JPH0480760B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固体植物材料からメタンを製造する方
法に関する。

一般に非常に良く進行する溶解有機廃棄物の嫌
気的清掃とは異なり、今までのところ固体の植物
性廃棄物質を生物ガスに変換する有効な方式はな
い。もし固体が存在すると、一般に発酵器はどち
らかといえば能率的に働かない。一例をあげる
と、厩肥発酵器においては、COC基準（化学的
酸素消費量）による分解は、厩肥の10から20日の
滞留時間と１〜５KgCOC／m³．日の負荷でおよ
そ60％である。従つて、メタン生産は約２m³／
m³．日である。このことは与えられた廃棄物流の
変換に比較的大きい発酵器（低荷重と長い滞留時
間）を必要とすることを意味する。

反芻動物（牛、羊など）のルーメンの中で固体
植物材料（草）は非常に能率的にメタン揮発性脂
肪酸とに変換される。この過程には、微生物の独
特の系が含まれている（ルーメン繊毛虫および細
菌）。ルーメンの中の草の滞留時間はおよそ30時
間、負荷（変換）は約40KgCOC／m³．日である。
従つて、分解は約70％である。同様な系が草食獣
の盲腸にも見出されている。

有機材料の嫌気的分解は四期で起こる。

光合成の間に形成された重合体が単量体、例え
ばグルコースに変換され（期）、そこから多数
の発酵生成物が生成される（期）。これら発酵
生成物は、アセテートおよび（または）水素生成
微生物により酢酸、水素およびCO₂に変換され
（期）、かわつてこれら物質はメタン生成菌に対
し特別な栄養となる（期）。光合成生成物のう
ちの少なからぬ部分（見積り割合は５から10％）
がこの仕方で変換され、このようにして生じたメ
タンはメタン酸化細菌により、あるいは大気のオ
ゾン層中の反応によつてCO₂に変換され、このよ
うにして再び光合成に利用されるようになる。

有機物の嫌気的分解過程はメタン形成細菌の関
与なしにも起こりうる。このようにして期の微
生物は酢酸および（または）水素をつくり出す。
しかし、メタンバクテリアが存在しないしない場
合には、媒質は酸性となり、水素圧が上昇するで
あろう。水素は嫌気性代謝の抑制生成物であり、
水素形成に含まれる酵素、ヒドロゲナーゼ、はし
ばしば可逆的に働き、水素が蓄積するとエネルギ
ーを供給する酸化が役立たなくなる。

メタンバクテリアの存在において、全生態系の
は三つの機構を経て起こる： １ プロトン調節、この場合、酸性生成物（酢酸
および他の酸類）は不活性なメタンと弱酸性の
CO₂に変換される； ２ 電子調節、これによりメタンバクテリアは水
素の形成およびそれ以上の変換（H⁺から）を
行なおうとし、その結果期および期の有機
体はそれらの発育に必要なエネルギーを獲得で
き、また有機物は嫌気性条件下で不活性物質に
完全に変換される。

３ 栄養調節、これは分解中間体のスルーフロー
（throughflow）に関係するだけでなく、もし
あれば動物宿主を含めて他の有機体への生長因
子（例えば、B₁₂化合物）の供給にも関係す
る。

メタンバクテリアの存在は酸類および抑制水素
の蓄積を防止し、容易に分離される不活性生成
物、即ちメタンの形成を起こす。

現存の生態系は二つの群に分類できる、即ち ａ 生物ガス生産および嫌気的清掃のための設備
を含めてあらゆる淡水系、および ｂ 塩−水および胃腸管系。

ａ群の生態系（以後はアセテート系と称する）
においては、メタンがアセテートから約70％まで
生ずるのに対して、ｂ群の系（以後は水素系と称
する）においては、メタンが水素とCO₂から実質
的に完全に形成される。硫酸還元菌が重要な役割
を演ずる塩−水系はここでは考虜しないことにす
る。胃腸管系のうち、反芻動物のこぶ胃はメタン
の年間生産量150〜300×10⁹m³をもち最も顕著で
ある。

アセテート系は系のスルーフローの比較的おそ
い速度「バツトサイクル」１週間から数か月ま
で）により更に特徴づけられるのに対し、水素系
は比較的早い（「バツトサイクル」１日か数日）。
多分これはメタン発酵が速度制限段階であるこ
と、およびメタンバクテリアが酢酸（自由エネル
ギー変化−31KJ／モルメタン）からよりも水素
＋CO₂（自由エネルギー変化−131KJ／モルメタ
ン）からの方が相当に大きいエネルギーを引き出
しうるという事実による。

これらのデータから、自然界では、しばしばゆ
つくりと進行する嫌気的アセテート系が有機物の
分解に定着するであろうが（安定状態に匹敵）、
更にまた、地球上の年間生産に比較的大きい寄与
（全体の20％）をもつ無数の水素系においては早
い過程が定着するかもしれない（準安定状態に匹
敵しうる）と結論できる。それ故にもし系の安定
化のための条件がわかれば、水素系の使用は大き
い利点をもつ。

本発明者等はここで反芻動物のルーメン系の特
徴の幾つかを、特に比較的高いスルーフロー速度
をもつ明らかにむしろ安定な水素系の存在を理解
するために重要な事実に対する見解と共に議論す
ることにする。

反芻動物のルーメンは常に多数の（細胞100000
個／ml）の繊毛虫（九つの属に属する約11種）を
含んでいる。ルーメンの内容物に対する繊毛虫の
寄与は、先ず第一にルーメンの中に存在する窒素
のしばしば40％より多く（時には80％のことさえ
ある）が繊毛虫に含まれるという事実から導くこ
とができる。もしこの多数の繊毛虫と微生物集団
に対するこれらの多大の寄与の理由にのみ基づく
と、繊毛虫は有機物の変換に重要な役割を演じる
ことが期待できるかもしれない。

繊毛虫系は容易に確立され（雌牛から子牛によ
つて容易に引き継がれる）その一般的存在は生態
学的安定性を示し、この系および宿主に対し明ら
かにアセテート系にまさる種々な利点をもつ。

繊毛虫の役割はこぶ胃の中での現象の幾つかの
観察から推論できる。界面で植物材料は繊維細胞
を口腔内に取り入れる繊毛虫により非常に迅速に
占拠されることが観察されている。植物材料の飲
み込まれた小片の周りで殆ど知られていない幾つ
かの過程が繊毛虫内で起こる。多分繊毛虫、また
は繊毛虫内に住む（内部共生的に）細菌が植物材
料を消化する酵素をつくり出し、それによつて
期の最終生成物が形成される。これらの発酵生成
物は繊毛虫に存在する微小体により水素とCO₂と
に変換される。

水素の存在は分過程全体をおそくする。しか
し、繊毛虫の外側で細胞表面に付着したメタンバ
クテリア（とりわけ、メタノブレビバクタールミ
ナンチウム）が水素およびCO₂を不活性なメタン
に変える。メタンバクテリアは幾つかの独特かつ
高度に螢光性の補酵素：F₄₂₀（水素および電子移
動に関与するデアザフラビン）およびC₁代謝に
含まれるメタノプリテン類を含む。これら物質の
存在が、混合集団（例えば、ルーメン）中のメタ
ンバクテリアの同定のためにドデーマ
（Doddema）とフオーゲルス（Vogels）により
開発されたエピフルオレセンス技術の基礎を形づ
くる。本発明者等は、屠殺直後の雌牛のこぶ胃中
に、瘻管形成した羊のルーメン中に、およびルー
メン繊毛虫の実験室培養中に前述した共同体を観
察することができ、繊毛虫の単培養において、こ
の共同体は繊毛虫一細胞当りに付着いたメタンバ
クテリア約10000個の密度を生じうる。

この付着（共生）は少なくとも２倍の効果をも
つ： ａ 効果的な水素移動、このため繊毛虫は水素に
より最小に抑制され（ルーメンの中の水素圧は
10^-6気圧である）そしてメタンバクテリアはそ
の給源で食物を見付ける； ｂ 複合体（固体植物材料−繊毛虫−付着したメ
タンバクテリア）を経て、メタンバクテリアは
ルーメン内の長い滞留時間（メタンバクテリア
の長い分裂時間と共に必要）から恩恵を受け、
そして繊毛虫はそれらにすぐ隣接して存在する
多数のメタンバクテリアから恩恵を受ける。

系全体は、分解中に生じたCO₂と唾液からの重
炭酸塩により緩衝された約１日のスルーフロー時
間をもつ連続的培養を形成し、反芻動物により一
定温度に保たれる。系に対する重い負荷にもかか
わらず、これら微生物は仕事の最も困難な部分、
即ち、有機物質を受け入れられるようにし重合体
を分解する仕事、を短時間内に行なうことができ
る。全過程において、繊毛虫／メタンバクテリア
系は重要な役割を果している。反芻動物は間接的
に恩恵を受ける：生成したメタンを経由して、食
物のカロリー値の10％が廃棄されるが、他の動物
によつて消化することが困難な食物の分解生成物
を動物に絶えず供給する効果的な生態系の存在に
利益がある。

本発明の一つの目的は、固体植物材料、特に固
体の植物廃棄物、例えば産業廃棄物（製紙工場、
馬鈴薯−小麦製粉所、製糖工場などから）、農業
または家庭のごみ、あるいはまたエネルギー提供
のために特別に栽培された高等または下等植物
（例えば、藻類）を能率よく分解してメタン（生
物ガス）をつくることができる方法を提供するこ
とにある。

本発明方法は固体植物材料を、反応器中で、少
なくとも一つの繊毛虫種および少なくとも一つの
種のメタンバクテリアからなる液体系と接触さ
せ、そして反応器からメタンおよびCO₂を含むガ
スを取り出すことにより特徴づけられれる。

特に適当な一具体例は、下記の繊毛虫種： (1) ユージプロジニウム マツギイ （Eudiplodinium maggi） (2) ジプロジニウム デンタツム （Diplodinium dentatum） シン．ジプロジニウム デンチキユラツムエ
フ．アナカンタム （syn.Diplodinium denticulatum f.
anacanthum） シン．D.デンチキユラツム エフ．モナカン
タム （syn.D.dentfculatum f.monacanthum） (3) エピジニウム エカウダツム （Epidinium ecaudatum）シン．エピジニウ
ムエカウダツムエフ．ハマツム （syn.Epidinium ecaudatum f.hamatum） (4) エントジニウム シンプレクス （Entodinium simplex） (5) エントジニウム ロンジヌデアツム （Entodinium longinudeatum） (6) エンドジニウムカウダツム （Entodinium caudatum） (7) ダシトリチヤ ルミナンチウム （Dasytricha ruminatium） (8) イソトリチヤ プロストーマ （Isotricha prostoma） の少なくとも一つを用いることにより特徴づけら
れる。

少なくともメタン細菌メタノブレビバクタール
ミナンチウムを用いるのが更に好ましい。

実際上高度に適した一つの特に好ましい具体例
は、液体系として反芻動物のルーメンからあるい
は草食獣の盲腸から流体（接種材料）を用いるこ
とを特徴としている。

最適操作に対しては、PHを5.5〜７の値に保つ
こと、および温度を35〜45℃の値に、なるべくは
40℃に保つのがよい。

この系に対し適切に働かせるためには、なるべ
く液体を反応器から連続的にまたは不連続的に取
り出し、そしてカルボン酸を含まない液体で、ま
たはそのより低い割合により取り替えるのがよ
い。

実際上このことは１日に少なくとも２反応器容
の液体を取り出しそして取り替えることを意味す
る。

最も好ましい具体例においては、系が二つの空
間的に分かれた相からなり、そして反応器から取
り出された液体を、別個の反応器で液体中に存在
するカルボン酸が分解されてメタンとCO₂を形成
する処理に付し、メタンおよびCO₂を前記第二の
反応器から取り出し、このように処理した液体を
最初の反応器に再循環させるか、または放出する
ことを特徴とする。

もう一つの特に適当な具体例においては、分解
できない、あるいは分解の非常に困難な成分に富
む残存固体残留物を、１〜３日間の固体物質の滞
留時間後に、最初の反応器から取り出し、そして
投棄するか、あるいは焼くか、あるいは貴重な物
質を回収するために、または肥料として使用す
る。

米国特許第3711392号明細書から、生物分解性
廃棄物、例えばセルロース含有材料を、種種な微
生物の作用にさらすことが知られることが注目さ
れる。この方法は、生物分解廃棄物をヒトまたは
動物の食物として役立ちうる種々な生成物に変換
するために、公知の微生物プロセスを使用するこ
とからなる。この変換について、何ら量的データ
は与えられていない。前記明細書は、メタン、水
素、二酸化炭素およびエタノールからなるガス生
成物が形成されることを述べている。しかし、メ
タンは望ましくない副産物として率直に特徴づけ
られ、それ故にメタンの形成は少量の四塩化炭素
の添加により防止するのがよい。更にまた、この
従来法に使用するのに適した種々な種類の微生物
が述べられている。これらは、ともかくも、メタ
ンバクテリアを包含しない。該明細書は、原虫、
例えばエントニニウム、ダシトリチヤ
（Entoninium Dasytricha）およびジプロジニウ
ムこぶ胃原虫を述べているが、もつぱらそれらが
病原性細菌を無害にする能力と関連させて述べて
いるのである。

本発明方法は、繊毛虫とメタン細菌とが不可欠
である生物の組み合わせを用いた、植物材料の完
全分解による生物ガスの製造に向けられているの
であり、食品の製造に向けられているのではな
い。繊毛虫は、全生物量の全窒素（実質的にこれ
に比例している）の、例えば40％から80％といつ
た大きい数で存在し、植物原料を分解して水素を
生じ、これをメタン生産に使用する。本発明方法
は、水素系を使用するのに対し、前記米国特許明
細書の方法は比較的おそいアセテート系を使用し
ている。メタンバクテリアとの組み合わせのため
に、植物原料からメタンと二酸化炭素への実質的
に完全な変換が実現される。液体スルーフローお
よび固体に基づく効率（固体荷重率および滞留時
間）は、米国特許第3711392号明細書に記載の方
法の場合より相当に高いと同時に予備発酵は不必
要である。更にまた、本発明の特に適当な具体例
の一つにおいては、副産物もまた別個の反応器で
メタンに変換され、それで、このように処理され
た流体は最初の反応器に再循環するのに適するよ
うになる。本法は電気透析を含まない。

米国特許第4318993号明細書は有機廃棄物を、
予備加水分解および中和後、先ず酸性化相で分解
し、その後引続き、別個のメタン相で生物ガスに
変換するという生物分解性材料から生物ガスを製
造する方法を発表している。繊毛虫は使用されな
い。他方、本発明方法においては、加水分解、酸
性化および水素メタンの生成は、少なくとも繊毛
虫とメタンバクテリアとを含む第一の反応器で同
時に起こる。次に、必要に応じ、公知のメタン相
を含む第二の反応器で残存酸類を分解して更に追
加量のメタンガスをつくるのである。従つて、本
発明に係るこの方法は、前記米国特許明細書に記
載の予備加水分解および中和を含まない。有機物
からのエネルギー回収が主要目的である他の方式
にまさつたメタン生成の幾つかの一般的利点は次
の通りである。

メタン発酵は、容易に分離されるガスを生じ、
この方法は、例えばエネルギー目的のアルコール
生産の場合のように、エネルギーに富む生成物の
獲得に大きい量のエネルギーを必要としない。有
機物の燃焼および分解といつた方法の欠点は、そ
の含水量が有効性を減少させることである。メタ
ン発酵は比較的少ないスラツジ産出を伴なうが、
生じたスラツジはよく腐敗していて、しばしば肥
料として土地に直接使用できる。その上、この方
式は重仕事量を許し、このためプラントの投資コ
ストを軽減できる。

用いたメタン発酵のこれらの、および他の利点
は繊毛虫およびメタンバクテリアの本発明系にも
当てはまる。こ系は更に典型的に植物性の溶けて
いない材料について良好なメタン発酵を与え、比
較的重い負荷で比較的短いスルーフロー時間を可
能にする。

これら利点は繊毛虫におけるすばらしい空間的
構成に帰することができ、植物材料の消化にそし
てその先の分解に含まれる系は細胞内にそして細
胞上に集中し、繊毛虫は食物を追い食物を補充し
ようとする。水素系はメタン生成のためにそれ自
身定着できるので、メタンバクテリアは分布すべ
きエネルギーの大きい分け前を獲得し、それが生
長を促進している（しばしば系全体の制限段階）。

従つて、本発明は植物材料から重要なエネルギ
ー源として使用できるメタンへ変換するための応
用系を提供する。生じたメタンは気体状態にあり
そして容易に分離でき、日光から光合成の間に植
物材料中に貯えられたエネルギーの実質的にすべ
てを含んでいる。植物材料（植物細胞）の消化
は、これまでは、植物材料からメタンへの変換を
取り入れることが困難であつた障壁であり、植物
材料を化学的前処理に付することによつてのみ達
成できた。

植物材料は植物または微生物原料を使用し、不
溶性廃棄物を産出する産業（例えば、製紙工場、
食品および製薬分野の種々な工業）および動物飼
育に植物材料（草、麦わら、干草など）を使用す
る（農業）施設から来る。繊毛虫系はこれら基質
に対し特異的適合を要求するであろうが、これら
すべての使用において、植物材料からメタンへの
変換（この場合、エネルギーの実質的な部分が節
約される）は、堆肥にする（実質的なエネルギー
損失を伴う）、燃焼、または地表水への放出（こ
れにより環境を汚染する）よりはるかに好ましい
であろう。

従つて、第一の場合に関係ある材料は植物のく
ず、特に高含量の細胞壁重合体を有する破片であ
り、これらは本発明に係る系が非常によく分解で
きるものである。一例は、リグノセルロースを高
含量で含む製紙工場からのパルプである。例え
ば、牛または家禽飼養場から出る農業上の植物く
ずも適当な基質である。同じことが（道端の）
草、家庭のごみ、そして一般に光合成の生成物の
使用者から来るあらゆる廃棄物に当てはまる。

その上、繊毛虫系は、とりわけエネルギー供給
のために栽培された高等または下等植物（「エネ
ルギー農業」または「大洋−農業」を経由）のメ
タンへの変換に、これにより太陽エネルギー（＋
炭酸塩および水）をメタン（および酸素）に変換
するために使用できる。

もし出発原料が、非分解性部分（これは固体残
渣として残る）を含むならば、この残渣を更に利
用することができる。例えば、植物材料の非分解
性部分はリグニンに富むかもしれず、このものは
他の目的に興味をもたれる原料である（フエニル
基からつくり上げられた生成物のための原料；そ
の高い燃焼熱からみて興味ある燃料）。

メタンバクテリアを含む生物集団からビタミン
B₁₂の回収も可能性のうちにある。

ここで、二つの空間的に分かれた相からなる特
に適当な具体例のもつと詳細な記述を次に述べ
る。二つの別個の相を用いることにより、異なる
微生物集団に対し最適条件をつくり出すことが可
能である。

第１図は２相系を図式的に示したものである。

最初の相において、固体植物材料はこぶ胃の微
生物（繊毛虫、細菌、鞭毛虫）により揮発性脂肪
酸（アセテート、プロピオネートおよびブチレー
ト）、メタンおよびCO₂に変換される。この最初
の相は反応器１で起こる。

二番目の相においては、生じた揮発性脂肪酸を
含む最初の相からの液体を、脂肪酸が少なくとも
部分的に分解され、更にある量のメタンおよび
CO₂を生成するような処理に付する。この二番目
の相は反応器２で起こる。

反応器１は液体と固体成分とからなる反応物３
を含み、これをかきまぜ機４を用いてかきまぜ
る。消化すべき固体植物材料は導管５から供給さ
れる。分解の間に生成したガス（メタンとCO₂）
は導管６を通して反応器１から取り出される。液
体／固体分離器７、例えば過器を用いて液体を
反応器１から取り出す。この液体はポンプ９によ
りライン８を通つて反応器２に行く。反応器２中
で反応物１０を処理すると更にメタンCO₂を生
じ、これらはガス収集器１１および導管１２によ
り反応器２から取り出される。処理された液体は
導管１３を通つて反応器１に再循環される。

ａ 第一の相 第一の相においては、好ましくは連続過程で固
体植物材料を、なるべくルーメンの微生物を用い
て揮発性脂肪酸（アセテート、プロピオネートお
よびブチレート）、メタンおよびCO₂に変換する。

この相に対する使用に関して、きわめて特徴的
かつ独特であるのは、植物材料の分解を行なう微
生物の種における組成である。微生物接種とし
て、なるべくはルーメン流体を使用するのがよ
い。この系の典型は、とりわけ多数の（50〜150
×10³／ml）のルーメン繊毛虫の存在であり、こ
のものは天然に他の場所に生ずることが未だ記述
されたことのない単細胞動物である。種類の構成
は利用できる栄養によつて変化し、とりわけ下記
の繊毛虫類を含みうる： (1) ユージプロジニウム マツギイ (2) ジプロジニウム デンタツム シン．ジプロジニウム デンチキユラツム エ
フ．アナカンタム シン．D.デンチキユラツム エフ．モナカン
タム (3) エピジニウム エカウダツム シン．エピジニウム エカウダツム エフ．ハ
マツム (4) エントジニウム シンプレクス (5) エントジニウム ロンジヌデアツム (6) エントジニウム カウダツム (7) ダシトリチヤ ルミナンチウム (8) イソトリチヤ プロストーマ 繊毛虫に加えて、鞭毛虫およびおよそ200種類
の異なる細菌種が第一の相に見出されるはずであ
る。これら微生物は共にきわめて効果的に植物材
料を変換する。ルーメン微生物の使用のため、最
適反応器温度は約40℃である。

分解生成物として、揮発性脂肪酸、水素および
二酸化炭素を生ずる。水素と二酸化炭素は、第一
の相内に最も豊富にいるメタンバクテリア、メタ
ノブレビバクター ルミナンチウムにより、ある
いは他のメタン発生細菌によりメタンに変換でき
る。上記細菌は流体中に自由に生活する有機体と
して見出されるが、更に種々な繊毛虫類、とりわ
け、E.マツギイ、およびD.デンタツムとの高度の
共同が特徴的である。第一の相は揮発性脂肪酸を
メタンに変換できるメタンバクテリアを殆ど含ま
ない。これら脂肪酸は第二の相でメタンに変換さ
れる。第一の相の生物ガス生産は約１〜２／
反応器内容物／日であり、メタン約50％とCO₂約
50％とから構成される。

第一の相の二番目の特徴は、液体部分と固体部
分との間で行なう分離である。この分離が必要な
のは反応器内のこれら部分に異なる滞留時間をも
たらすためであり、そしてこれは以下の理由のた
めである： １ 脂肪酸産生のためにPHが低下する。PHがあま
りに低くなると（PH＜5.5）、分解が止るので生
じた脂肪酸を絶えず取り除かねばならない。PH
をその最小値より上に保つためには、１日当り
数（約２）発酵器容量の液体取り替えが必要で
ある。

２ 固体植物材料が、取り出される脂肪酸と共に
運ばれてはならない、これが分解過程から取
り除かれるからである。

３ 繊毛虫も一緒に運ばれてはならない。それ
は、さもないと、繊毛虫が第一の相から急速に
消失し分解過程に悪影響を及ぼすからである。
この液体取り替えの間のバクテリアの除去は、
これら生物の迅速な増殖により自動的に補償さ
れる。

実験室規模において、液体流と固体流との間の
分離は、濾過により、例えば孔径0.03mmを有する
濾過器を用いて行なわれる。大規模の場合は、他
の分離方式がより適当である。この目的に対して
は、浮揚および（または）沈降層の形成の結果と
して液体部分と固体部分との間でしばしば自然に
起こる分離を用いることができる。

用いた植物材料が、このような分離が実現しな
いような性質のものであるときは、遠心技術を用
いるのが望ましいかもしれない。

固体部分の滞留時間は、全体的分解されやすさ
に依存するが、１日から数日程度である。完全に
分解される材料の場合には残渣が生成せず、滞留
時間は事実上分解時間と等しい。材料が非分解性
の部分も含む場合には、蓄積を防ぐためこれを規
則的間隔で発酵器から取り除かねばならない。

要約すると、第一の相は次の点により特徴づけ
られる。

１ 微生物の構成。

ルーメン微生物およびとりわけ繊毛虫類がここ
では植物破片の分解に初めて使用される。

２ 固体流と液体流との間の分離。液体流は固体
流よりも相当に多い。

３ 最適PHは5.5〜７である。

４ 最適温度は40℃である。

５ H₂とCO₂および（多分ホルメート）はメタ
ン生産に対する実質的に唯一の基質である。

ｂ 第二の相 前述したように、第一の相で生じた脂肪酸は、
第二の相でメタンとCO₂に変換するのがよい。こ
れを行なうのに種々な理由がある。

１ 脂肪酸の取り出し後、流体を第一の相に再び
通過させることができ、従つて閉鎖系を形成さ
せる（第１図参照）。先ず、これは緩衝能が回
収されるのでコスト節約の効果がある。しか
し、その上全体的分解の効率に有利な効果を有
するのは、この方法において、バクテリアが第
一の相から除去されずに連続して第一の相に再
循環されるからである。

２ 総メタン生産が２〜３のフアクターだけ増
す。

３ COC基準で清掃が高い。

第二の相に対し、現存の系を使用できる。流動
化床方式および上昇流嫌気的スラツジブランケツ
ト（UASB）方式がきわめて適当である。最初
の系の原理はヘイジネン（Heijnen）、H₂O16，
266−299（1983）およびプロシーデングズ・オ
ブ・ザ・ヨーロピアン・シンポジウム・オブ・ア
ンエーロビツク・ウエイスト・ウオーター・トリ
ートメント，TNOコーポレート コミユニケー
シヨン デパートメント，ザ ヘイグ （Proceedings of the European Symposium
of Anaerobic Waste Water Treatment，TNO
Corporate Communication Department，The
Hague），259−274（1983）により記述されてお
り、UASB方式はレツチンガ（Lettinga）等．ア
ンエーロビツク ダイジエスシヨン（Anaerobic
Digestion）〔デイー．エー．スタツフオード、ビ
ー．ジエイ．ホイートリーおよびデイー．イー．
フユース（D.A.Stafford，B.J.Wheatly and D.
E.Hughes）、編〕、Univ.Coll.、カーデイフ、ウ
エールズ、167−186、（1980）により開発され、
詳細に記述された。

本発明方法の一つの重要な利点は、固体の滞留
時間が比較的短く、48時間程度であるのに対し、
20〜40KgCOC／m³．日という極端に高い負荷が
可能なことである。これは10〜30日の滞留時間を
必要としフアクター10〜20だけ低いCOC基準で
の負荷を可能にする現存のバイオリアクターと比
べて非常に有利である。

現存の二相系において、第一の相は加水分解お
よび酸形成機能だけを有し、一方最終的メタン形
成は第二の相で起こる。本発明繊毛虫系の第一の
相においては、加水分解と酸形成に加えて、はつ
きりしたメタン形成がある。

もう一つの顕著な特色は、あらゆる現存のメタ
ン発酵方式におけるように、この系の第一の相で
メタン形成のための前駆物質として使用されるの
は酢酸ではなくてH₂OとCO₂であることである。
この相でメタン形成の原因となるのはとりわけル
ーメン細菌メタノブレビバクター ルミナンチウ
ムである。存在するアセテートは第二の相だけに
いる種々な他のメタンバクテリアにより変換され
る。メタン形成に関して第一の相と第二の相と本
発明による結合は独特である（水素系とアセテー
ト系との結合）。

現存の固体発酵系と比較してみると、ここに提
出した方式は滞留時間、負荷およびメタン収量に
関して何倍も能率的なことがわかる。短い滞留時
間と組み合わさつた高い負荷に立脚すると、比較
的小さいプラントを使用できる一方、高いメタン
収量の結果として短い給料支払い期間を実現でき
る。

本発明を下記の例により説明する。これらの例
は、それぞれ固体基質として草および紙パルプを
使用して実験室規模（1.5）で行なわれた実験
に関する。記載の実験は繊毛虫系だけの第一の相
に関する。

例 １ 基質：草80％と穀類（からすむぎ、とうもろし、
大豆粉、小麦粉）の比で混合した乾燥−穀
類混合物。粒径３mm。細胞壁組成を第２図
に示す。

用いた記号は次の意味をもつ： NDF＝全細胞壁フラクシヨン （セルロース、ヘミセルロースおよ
びリグニン） ADF＝セルロースおよびリグニン HC＝ヘミセルロース Ｃ＝セルロース Ｌ＝リグニン As＝無機不溶部分。

開始条件 下記実験はすべて同じ開始条件を用いて行なつ
た。

微生物接種材として、0.75の新しく採取した
ルーメン液体（ルーメンフイステルをもつ羊か
ら）を培養容器に入れ、その後、その体積を緩衝
液（炭酸塩／リン酸塩、PH7.9）で1.5とした。
短時間後にポンプを働かせた。このポンプは緩衝
液を絶えず供給し、そして濾液を取り出すもの
で、濾液から0.03mmの濾過器を通つて培養容器を
出る。基質を１日に２回供給し、均一な培養の取
り出しはオーバーフローレベルから不連続的に行
なつた（30秒に対し30分）。

培養容器を熱水ジヤケツトにより40℃の温度に
保つた。

系を１から２週間安定化した後（基質に対する
微生物の適合）、分解および他のパラメーター
（PH、生物ガス産生、揮発性脂肪酸、繊毛虫数）
を測定した。

繊毛虫系の応用性に関する一つの重要な点は、
微生物接種材／反応器容器積の比が必ずしも１で
ある必要はないということである。もしこの比が
１：100であれば、10日といつた短時間後に、
種々な微生物の平常濃度が培養容器内に存在する
ことが見出される。開始中の一つの条件は、この
場合に培養を酸素から遮断すべきであるというこ
とである。

実 験 Ｄ値（バツトサイクル／日）で表わした培養容
器の緩衝液流は流体の滞留時間を決定するが、一
方固体の滞留時間は均一培養の放出から計算でき
る〔滞留時間（時間で表わす）＝バツト容積／オ
ーバーフロー体積／時〕。

培養容器内に存在する繊毛虫の保持は、それら
の寸法（30〜150μｍ）に立脚して、固体流に結
びつけられ、一方細菌は液体相および固体相両方
と共に容器から出る。

最初の実験は、培養体積１につき草（乾燥重
量）20から25ｇ／日という負荷率および固体滞留
時間２日の場合に、良好な変換が達成されること
を示した。

公知の分析法を用いて、植物細胞壁の種々なフ
ラクシヨンが分解される度合を測定した。第３図
に示した上記実験の結果は、加えたセルロースお
よびヘミセルロースのおよそ80％が分解されるこ
とを示した。第３図と関連したPH、生物ガス産
生、繊毛虫濃度、および揮発性脂肪酸の産生に関
するデータは次に通りであつた： 負荷率 24ｇ／．日 PH 6.5〜7.0 CH₄産生量 1.25／．日 CH₄／CO₂比 約１ 繊毛虫数 60.10³／ml 揮発性脂肪酸産生量 ６〜７ｇ／．日 Ｄ（バツトサイクル／日の希釈あるいは数）
1.7バツト容積／日 培養容器内に存在する脂肪酸は、主としてアセ
テート、プロピオン酸および酪酸であり、３：
１：１（重量）の比で生じた。

同じＤ値と滞留時間で負荷率を草35ｇ／．日
に増加させたときも、依然としてセルロースおよ
びヘミセルロースの約75％が分解された。負荷率
に関しては、ｇ乾燥重量の代りに、一層通用する
COC単位で読むことができ、例えば１ｇの草は
１ｇCOCに相当する。

異なるＤ値で行なつた実験は、緩衝液流の大き
さと分解との間に一つの関係があることを示し
た。これら二つの間の関係は第４図に示してあ
る。第４図は、Ｄ値を1.2から2.2に増すと、種々
な細胞壁構成成分の分解が、ほとんど２倍高くな
ることが判ることを示している。

第５図に示したように、培養容器中の繊毛虫数
とＤ値との間に、実質的に匹敵しうる関係が見出
される筈である。

これら実験はすべて、同じ負荷率（35ｇ／．
日）および固体滞留時間（60時間）を用いて行な
つた。更に、Ｄ値（2.0）および負荷率を一定レ
ベルに保つて、異なる固体滞留時間を用いて実験
を行なつた。これら実験の結果は、固体滞留時間
の増加が分解パーセントの増加ににつながること
を示した。固体の取り出しを全く止めると、90％
またはそれ以上といつた高い分解百分率でさえ測
定された。上記データに立脚して、固体材料の長
い滞留時間と組み合わせた高いＤ値は最良の結果
に通じるであろう。これと関連して、固体の取り
出しを完全に止めることは不可能であり、さもな
いと非分解性あるいは分解性に乏しい成分（リグ
ニン、無機物質）が反応器中に蓄積するであろう
ということに注目すべきである。工業規模での反
応器設定は、新しい材料と消費された材料との間
の分離を反応器で行なうことができるように、取
出される固形物の部分が分解性に乏しい成分に比
較的富むように設計するのがよい。

例 ２ 基質：製紙工場からの紙パルプ。

この廃棄物は無機物質（カオリンおよび白
亜）約40％を含み、残りの60％は主として
セルロースである（第６図参図照）。乾燥
重量１ｇは0.7ｇCOCに相当する。

開始条件：例１参照。

培養開始後最初の何日かの間に、草の
供給物から紙パルプへの緩徐な移行が
あり徐々な適合が可能になる。

どんな条件下で良好な分解と組み合わさつた高
い繊毛虫濃度を実現できるかを草を用いた実験が
示した後に、本発明者等は基質に紙パルプを用い
るように変えた。

この廃物は実質的にもつぱら炭素源からなるの
で、外からの窒素および痕跡元素（微生物の発育
に必須）を添加する必要がある。ここに記載した
実験において、これら成分を緩衝液に加えるが、
同時に本発明者等は少量の草も追加した。実用的
規模で、肥料または他の成分を窒素源として使用
することが考えられる。

紙パルプを用いた実験は、固体材料の非常に短
い滞留時間（35時間）ときわめて高い負荷率（65
ｇCOC／．日まで）においてさえも、非常に
良好な分解効率に達しうる（第７図）ことを示し
た。第７図に関連したデータは次の通りである： 負荷率：パルプ64ｇ／．日＝47ｇCOC／．
日 草19.5ｇ／．日＝19.5ｇCOC／．日 66.5ｇCOC／．日 Ｄ 2.0バツト容積／日 PH 6.4〜6.7 CH₄産生量 1.5／．日より大 CH₄／CO₂比 約１ 繊毛虫数 （100〜150）．10³／ml 揮発性脂肪酸産生量7.5ｇ／．日より
大 また更に他の酸および中性生成物を生じた このような実験におけるセルロースおよびヘミ
セルロースに対する分解百分率は、それぞれ70％
と80％であつた。

しかし固体滞留時間を延長すると、草の培養に
おける先の実験とは異なり、分解効率が著るしく
減少することが判つた。これは多分培養容器中の
無機フラクシヨンの蓄積の結果である。

滞留時間が長引くと、無機物質が培養１当り
175ｇといつた多くまで早く蓄積することが測定
で示された。基質として濾紙を用いる比較実験も
行なつた。濾紙は草と似てほとんど無機物を含ま
ない。この基質を用いて固体滞留時間を延長する
と、これもより良い分解をもたらした。固体の取
り出しを全く止めたとき、濾紙（主としてセルロ
ース）の90％より多くが分解された。

これらの結果から、紙パルプは、無機物質を選
択的に取り除くように注意を払う限り、非常に能
率よく変換でき、従つて長い滞留時間でより高い
分解百分率を実現できると結論することができ
る。

濾紙または紙パルプ培養に加えると、繊毛虫類
集団に相当な移動がある。約７日後、優勢となつ
たのは特別に大きい種（ユージプジニウム マツ
ギーおよびプロジプジニウム デンタツム）であ
つた。これは草を供給した培養とは著しく異な
り、その場合にはエントジニウムおよびエピジニ
ウム種が優勢であつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の実施に用いる二相系を示
し（１……反応器，２……反応器，３，１０……
反応物）、第２図は基質細胞壁の組成を示し、第
３図は細胞壁成分の分解度合を示し、第４図は
種々な希釈における緩衝液流と分解の関係を示
し、第５図は繊毛虫数と希釈の関係を示すグラフ
であり、第６図は基質紙パルプの組成を示し、第
７図は紙パルプの分解度合を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固体植物材料からのメタンの製造法におい
   て、固体植物材料を、反応器内で、少なくとも一
   つの繊毛虫の種および少なくとも一つのメタンバ
   クテリア種を含む液体系と接触させ、そして反応
   器からメタンおよびCO₂含有ガスを取り出すこと
   を特徴とする、上記方法。 ２ 下記の繊毛虫種： (1) ユージプロジニウムマツギイ （Eudiplodinium maggii） (2) ジプロジニウムデンタツム （Diplodinium dentatum） シン．ジプロジニウムデンチキユラツムエフ．
   アナカンタム（syn.Diplodinium
   denticulatum f.anacanthum） シン．D.デンチキユラツムエフ．モナカンタ
   ム（syn.D.dentfculatum f.monacanthum） (3) エピジニウムエカウダツム （Epidinium ecaudatum） シン．エピジニウムエカウダツムエフ．ハマツ
   ム（syn.Epidinium ecaudatum f.hamatum） (4) エントジニウムシンプレクス （Entodinium simplex） (5) エントジニウムロンジヌデアツム （Entodinium longinudeatum） (6) エントジニウムカウダツム （Entodinium caudatum） (7) ダシトリチヤルミナンチウム （Dasytricha ruminatium） (8) イソトリチヤプロストーマ （Isotricha prostoma） の少なくとも一つを用いることを特徴とする、特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 少なくともメタンバクテリア種 メタノブレビバクタールミナンチウム （Methanobrevibacter ruminantium） を用いることを特徴とする、特許請求の範囲第１
   項または第２項に記載の方法。 ４ 液体系として反芻動物のルーメンまたは草食
   獣の盲腸から流体（接種材）を用いることを特徴
   とする、特許請求の範囲第１項から第３項までの
   いずれか１項に記載の方法。 ５ PHを5.5〜７の値に保つことを特徴とする、
   特許請求の範囲第１項から第４項までのいずれか
   １項に記載の方法。 ６ 温度を35〜45℃の値に保つことを特徴とす
   る、特許請求の範囲第１項から第５項までのいず
   れか１項に記載の方法。 ７ 温度を約40℃に保つことを特徴とする、特許
   請求の範囲第６項記載の方法。 ８ 反応器から液体を連続的にまたは不連続的に
   取り出し、それをカルボン酸を含まない液体ある
   いはそのより低い割合で取り替えることを特徴と
   する、特許請求の範囲第１項から第７項までのい
   ずれか１項に記載の方法。 ９ １日当り少なくとも２反応器容量の流体を取
   り出しそして取り替えることを特徴とする、特許
   請求の範囲第８項記載の方法。 １０ 反応器から取り出した流体を、別の反応器
   で、流体中に存在するカルボン酸を分解してメタ
   ンとCO₂を生成させる処理に付し、これを前記第
   二の反応器から取り出し、このように処理した流
   体を前記最初の反応器に再循環させるか、または
   取り除くことを特徴とする、特許請求の範囲第８
   項または第９項記載の方法。 １１ 残存する非分解性または分解性に乏しい成
   分に富む固体残留物を１〜３日間の固体滞留時間
   後最初の反応器から取り出し、そして投棄する
   か、焼くか、あるいは施肥に利用するかのいずれ
   かを行なうことを特徴とする、特許請求の範囲第
   １項から第１０項までのいずれか１項に記載の方
   法。