときに水素醗酵槽２内が負圧になってもサイホンを確実に起こし、醗酵液を排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】この発明の実施の形態１による水素醗酵装置の概略的な構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による水素醗酵装置の運転状態を説明した概略的な構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１による水素醗酵装置の運転状態を説明した概略的な構成図である。
【図４】この発明の実施の形態１による水素醗酵装置の運転状態を説明した概略的な構成図である。
【図５】この発明の実施の形態１による水素醗酵装置の運転状態を説明した概略的な構成図である。
【図６】この発明の実施の形態２による水素醗酵装置の概略的な構成図である。
【図７】この発明の実施の形態３による水素醗酵装置の概略的な構成図である。
【図８】この発明の実施の形態４による水素醗酵装置の概略的な構成図である。
【図９】この発明の実施の形態５による水素醗酵装置の概略的な構成図である。
【図１０】従来の水素醗酵装置の概略的な構成図である。
【符号の説明】
【００４３】
１、１１、２１、３１、４１ 水素醗酵装置
２ 水素醗酵槽
３ 供給管
４ 醗酵液排出管
５ サイホン設備
７ 攪拌設備
８ ガス管
９ 送気設備
１４、２４ 醗酵液排出管
９０ 伸縮性袋材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料供給設備および攪拌設備を有する水素醗酵槽と、前記水素醗酵槽に連通するガス管と、前記水素醗酵槽の発生ガスを貯留するガス貯留槽を有する水素醗酵装置において、
前記水素醗酵槽の壁面に設けられた１つまたは２つ以上の醗酵液排出管と、
前記醗酵液排出管に接続されたサイホン設備とを備えたことを特徴とする水素醗酵装置。
【請求項２】
前記醗酵液排出管には開閉弁が設けられていることを特徴とする請求項１記載の水素醗酵装置。
【請求項３】
前記サイホン設備には、漏水防止弁が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の水素醗酵装置。
【請求項４】
前記ガス貯留槽のガスを前記水素醗酵槽へ送る送気設備が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の水素醗酵装置。
【請求項５】
前記水素醗酵槽内に伸縮性袋材が設けられ前記水素醗酵槽外に設けた給排気手段と接続されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の水素醗酵装置。
【請求項１】
原料供給設備および攪拌設備を有する水素醗酵槽と、前記水素醗酵槽に連通するガス管と、前記水素醗酵槽の発生ガスを貯留するガス貯留槽を有する水素醗酵装置において、
前記水素醗酵槽の壁面に設けられた１つまたは２つ以上の醗酵液排出管と、
前記醗酵液排出管に接続されたサイホン設備とを備えたことを特徴とする水素醗酵装置。
【請求項２】
前記醗酵液排出管には開閉弁が設けられていることを特徴とする請求項１記載の水素醗酵装置。
【請求項３】
前記サイホン設備には、漏水防止弁が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の水素醗酵装置。
【請求項４】
前記ガス貯留槽のガスを前記水素醗酵槽へ送る送気設備が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の水素醗酵装置。
【請求項５】
前記水素醗酵槽内に伸縮性袋材が設けられ前記水素醗酵槽外に設けた給排気手段と接続されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の水素醗酵装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−１１０４９５（Ｐ２００６−１１０４９５Ａ）
【公開日】平成１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３０１９４８（Ｐ２００４−３０１９４８）
【出願日】平成１６年１０月１５日（２００４．１０．１５）
【出願人】（０００１４７４０８）株式会社西原環境テクノロジー (44)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月１５日（２００４．１０．１５）
【出願人】（０００１４７４０８）株式会社西原環境テクノロジー (44)
【Ｆターム（参考）】
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