WO2017203732A1 - 細胞壁又は細胞膜破砕装置及び該装置の使用方法 - Google Patents

細胞壁又は細胞膜破砕装置及び該装置の使用方法 Download PDF

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Definitions

  • the present disclosure relates to an apparatus for crushing cell walls and / or cell membranes of microorganisms, algae, and the like and a method for using the apparatus.
  • Microorganisms and algae contained in organic sludge contain various useful resources (for example, proteins, fats, and carbohydrates).
  • useful resources for example, proteins, fats, and carbohydrates.
  • cell walls and the like Since cell walls and the like constituting microorganisms and the like are composed of very strong membranes, in order to crush the cell walls and the like, advanced techniques and complicated facilities are generally required. As a result, conventional methods and equipment have resulted in increased running costs.
  • Patent Document 1 is a sludge crushing device that crushes sludge generated by biological treatment of organic sewage, and includes a rotating disk that rotates at high speed, and a driving means that drives the rotating disk, and rotates.
  • the disk further includes a fixed disk facing the disk and having a sludge inlet in the center, and a disk gap of approximately 5 mm or more is provided between the fixed disk and the rotating disk, and sludge is mainly collected by the rotational shearing force of the rotating disk.
  • a sludge crushing device for crushing is disclosed.
  • Patent Document 2 discloses a sludge treatment method in which sludge generated in wastewater treatment is subjected to ultrasonic treatment in an ultrasonic treatment step and then treated in a methane fermentation step after the sludge is decomposed in a sludge decomposition step. .
  • digestion of organic sludge in surplus sludge in an activated sludge concentration tank is performed by solubilizing and hydrolyzing microorganisms in the sludge and generating water and carbon dioxide.
  • the elution of intracellular high-molecular substances such as proteins, organic acids, lipids, and carbohydrates contained in microorganisms and the lowering of the molecular weight by hydrolysis of these substances are rate-limiting. Digestion of organic sludge took a long digestion day.
  • Examples of conventional techniques for disrupting cell walls to reduce molecular weight and solubilize include high-energy disruption methods such as ultrasound; chemical decomposition methods such as ozone oxidation and alkali treatment; mechanical disruption methods using homogenizers, mills, etc. It is done. In some cases, a heating means of 50 ° C. or higher is further employed to facilitate crushing of cell walls and the like.
  • the method of using ultrasonic waves, ozone, and alkali has a problem that the maintenance cost of the apparatus increases.
  • the mechanical crushing method using a homogenizer, a mill, or the like has a problem that the cost is similarly increased because the processing efficiency is low and it is necessary to make a complicated and large apparatus.
  • the present disclosure provides an apparatus that can efficiently crush cell walls and the like of microorganisms at low cost and a method for using the apparatus.
  • a cell wall or cell membrane crushing apparatus including a fixed disk, a rotating disk, a rotating shaft for driving the rotating disk, a decompression unit, and a housing, and at least of the fixed disk and the rotating disk.
  • One set is arranged to face each other, and the center portion of the fixed disk has a cavity portion that is larger than the outer diameter of the rotating shaft passing through the center portion, and the shearing force generated between the rotating disk and the fixed disk.
  • a cell wall comprising a stationary disk, a rotating disk, a rotating shaft for driving the rotating disk, a pressure reducing means by a suction force of a land-type pump and / or a submersible pump, and a housing
  • a cell membrane crushing device wherein at least one set of a fixed disk and a rotating disk are arranged to face each other, and a central part of the fixed disk has a cavity larger than an outer diameter of a rotating shaft passing through the central part.
  • the land-type pump is used. Is installed after the discharge port of the device, and when a submersible pump is used, the submersible pump is provided by a cell wall or cell membrane crushing device installed on the discharge port side after the last fixed disk in the device. It is.
  • a sludge volume reduction method including a step of treating sludge with the above-described cell wall or cell membrane crushing apparatus.
  • a method for preparing sludge fertilizer comprising the steps of treating sludge with the above-described cell wall or cell membrane crushing device, and treating the sludge obtained from the step of treating sludge.
  • the sludge is provided with a step of treating sludge with the above-described cell wall or cell membrane crushing apparatus, and a step of collecting the treated separation liquid obtained from the step of treating sludge as a culture solution.
  • a method for preparing a culture solution is provided.
  • a deodorization method including a step of treating sewage and / or sludge or odorous food with the above-described cell wall or cell membrane crushing apparatus.
  • a treated sludge and / or treated separated liquid obtained from the step of treating sludge by the above-described cell wall or cell membrane crushing device and the step of treating sludge is provided to the biogas fermenter.
  • a biogas fermentation method comprising the step of:
  • At least one selected from the group of fungi, microorganisms, algae, and plants (hereinafter sometimes referred to as “microbe group”) by the cell wall or cell membrane crushing device described above.
  • an object eg, sludge
  • at least one oil selected from the group of fungi, microorganisms, algae, and plants is processed by the above-described cell wall or cell membrane crushing apparatus.
  • An oil recovery method comprising the steps is provided.
  • the cell wall or cell membrane crushing device of the present disclosure only needs to have a simple configuration of at least a fixed disk, a rotating disk, a rotating shaft for driving the rotating disk, a decompression unit, and a housing.
  • An easy and low cost apparatus can be provided.
  • the conventional apparatus requires additional facilities such as alkali treatment and heating treatment at 50 ° C. or higher in order to crush the cell wall and the like.
  • the cell wall or cell membrane crushing device of the present disclosure includes a decompression unit, there is no need to include facilities such as alkali treatment and heating treatment at 50 ° C. or higher. As a result, the running cost can be greatly reduced as compared with conventional devices and equipment.
  • the cell wall or cell membrane crushing device of the present disclosure can be used for sludge volume reduction method, sludge fertilizer preparation method, sludge culture solution preparation method, deodorization method, biogas fermentation method, food, beverage, pharmaceutical, supplements or cosmetics. It can be used in production methods, oil content recovery methods, and the like. Since the cell wall or cell membrane crushing device of the present disclosure can sufficiently crush the cell wall and the like without adversely affecting the active ingredient contained in the microorganism or the like, the efficiency in each method described above can be improved.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the A-A ′ plane in FIG. 1.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a rotating disk in the vicinity of A-A ′ in FIG. 1.
  • It is a microscope picture (150 times) of the sludge concentrated by centrifugation.
  • It is a microscope picture (150 times) of the sludge after a cell wall or a cell membrane crusher process.
  • It is a figure which shows the cumulative generation amount of the methane gas in the batch type test under anaerobic conditions.
  • It is a figure which shows the conversion efficiency to methane gas in the batch type test under anaerobic conditions.
  • the cell wall or cell membrane crushing apparatus is a cell wall or cell membrane crushing apparatus including a fixed disk, a rotating disk, a rotating shaft for driving the rotating disk, a decompression unit, and a housing, At least one set of the disk and the rotating disk is disposed so as to face each other, and the center portion of the fixed disk has a hollow portion larger than the outer diameter of the rotating shaft passing through the center portion, The shearing force generated between them is applied to the fluid of the object having a water content of 89% or more that is input into the apparatus. Since the cell wall or cell membrane crushing apparatus of the present disclosure has a simple configuration, the apparatus can be easily maintained and the manufacturing cost of the apparatus can be reduced. As a result of adopting the pressure reducing means, facilities such as alkali treatment and heating treatment, which were essential in the conventional apparatus, are no longer necessary, and the running cost can be greatly reduced.
  • the cell wall or cell membrane crushing apparatus includes a fixed disk, a rotating disk, a rotating shaft for driving the rotating disk, a decompression unit and a housing by a suction force of a land-type pump and / or a submersible pump.
  • a cell wall or cell membrane crushing device wherein at least one set of a fixed disk and a rotating disk are arranged to face each other, and a center part of the fixed disk is larger than an outer diameter of a rotating shaft passing through the center part
  • the shearing force generated between the rotating disk and the stationary disk is applied to the fluid of the object having a moisture content of 89% or more that is charged into the apparatus.
  • the land-type pump is installed after the discharge port of the apparatus, and when the submersible pump is used, the submersible pump is installed on the discharge port side after the last fixed disk in the apparatus.
  • the cell wall or cell membrane crushing device of the present disclosure is not limited to a decompression pump, and can reduce the pressure inside the device using a land-type pump or a submersible pump. Therefore, maintenance is easier, compared to using a decompression pump. Maintenance costs can be greatly reduced.
  • the pressure in the apparatus can be reduced to ⁇ 0.08 MPa or less by a decompression unit.
  • a pressure difference is generated between the internal pressure from the cell wall and the external pressure from the cell wall, and thus the cell wall and the like are easily crushed.
  • the shearing force between the fixed disk and the rotating disk increases, and the cell walls and the like are easily crushed and cavitation occurs simultaneously, so that the cell walls and the like are more easily crushed.
  • the land-type pump of the cell wall or cell membrane crushing apparatus in the second embodiment may be a single screw pump.
  • a single screw pump is preferable because it has excellent suction power among land-based pumps.
  • the rotating disk of the cell wall or cell membrane crushing apparatus in the first or second embodiment can rotate at a peripheral speed of 10 m / s or more.
  • the peripheral speed of the rotating disk is 10 m / s or more, the shearing force between the fixed disk and the rotating disk is improved, and the cell wall and the like can be more efficiently crushed.
  • the cell wall or cell membrane crushing apparatus in the first or second embodiment can include two or more fixed disks and / or rotating disks. By providing two or more fixed disks and / or rotating disks, the cell walls and the like can be more efficiently crushed in a short time.
  • the gap between the fixed disk and the rotating disk in the cell wall or cell membrane crushing apparatus in the first or second embodiment can be 5 mm to 30 mm.
  • the gap between the fixed disk and the rotating disk is within this range, the shearing force between the fixed disk and the rotating disk is improved, and the cell wall and the like can be more efficiently crushed.
  • the surface of the rotating disk and / or fixed disk in the cell wall or cell membrane crushing apparatus in the first or second embodiment may be a mirror surface or a rough surface. If the surface of the disk is mirrored, the object will flow more easily, so the flow velocity of the object can be improved. If the surface is rough, the frictional force or surface area of the disk surface will increase, so the cell wall The shearing force required for crushing such as can be applied to the object more effectively.
  • the object thrown into the cell wall or cell membrane crushing apparatus in the first or second embodiment may include at least one selected from the group of fungi, microorganisms, algae, and plants. Moreover, you may use sludge as a target object.
  • the cell wall or cell membrane crushing apparatus is applied to a sludge volume reduction method, a sludge fertilizer preparation method, a sludge culture solution preparation method, a deodorization method, a biogas fermentation method, a food, a beverage, and a pharmaceutical product. It can be used in a method for producing supplements or cosmetics, and a method for oil recovery.
  • An object including microorganisms and the like processed by the cell wall or cell membrane crushing apparatus can improve efficiency in the above-described methods because the cell wall and the like are sufficiently crushed.
  • cavitation is considered to be a phenomenon in which bubbles (pockets) are instantaneously generated due to vaporization of a low pressure portion in a fluid moving in a cell wall or cell membrane crushing device, and then collapse and disappear. Yes. It is said that the local impact force generated when bubbles in cavitation collapse is 100 MPa to several GPa, and the temperature environment is 1,200 ° C. or higher. At this time, it is considered that a stronger shearing force acts and the cell wall and the like are more easily crushed.
  • biogas is a kind of biofuel, and means gas (methane gas, hydrogen gas, etc.) generated by fermentation of sludge and sewage.
  • sludge means a liquid substance containing a final product of organic matter as a solid content, which is generated in a treatment process of a sewage treatment plant, a waste liquid treatment process of a factory, or the like.
  • Sludge includes “excess sludge” generated by the activated sludge method.
  • Excess sludge refers to the portion of the activated sludge that has been treated in the activated sludge reaction tank, introduced into the final sedimentation basin, etc., and excluding the portion that is returned to the activated sludge reaction tank as return sludge. is there.
  • the surplus sludge is mainly composed of microorganisms grown using dissolved organic substances in the sewage as a substrate, and protozoa grown by feeding on the microorganisms.
  • suspended substance concentration means the amount of activated sludge in the aeration tank or aeration tank (reaction tank) in the activated sludge method expressed in mg / L; “Substance concentration (MLVSS)” means the loss of ignition loss (VS) of MLSS in mg / L; “Floating substance (SS)” means all substances floating in water.
  • Biochemical oxygen demand means the amount of dissolved oxygen consumed by aerobic microorganisms in water
  • Total organic carbon means in the organic matter present in water Means the amount of carbon
  • dissolved organic carbon means the amount of carbon in organic matter dissolved in water
  • total nitrogen exists in water Means the total amount of nitrogen compounds
  • total phosphorus amount means It means the total amount of the phosphorus compounds present in.
  • the suspended solids concentration (MLSS) and suspended solids (SS) shall be determined according to the sewerage test method (Japan Sewerage Association, 1997, Volume 2, Chapter 2, Section 12-2). Adopted and measured.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a cell wall or cell membrane crusher 100 according to a first embodiment of the present disclosure.
  • the cell wall or cell membrane crushing apparatus 100 is positioned in the horizontal direction of the center of the cell wall or cell membrane crushing apparatus 100, the casing 160, the fixed disk 140 disposed on the inner surface of the casing 160, the rotating disk 150, and the rotating disk 150.
  • the rotary shaft 130 for fixing and driving, the input port 170, the discharge port 180, and the decompression means 190 are provided.
  • the cell wall or cell membrane crusher 100 can include an inverter 110 and a motor 120 for driving the rotating shaft 130.
  • the inverter 110 and the motor 120 may be configured integrally with the cell wall or cell membrane crusher 100 or may be disposed outside the cell wall or cell membrane crusher 100.
  • the use of an inverter is preferable because the peripheral speed can be appropriately adjusted according to the type and amount of the object, but a star delta (Y- ⁇ ) motor or the like may be employed instead of the inverter.
  • the target object that has been input to the input port 170 flows between the fixed disk 140 and the rotating disk 150 and is discharged from the discharge port 180, as in the target object flow 105 of FIG.
  • the input port 170 and the discharge port 180 may be arranged in reverse.
  • the cell walls of microorganisms and the like contained in the object are crushed by energy such as shearing force generated between the fixed disk 140 and the outer surface of the rotating shaft 130 (FIGS. 3A and 3B).
  • FIGS. 2A and 2B show an enlarged cross-sectional view of the A-A ′ surface of the cell wall or cell membrane crushing apparatus 100 in FIG. 1 and an enlarged view of a rotating disk in the vicinity of A-A ′.
  • a low pressure portion is formed in the object.
  • Water or the like in the object is vaporized by the low pressure part to generate bubbles, and a cloud 295 (mixed part of liquid and gas) is formed in the object.
  • a very high pressure impact force
  • the energy based on this high pressure also contributes to the crushing of cell walls as a shearing force.
  • various materials can be used depending on applications. Although not limited to these, for example, one or more materials selected from the group consisting of metals or metal alloys such as iron and stainless steel, ceramics, glass, plastics, reinforced resins including carbon fibers and / or glass fibers, and rubbers. Can be used. Of these, stainless steel (SUS316 and the like) and ceramics are preferable because they are excellent in strength and rust prevention effect.
  • the surface of various members that come into contact with the object is treated with water-repellent treatment with fluororesin coating, titanium oxide, silicon oxide Hydrophilic treatment by coating or the like, smooth surface (mirror surface) treatment, or roughening treatment may be applied.
  • water repellent treatment or the hydrophilic treatment it is possible to prevent adhesion of dirt or the like based on the object.
  • smooth surface (mirror surface) process By applying the smooth surface (mirror surface) process, the object easily flows, so that the flow velocity of the object can be improved.
  • the roughening treatment the frictional force and the surface area increase, so that the generation of shearing force and cavitation can be improved.
  • Water repellent treatment, hydrophilic treatment, smooth surface (mirror surface) treatment, and roughening treatment may be used in combination. Moreover, you may apply these processes to the whole surface or part of member to apply.
  • the surface roughening treatment include embossing, sandblasting, cutting, polishing, laser processing, etching processing, and the like, and molding using an uneven mold.
  • a member that can give a rough surface to the surface of a fixed disk or the like may be bonded using an adhesive, welding, a bolt, or the like.
  • the rough surface may be a random uneven shape, or may be a groove-like shape having a predetermined angle and / or interval. The size and shape of the rough surface can be appropriately adjusted according to the properties of the object and the amount of processing.
  • the central portion of the fixed disk 140 has a hollow portion that is larger than the outer diameter of the rotating shaft 130 that passes through the central portion.
  • the fixed disk 140 may be appropriately adjusted in outer diameter, inner diameter, shape, thickness, and quantity in accordance with the properties, processing amount, shape of the casing, design intention, etc. of the object to be inserted into the cell wall or cell membrane crushing apparatus 100. Can do. Considering crushability of the cell wall and the like, manufacturing cost, etc., the fixed disk 140 preferably has a substantially disk shape, and the cavity of the fixed disk 140 preferably has a substantially circular shape. The size of the cavity of the fixed disk 140 can be appropriately adjusted according to the type and amount of the object.
  • the surface of the fixed disk 140 may have a concave or convex slope as long as it does not hinder the occurrence of shearing force and cavitation. You may have.
  • the fixed disk 140 may be integrated with the inner wall of the housing 160 by an adhesive, welding, or the like, or may be removably attached using a bolt or the like. Further, the fixed disk 140 and the housing 160 may be a single body made of one material using a 3D printer or the like.
  • the rotating disk 150 is appropriately adjusted in outer diameter, inner diameter, shape, thickness, and quantity in accordance with the properties, processing amount, shape of the casing, design intention, and the like of the object to be inserted into the cell wall or cell membrane crushing apparatus 100. Can do. In consideration of the crushability of the cell wall and the like, the manufacturing cost, etc., the rotating disk 150 preferably has a substantially disk shape. The distance between the outer periphery of the rotating disk 150 and the inner wall of the housing can also be adjusted as appropriate according to the type and amount of the object.
  • the surface of the rotating disk 150 may have a concave or convex inclination as long as shearing force and cavitation are not hindered, and may have a through-hole or the like in the disk or on the outer periphery.
  • the rotating disk 150 may be integrated with the rotating shaft 130 by an adhesive, welding, or the like, or may be removably attached using a bolt or the like. Further, the rotating disk 150 and the rotating shaft 130 can be formed as a single body made of one material using a 3D printer or the like.
  • the rotational speed and peripheral speed of the rotating disk 150 can be appropriately adjusted according to the type and amount of the object, and are not limited to the following ranges.
  • Rotational speed of the rotating disk 150, 1000min -1 or more, 2000 min -1 or more, or 3000 min -1 or more, 7000Min -1 or less, can be 6000 min -1 or less, or 5000 min -1 or less.
  • the peripheral speed of the rotating disk 150 can be adjusted to a predetermined range.
  • the peripheral speed of the rotating disk 150 can be 20 m / s or more, 30 m / s or more, 35 m / s or more, 70 m / s or less, 60 m / s or less, or 55 m / s or less.
  • the peripheral speed is preferably in the range of 37 to 52 m / s because cavitation is likely to occur in addition to the shearing force.
  • the fixed disk 140 in the cell wall or cell membrane crushing apparatus 100 of the present disclosure has a hollow portion (object suction port) at the center and is disposed so as to face the rotating disk 150.
  • the fixed disk 140 forms a flow in which the object that flows in the outer circumferential direction of the rotating disk 150 flows again through the cavity of the fixed disk 140 and flows into the center of the rotating disk 150 due to the centrifugal force of the rotating disk 150. It has the function to do. In other words, the fixed disk 140 functions to make the object in the cell wall or cell membrane crusher 100 uniform.
  • the cell wall or cell membrane crushing apparatus 100 of the present disclosure only needs to include one or more fixed disks 140 and one rotating disk 150, but from the viewpoint of crushing efficiency of cell walls or the like, two or more of these disks should be provided. Is preferred.
  • the fixed disk and the rotating disk may be alternately arranged, and two or more fixed disks may be arranged between the rotating disk and the rotating disk.
  • the sizes and shapes of the rotating disk and the fixed disk that are arranged may be unified or different.
  • the gap between the fixed disk and the rotating disk or the gap between the fixed disks is determined by the size (inner diameter, outer diameter) of the rotating disk and fixed disk to be used, the rotational speed of the rotating disk, the properties of the object, the processing amount, etc. Although it should be and does not specifically limit this invention, it is preferable that they are 5 mm or more, 7 mm or more, or 9 mm or more, 30 mm or less, 20 mm or less, or 15 mm or less. Among these, the range of 10 mm to 11 mm is preferable in consideration of shearing force and cavitation.
  • the intervals between the disks may be constant or different, but are preferably different.
  • the interval between the disks can be increased continuously, stepwise, or partially from the inlet side toward the outlet side.
  • the distance between the disks can be 10 mm from the inlet to the vicinity of the center of the apparatus, and the distance between the disks can be gradually increased to 11 mm from the vicinity of the center of the apparatus to the outlet.
  • the interval between the disks is reduced in the vicinity of the insertion port, the flow rate of the object is increased, and the crushability of the cell wall and the like is improved.
  • the interval between the disks is increased in the vicinity of the discharge port, the flow rate of the object becomes gentle, so that clogging of the object in the apparatus can be prevented.
  • the cell wall or cell membrane crusher 100 of the present disclosure may further include a disk gap adjusting unit that adjusts the disk gap.
  • the disk gap adjusting means When the disk gap adjusting means is employed, the disk gap can be suitably adjusted in consideration of the properties of the object to be processed, so that the cell wall or cell membrane crushing device of the present disclosure can be used more effectively. .
  • the rotating shaft 130 is located in the center horizontal direction of the cell wall or cell membrane crushing apparatus 100, and is for fixing and driving the rotating disk 150.
  • the rotating shaft 130 may be provided with a decompression unit 190 shown below. If the pressure can be reduced through the rotating shaft 130, the inside of the apparatus can be uniformly reduced.
  • the casing 160 is a member that covers the outer periphery of the cell wall or the cell membrane crushing apparatus 100, and the shape, size, material, and the like may be adjusted as appropriate according to the intended use of the apparatus. In consideration of generation of shearing force and production cost, a cylindrical housing made of stainless steel (SUS316 or the like) is preferable.
  • the decompression means 190 has a function of generating a pressure difference between the inside and outside of a cell such as a microorganism to facilitate crushing of the cell wall and the like.
  • a cell such as a microorganism
  • the decompression means 190 since the cell wall and the like are crushed by adopting the decompression means 190, it is no longer necessary to use an alkali treatment or a heating treatment at 50 ° C. or higher, which has been conventionally used. Therefore, compared with the conventional apparatus and equipment, the equipment space can be simplified and the running cost can be greatly reduced.
  • the cell wall or cell membrane crusher 100 of the present disclosure does not limit the use of alkali treatment, heating treatment at 50 ° C. or higher, and the like. Needless to say, when these treatments are used in combination, the disruption of cell walls and the like is further improved as compared with conventional devices and equipment.
  • the decompression conditions in the cell wall or cell membrane crushing apparatus can be adjusted as appropriate according to the type and amount of the object, and are not limited to the following ranges.
  • the pressure in the cell wall or cell membrane crusher can be reduced to ⁇ 0.1 MPa or less, ⁇ 0.09 MPa or less, or ⁇ 0.08 MPa or less by a decompression unit.
  • the pressure is preferably ⁇ 0.080 MPa ( ⁇ 80 kPa) or less, ⁇ 0.065 MPa ( ⁇ 65 kPa) or less, or ⁇ 0.060 MPa ( ⁇ 60 kPa) or less.
  • the lower limit of the pressure is not particularly limited, but is set to ⁇ 0.01 kPa ( ⁇ 0.00001 MPa) or more, ⁇ 0.05 kPa ( ⁇ 0.00005 MPa) or more, or ⁇ 0.1 kPa ( ⁇ 0.0001 MPa) or more. Also good.
  • the pressure range is preferably -0.01 kPa to -0.080 MPa, more preferably -0.05 kPa to -0.065 MPa, and most preferably -0.1 kPa to -0.060 MPa. These pressure values are expressed in gauge pressure with reference to atmospheric pressure (zero). Note that the reduced pressure is a concept including a negative pressure.
  • the pressure reducing means 190 is not limited to these, a pressure reducing pump such as a rotary pump or a dry pump can be used.
  • the decompression means 190 may be provided integrally with the cell wall or cell membrane crusher 100. In this case, the decompression unit 190 can be disposed at one or more locations selected from the group of the inlet 170, the casing 160, the rotating shaft 130, and the outlet 180. Alternatively, the decompression unit 190 may be arranged separately from the cell wall or cell membrane crusher 100. In this case, the decompression unit 190 can be disposed at one or more locations selected from the group of the input port 170, the housing 160, the drive unit 130, and the discharge port 180 via a pipe or the like.
  • a land-type pump 815 is installed between a pretreatment reservoir 805 for storing an object such as sludge and a cell wall or cell membrane crusher 800.
  • a land-type pump for example, a single screw pump can be used. Among these, a single screw pump excellent in performance such as suction is preferable.
  • MONO PUMP registered trademark manufactured by Hyojin Equipment Co., Ltd. can be used.
  • the land-type pump 815 is installed between the cell wall or cell membrane crushing apparatus 800 and the post-treatment storage tank 825 for storing the object processed by the apparatus.
  • the cell wall or cell membrane crushing apparatus 800 receives the suction force based on the land-type pump 815, so that the inside of the apparatus is decompressed.
  • the cell wall or the cell membrane crusher 800 is filled with the object.
  • the suction force is weak and may be subject to installation restrictions, a single screw pump type that is excellent in suction force is desirable. Therefore, in the case of the installation configuration, it is preferable that the object is introduced from the lower part of the apparatus and discharged from the upper part (in this case, the object flow 105 in FIG. 1 is in the reverse direction, and 170 is the discharge port, 180 is the slot.) In the case of the installation configuration of FIG.
  • the equipment can be further simplified as compared with the installation configuration of FIG. 8A.
  • the above-described decompression pump may be used in combination.
  • the structure of FIG. 8B intends to introduce
  • transduce a target object into the cell wall or cell membrane crushing apparatus 800 using the dead weight of a target object from the lower part of the storage tank before a process the storage tank 805 before a process and a cell wall
  • the land-type pump 815 is not installed between the cell membrane crusher 800.
  • a land-type pump 815 may be further installed between the pre-treatment reservoir 805 and the cell wall or cell membrane crusher 800 to take out the object from the upper part of the pre-treatment reservoir.
  • . 8B shows an example in which a land-type pump 815 is disposed between the cell wall or cell membrane crushing apparatus 800 and the post-treatment storage tank 825.
  • the land-type pump 815 includes the cell wall or cell membrane crushing apparatus 800. It only needs to be installed after the discharge port.
  • the rear stage of the land-type pump 815 is not limited to the post-treatment storage tank 825, and various processing apparatuses may be arranged, or the rear stage of the land-type pump 815 may be directly connected to predetermined various facilities. .
  • this submersible pump should just be installed in the position immersed in the target by the side of the discharge port after the last fixed disk in the cell wall or the cell membrane crushing apparatus 800.
  • the cell wall or cell membrane crusher 100 of the present disclosure may further include a heating means.
  • a heating means a conventionally used heating means of 50 ° C. or higher can also be used. However, it is preferable not to employ a heating means of 170 ° C. or higher, 150 ° C. or higher, or 120 ° C. or higher because of increased energy costs and the possibility of causing problems in the cell wall or cell membrane crushing apparatus.
  • the heating means of 30 degreeC or more and less than 50 degreeC which has not been used conventionally can also be used. Conventional heating means of 50 ° C. or higher is employed for the purpose of making cell walls and the like flexible.
  • the cell wall or cell membrane crushing apparatus 100 of the present disclosure includes the decompression unit 190, cavitation is easily generated even when heating at 30 ° C. or more and less than 50 ° C., and the crushing of the cell wall or the like can be further improved.
  • heating means known means such as exhaust heat discharged from a steam jacket, a heater, equipment, solar heat, geothermal heat, underground heat, etc. can be used.
  • the heating means may be provided integrally with the cell wall or cell membrane crushing device, or may be arranged separately from the device.
  • the target object to be introduced into the cell wall or cell membrane crushing apparatus of the present disclosure is a liquid fluid having a moisture content of 89% or more, 90% or more, or 91% or more. If the water content of the object is less than 89%, it becomes a clay-like (sludge-like) substance having a high viscosity, and if it is 80% or less, the substance itself can be carried as an object. It cannot be crushed by the device.
  • a target object contains at least 1 sort (s) selected from the group (microbe group) of plants, such as fungi, microorganisms, algae, vegetable waste, and nonstandard vegetables.
  • sludge organic sludge
  • sewage a culture solution obtained by artificially culturing at least one kind of microorganism group
  • a culture material obtained by dehydrating the culture solution and at least one microorganism group.
  • a concentrated liquid or concentrated substance obtained by concentrating seeds, and odorous food such as konjac obtained by processing konjac koji can be used as the object.
  • the object may be put into the cell wall or cell membrane crushing apparatus as it is, or after adding water or the like or dehydrating it and adjusting the solid content (water content) as appropriate.
  • the cell wall or cell membrane crushing apparatus of the present disclosure can be used for various applications and is not limited to the following applications.
  • the cell wall or cell membrane crusher of this indication can be used for volume reduction of sludge.
  • the sludge treated by the cell wall or cell membrane crushing device crushes the cell walls of cells such as microorganisms contained in the sludge.
  • proteins, carbohydrates, fats, nitrogen, phosphorus, H 2 O, and other components contained in the cells are eluted and reduced in molecular weight. Since the water eluted by hydrolysis can be removed in the subsequent dehydration step, lowering the molecular weight to H 2 O can contribute to a reduction in the sludge moisture content.
  • the microorganisms and the like in the sludge treated by the cell wall or cell membrane crushing apparatus of the present disclosure are efficiently crushed and reduced in molecular weight to components such as nitrogen, phosphorus, and H 2 O. Since the sludge after dehydration contains more fertilizer components such as nitrogen and phosphorus than the conventional sludge, a fertilizer with excellent quality can be obtained.
  • the microorganisms and the like in the sludge treated by the cell wall or cell membrane crushing apparatus of the present disclosure are efficiently crushed and reduced in molecular weight to components such as nitrogen, phosphorus, and H 2 O. Many of these components are also contained in the treated separation liquid obtained from the treated sludge. Since these low molecular weight components are efficiently absorbed by algae, microorganisms, and the like, they can be effectively used as a culture solution for algae, microorganisms, and the like. In particular, since algae performs photosynthesis, improvement in algal culture efficiency can contribute to carbon offset of CO 2 that is a greenhouse gas.
  • the sewage and / or sludge treated by the cell wall or cell membrane crushing apparatus of the present disclosure is efficiently crushed and low-molecular-weight by components such as nitrogen, phosphorus, H 2 O, etc. Odor can be eliminated.
  • the deodorization performance can be adjusted as appropriate by defining the number of rotations of the rotating disk in consideration of the type of object, the amount of input, the temperature, and the like.
  • this deodorization treatment can be applied to odorous foods such as konjac.
  • the microorganisms and the like in the sludge treated by the cell wall or cell membrane crushing apparatus of the present disclosure are efficiently crushed and reduced in molecular weight to components such as proteins, carbohydrates, and fats. Since these low molecular weight components greatly improve the metabolic efficiency of methane bacteria, hydrogen fermenting bacteria, and the like, the fermentation efficiency of biogas such as methane and hydrogen can be improved more than twice the conventional efficiency. For example, the amount of methane gas generated is increased by 2 to 3 times when the treated sludge and / or treated separation liquid treated by the cell wall or cell membrane crushing apparatus is used compared to the sludge not treated. Further, CO 2 can be increased in proportion, and the fermentation period can be shortened as compared with the conventional one. The generated CO 2 can be recovered and used for culturing algae and the like.
  • fungi, microorganisms, algae, plants, etc. are also crushed into low-molecular components such as carbohydrates, fats, nitrogen, phosphorus, and H 2 O. It becomes. These low molecular weight components have high absorption efficiency from human or animal digestive system, skin and the like. Therefore, it is beneficial to use fungi, microorganisms, algae, plants, etc. treated with a cell wall or cell membrane crushing apparatus for foods, beverages, pharmaceuticals, cosmetics, supplements and the like.
  • the cell wall or cell membrane crushing device of the present disclosure can also treat objects such as fungi, microorganisms, algae, rapeseed and other plants that contain oil as used in various fuels. By treating the object containing oil with the cell wall or cell membrane crushing device of the present disclosure, the oil can be efficiently recovered.
  • the cell wall or cell membrane crushing apparatus of the present disclosure does not need to use a conventional pH adjusting tank and a heating means of 50 ° C. or more by adopting a decompression means. For this reason, since the component reduced in molecular weight is not denatured or decomposed, these components can be effectively used as compared with the conventional apparatus.
  • Example 1 A cell wall or cell membrane crushing apparatus having the configuration shown in FIG. 1 (where 170 is a discharge port, 180 is an input port, and a uniaxial screw pump and a pressure reduction pump are employed in the subsequent stage of the discharge port instead of the pressure reduction means 190).
  • the processing conditions were such that the rotational speed of the rotating disk was 3500 min ⁇ 1 , the peripheral speed was 50 m / s, the decompression condition was ⁇ 0.01 MPa, and the processing time was 60 minutes.
  • Anaerobic treatment is a biological process in which organic matter contained in sludge is decomposed and converted to methane gas by the metabolic action of microorganisms such as methane bacteria under anaerobic conditions without oxygen.
  • FIG. 4A shows the cumulative amount of methane gas generated with respect to the elapsed time
  • FIG. 4B shows the methane gas conversion rate with respect to the elapsed time.
  • the methane gas conversion rate represents how much the input substrate can be recovered as methane gas.
  • the gas generation amount by the self digestion of the input digested sludge is deducted.
  • FIG. 4A and FIG. 4B it was confirmed that the amount of methane gas generated and the conversion rate were significantly improved in the system in which surplus sludge after treatment with the cell wall or cell membrane crusher was added.
  • Table 2 shows the digested sludge and substrate used in each operating condition. Every day, the digested sludge was sampled from the digestion bottle in the amount described in Table 1. After sampling, the same amount of substrate was added to the digestion bottle. The treated sludge obtained in Example 1 was used as the excess sludge after treatment with the cell wall or cell membrane crusher as a substrate. During the experiment, the digestion bottle was kept at about 36 ° C. while stirring with a stirrer. The suspended matter concentration (MLSS) and volatile suspended matter concentration (MLVSS) were measured for each sample. The results are shown in Table 3. In addition, the decreasing rate of MLSS and MLVSS in Table 3 is expressed as a relative value based on untreated sludge (Comparative Examples 2 and 3).
  • FIG. 5A shows comparative data on the cumulative amount of methane gas generated
  • FIG. 5B shows comparative data on the methane gas conversion rate.
  • Example 3 in the operating condition 1, the MLSS and MLVSS reduction rates of the treated sludge (Example 3) increased by 1.20 times and 1.17 times, respectively. Also in the operating condition 2, the MLSS and MLVSS reduction rates of the treated sludge (Example 4) increased 1.10 times and 1.17 times, respectively. In Example 5, both the MLSS and MLVSS reduction rates were inferior to those of Comparative Example 3. The reason for this is considered to be that in the case of Example 5, the substrate load on the seed sludge was too high to be digested. As can be seen from these results, it has been clarified that the final treatment period of sludge can be shortened by 10 days or more as compared with the conventional mode in which the cell wall or cell membrane crushing apparatus is not used.
  • the aerobic treatment experimental apparatus is composed of an aeration tank and a precipitation tank.
  • the glucose of the input substrate which is the main carbon source, was supplied into the aeration tank so that the inflow BOD was about 200 mg / L.
  • the activated sludge charged into the aeration tank was set to 20 L
  • the residence time was set to 24 hours
  • the MLSS in the aeration tank was set to 1,000 to 2,000 mg / L.
  • the number of days for the continuous experiment was 20 days.
  • the amount of sludge produced in the system of Example 6 was reduced by 62% compared to the system of Comparative Example 4. This is considered to be because the sludge treated with the cell wall or cell membrane crusher and returned to the aeration tank was efficiently biodegraded and reduced in volume.
  • Table 4 it was confirmed that the amount of MLSS was lower in the system of Example 6 from the start to the end than in the system of Comparative Example 4.
  • Table 4 the water quality of the treated water of Example 6 is almost the same as that of Comparative Example 4, so that it was confirmed that the system of Example 6 was able to operate in a good state.
  • Example 7 The cultured high-density algae culture solution was treated with a cell wall or cell membrane crusher.
  • the processing conditions of the cell wall or cell membrane crusher were the same as those in Example 1 except that the processing time was changed to 10 minutes, 20 minutes, and 30 minutes.
  • 100 mL of each of the crushed algae culture solution and the crushed algae culture solution was collected in a beaker, and then nanobubbles were passed through the beaker for 10 seconds to collect lipids from the algae.
  • FIG. 7A As can be seen from FIG. 7A, it was confirmed that the lipid can be efficiently recovered from the algae culture solution when the treatment time is about 20 to 30 minutes.
  • the recovery process using nanobubbles is effective not only for the recovery of algae lipids but also for the recovery of oil contained in algae and microorganisms.
  • the algae culture liquid (alga liquid) crushed for 30 minutes with the cell wall or cell membrane crusher was subjected to hydrogen fermentation.
  • the anaerobic digestive liquid used in the sewage treatment plant was used as an inoculum for hydrogen fermentation.
  • Example 7B in the system of Comparative Example 5, almost no hydrogen was generated at any mixing ratio, whereas in Example 7, the crushed algal fluid and digested bacteria were mixed at 5: 5. In addition, it was confirmed that 0.9 mL of hydrogen gas was generated per 1 g of dry alga bodies. From the above, it was confirmed that the cell wall or cell membrane crusher can contribute to the generation of hydrogen produced as a byproduct of methane fermentation.

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Abstract

固定ディスク、回転ディスク、該回転ディスクを駆動するための回転軸、減圧手段及び筐体を備える、細胞壁又は細胞膜破砕装置であって、固定ディスク及び回転ディスクの少なくとも１組は対向して配置されており、固定ディスクの中心部は、該中心部を通る回転軸の外径よりも大きい空洞部を有し、回転ディスクと固定ディスクとの間で発生した剪断力が、装置内に投入された含水率８９％以上の対象物の流体に適用され、細胞壁又は細胞膜破砕装置内の圧力が、減圧手段によって－０．０８ＭＰａ以下に減圧される、有機汚泥などに含まれる、微生物、藻類などが有する細胞壁及び／又は細胞膜を破砕する装置の提供。該装置は、バイオガスの増量、汚泥の減量、藻類の培養、植物栽培、水産物の培養等に貢献することができ、例えばＣＨ４、ＣＯ２を分離して資源に繋げることもできる。

Description

細胞壁又は細胞膜破砕装置及び該装置の使用方法
　本開示は、微生物、藻類などが有する細胞壁及び／又は細胞膜を破砕する装置及び該装置の使用方法に関する。
　有機汚泥等に含まれる微生物、藻類などは種々の有用な資源（例えば、タンパク質、脂肪、炭水化物）を含んでいる。しかしながら、この有用な資源を回収するためには、微生物等を構成する細胞壁及び／又は細胞膜（以下、「細胞壁等」という場合がある。）を破砕する必要がある。微生物等を構成する細胞壁等は非常に強固な膜で構成されているため、この細胞壁等を破砕するためには、高度な技術及び複雑な設備を一般的に必要とする。その結果、従来の方法及び設備はランニングコストの増加をもたらしていた。
　例えば、特許文献１には、有機性汚水の生物学的処理によって発生する汚泥を破砕する汚泥破砕装置であって、高速回転する回転ディスクと、該回転ディスクを駆動する駆動手段とを備え、回転ディスクに対向し、中心部に汚泥吸入口を有する固定ディスクを更に備え、該固定ディスクと該回転ディスクとの間に概ね５ｍｍ以上のディスク間隙を設け、主として該回転ディスクの回転剪断力によって汚泥を破砕する、汚泥破砕装置が開示されている。
　特許文献２には、廃水処理で発生する汚泥を、汚泥分解工程で汚泥を分解した後、超音波処理工程で超音波処理して、メタン発酵工程で処理する、汚泥処理方法が開示されている。
特許第３７３１２０４号公報 特開２００２－３３６８９８号公報
　微生物、藻類などを利用して、バイオガス（メタン、水素など）及び油の生成；ＣＯ２、リン、窒素等の成分の回収；及び食品又は化粧品等の製造が望まれている。例えば、微生物、藻類などを含む汚泥の減容化、資材化、緑地還元化なども望まれている。その結果、微生物、藻類などを連続的に破砕及び分解し、これらが有する成分を低コストで効率よく消化及び／又は回収する技術が強く求められている。
　例えば、活性汚泥の濃縮槽の余剰汚泥における有機性汚泥の消化は、汚泥中の微生物等の可溶化及び加水分解を経て、水及び二酸化炭素を生成することで行われる。しかしながら、微生物等に含まれる、タンパク質、有機酸、脂質、炭水化物などの細胞内高分子物質の溶出と、これらの物質の加水分解による低分子化とが律速となるため、活性汚泥の濃縮槽での有機性汚泥の消化は長い消化日数を要していた。したがって、活性汚泥の濃縮槽での余剰汚泥及び初沈汚泥の消化効率を向上させるために、汚泥中の微生物等の細胞壁等を破砕して低分子化、可溶化させる技術が望まれている。
　細胞壁等を破砕して低分子化、可溶化させる従来技術として、超音波等の高エネルギー破砕法；オゾン酸化、アルカリ処理等の化学的分解法；ホモジナイザー、ミル等による機械的破砕法などが挙げられる。細胞壁等を破砕し易くするために、５０℃以上の加温手段をさらに採用する場合もあった。
　しかしながら、超音波、オゾン、アルカリを利用する方法は、装置の維持管理のコストが増大するという問題がある。ホモジナイザー、ミル等による機械的破砕法は、その処理効率が低いので、複雑で大型な装置にする必要があるため、同様に、コストが増大するという問題がある。
　したがって、本開示は、低コストで効率よく微生物などが有する細胞壁等を破砕することができる装置、及び該装置の使用方法を提供する。
　本開示の一実施態様によれば、固定ディスク、回転ディスク、回転ディスクを駆動するための回転軸、減圧手段及び筐体を備える、細胞壁又は細胞膜破砕装置であって、固定ディスク及び回転ディスクの少なくとも１組は対向して配置されており、固定ディスクの中心部は、該中心部を通る回転軸の外径よりも大きい空洞部を有し、回転ディスクと固定ディスクとの間で発生した剪断力が、装置内に投入された含水率８９％以上の対象物の流体に適用され、細胞壁又は細胞膜破砕装置内の圧力が、減圧手段によって－０．０８ＭＰａ以下に減圧される、細胞壁又は細胞膜破砕装置が提供される。
　本開示の別の実施態様によれば、固定ディスク、回転ディスク、該回転ディスクを駆動するための回転軸、陸上式ポンプ及び／又は水中ポンプの吸引力による減圧手段及び筐体を備える、細胞壁又は細胞膜破砕装置であって、固定ディスク及び回転ディスクの少なくとも１組は対向して配置されており、固定ディスクの中心部は、該中心部を通る回転軸の外径よりも大きい空洞部を有し、回転ディスクと固定ディスクとの間で発生した剪断力が、装置内に投入された含水率８９％以上の対象物の流体に適用され、陸上式ポンプを使用する場合には、該陸上式ポンプは装置の吐出口以降に設置され、水中ポンプを使用する場合には、該水中ポンプは装置内の最終固定ディスク以降の吐出口側に設置されている、細胞壁又は細胞膜破砕装置が提供される。
　本開示の別の実施態様によれば、上述の細胞壁又は細胞膜破砕装置によって汚泥を処理する工程を備える、汚泥の減容化方法が提供される。
　本開示の別の実施態様によれば、上述の細胞壁又は細胞膜破砕装置によって汚泥を処理する工程、及び汚泥を処理する工程から得られた処理汚泥を肥料化する工程を備える、汚泥の肥料調製方法が提供される。
　本開示の別の実施態様によれば、上述の細胞壁又は細胞膜破砕装置によって汚泥を処理する工程、及び汚泥を処理する工程から得られた処理分離液を培養液として採取する工程を備える、汚泥の培養液調製方法が提供される。
　本開示の別の実施態様によれば、上述の細胞壁又は細胞膜破砕装置によって汚水及び／若しくは汚泥、又は臭気性食品を処理する工程を備える、脱臭方法が提供される。
　本開示の別の実施態様によれば、上述の細胞壁又は細胞膜破砕装置によって汚泥を処理する工程、並びに汚泥を処理する工程から得られた処理汚泥及び／又は処理分離液をバイオガス発酵槽に提供する工程を備える、バイオガスの発酵方法が提供される。
　本開示の別の実施態様によれば、上述の細胞壁又は細胞膜破砕装置によって、菌類、微生物、藻類、及び植物の群（以下、「微生物群」という場合がある。）から選択される少なくとも１種を含む対象物を処理する工程を備える、食品、飲料、医薬品、サプリメント類又は化粧品の製造方法が提供される。
　本開示の別の実施態様によれば、上述の細胞壁又は細胞膜破砕装置によって、菌類、微生物、藻類、及び植物の群から選択される少なくとも１種の油分を含む対象物（例えば汚泥）を処理する工程を備える、油分回収方法が提供される。
　本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置は、少なくとも、固定ディスク、回転ディスク、回転ディスクを駆動するための回転軸、減圧手段及び筐体という簡素な構成を備えていればよいため、装置の維持管理が容易で、低コストの装置を提供できる。
　従来の装置は、細胞壁等を破砕するために、アルカリ処理、５０℃以上の加温処理等の設備が別途必要であった。しかしながら、本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置は減圧手段を備えるため、アルカリ処理、５０℃以上の加温処理等の設備を備える必要性がない。その結果、従来の装置及び設備に比べて、ランニングコストを大幅に削減することができる。
　本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置を、汚泥の減容化方法、汚泥の肥料調製方法、汚泥の培養液調製方法、脱臭方法、バイオガスの発酵方法、食品、飲料、医薬品、サプリメント類又は化粧品の製造方法、油分回収方法等に用いることができる。本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置は、微生物等に含まれる有効成分に悪影響を及ぼすことなく、その細胞壁等を十分に破砕することができるので、上述の各方法における効率を向上させることができる。
　なお、上述の記載は、本発明の全ての実施態様及び本発明に関する全ての利点を開示したものとみなしてはならない。
本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置の概略断面図である。 図１におけるＡ－Ａ’面の断面拡大図である。 図１におけるＡ－Ａ’近傍の回転ディスクの拡大図である。 遠心濃縮した汚泥の顕微鏡写真（１５０倍）である。 細胞壁又は細胞膜破砕装置処理後の汚泥の顕微鏡写真（１５０倍）である。 嫌気的条件下での回分式試験におけるメタンガスの累積発生量を示す図である。 嫌気的条件下での回分式試験におけるメタンガスへの転換効率を示す図である。 嫌気的条件下での連続式型試験におけるメタンガスの累積発生量を示す図である。 嫌気的条件下での連続式試験におけるメタンガスへの転換効率を示す図である。 好気的条件下での連続式試験における余剰汚泥の発生量を示す図である。 破砕処理時間（分）と乾燥藻体１ｇ当たりからの油脂回収量（ｍｇ）との相関を示す図である。 破砕藻体と乾燥藻体１ｇ当たりからの水素発生量（ｍＬ）との相関を示す図である。 本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置を備える設備工程の第１の概略図である。 本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置を備える設備工程の第２の概略図である。
　本開示の第１の実施態様における細胞壁又は細胞膜破砕装置は、固定ディスク、回転ディスク、回転ディスクを駆動するための回転軸、減圧手段及び筐体を備える、細胞壁又は細胞膜破砕装置であって、固定ディスク及び回転ディスクの少なくとも１組は対向して配置されており、固定ディスクの中心部は、該中心部を通る回転軸の外径よりも大きい空洞部を有し、回転ディスクと固定ディスクとの間で発生した剪断力が、装置内に投入された含水率８９％以上の対象物の流体に適用される。本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置は簡素な構成であるため、装置の維持管理が容易であり、また、装置の製造コストを削減することができる。減圧手段を採用した結果、従来の装置で必須であったアルカリ処理、加温処理等の設備が必要なくなったため、ランニングコストを大幅に削減することができる。
　本開示の第２の実施態様における細胞壁又は細胞膜破砕装置は、固定ディスク、回転ディスク、該回転ディスクを駆動するための回転軸、陸上式ポンプ及び／又は水中ポンプの吸引力による減圧手段及び筐体を備える、細胞壁又は細胞膜破砕装置であって、固定ディスク及び回転ディスクの少なくとも１組は対向して配置されており、固定ディスクの中心部は、該中心部を通る回転軸の外径よりも大きい空洞部を有し、回転ディスクと固定ディスクとの間で発生した剪断力が、装置内に投入された含水率８９％以上の対象物の流体に適用され、陸上式ポンプを使用する場合には、該陸上式ポンプは装置の吐出口以降に設置され、水中ポンプを使用する場合には、該水中ポンプは装置内の最終固定ディスク以降の吐出口側に設置されている。本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置は、減圧ポンプに限らず、陸上式ポンプ、水中ポンプを使用して装置内を減圧することができるため、メンテナンスがしやすく、減圧ポンプを使用する場合に比べて維持費を大幅に削減することができる。
　第１又は第２の実施態様における細胞壁又は細胞膜破砕装置は、装置内の圧力を、減圧手段によって－０．０８ＭＰａ以下に減圧することができる。装置内の圧力がこの範囲であると、細胞壁等より内部の圧力と細胞壁等より外部の圧力との間に圧力差が生じるため、細胞壁等が破砕しやすい条件となる。加えて、圧力の低下に伴い、固定ディスク及び回転ディスク間の剪断力が上昇し、細胞壁等が破砕しやすくなるとともに、キャビテーションも同時に発生するため、細胞壁等がより破砕しやすい条件となる。
　第２の実施態様における細胞壁又は細胞膜破砕装置の陸上式ポンプは、一軸ねじ式ポンプであってもよい。一軸ねじ式ポンプは陸上式ポンプの中でも吸引力に優れるため好ましい。
　第１又は第２の実施態様における細胞壁又は細胞膜破砕装置の回転ディスクは、１０ｍ／ｓ以上の周速で回転することができる。回転ディスクの周速が１０ｍ／ｓ以上であると、固定ディスク及び回転ディスク間の剪断力等が向上し、細胞壁等をより効率的に破砕することができる。
　第１又は第２の実施態様における細胞壁又は細胞膜破砕装置は、固定ディスク及び／又は回転ディスクを２つ以上備えることができる。固定ディスク及び／又は回転ディスクを２つ以上備えることによって、細胞壁等を短時間でより効率的に破砕することができる。
　第１又は第２の実施態様における細胞壁又は細胞膜破砕装置における固定ディスクと回転ディスクとの間隙は、５ｍｍ～３０ｍｍにすることができる。固定ディスクと回転ディスクとの間隙をこの範囲にすると、固定ディスク及び回転ディスク間の剪断力等が向上し、細胞壁等をより効率的に破砕することができる。
　第１又は第２の実施態様における細胞壁又は細胞膜破砕装置における回転ディスク及び／又は固定ディスクの表面は鏡面又は粗面であってもよい。ディスクの表面を鏡面にした場合は、対象物は流動し易くなるため、対象物の流速を向上させることができ、粗面にした場合は、ディスク表面の摩擦力又は表面積が増大するため、細胞壁等の破砕に必要な剪断力等をより有効に対象物に作用させることができる。
　第１又は第２の実施態様における細胞壁又は細胞膜破砕装置に投入する対象物が、菌類、微生物、藻類、及び植物の群から選択される少なくとも１種を含んでもよい。また、対象物として、汚泥を使用してもよい。
　第１又は第２の実施態様における細胞壁又は細胞膜破砕装置を、汚泥の減容化方法、汚泥の肥料調製方法、汚泥の培養液調製方法、脱臭方法、バイオガスの発酵方法、食品、飲料、医薬品、サプリメント類又は化粧品の製造方法、油分回収方法に使用することができる。この細胞壁又は細胞膜破砕装置によって処理された微生物等を含む対象物は、細胞壁等が十分に破砕されているため、上述の各方法における効率を向上させることができる。
　以下、本発明の代表的な実施態様を例示する目的で、図面を参照しながらより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施態様に限定されない。図面の参照番号について、異なる図面において類似する番号が付された要素は、類似又は対応する要素であることを示す。
　本開示において「キャビテーション」とは、細胞壁又は細胞膜破砕装置内を移動する流体中の低圧力部の気化によって気泡（ポケット）が瞬間的に発生し、それがつぶれて消滅する現象であると考えている。キャビテーションにおける気泡が崩壊するときに発生する局部的な衝撃力は１００ＭＰａ～数ＧＰａ、温度環境は１，２００℃以上といわれている。この時、より強力な剪断力が働き、細胞壁等がより破砕され易くなると考えている。
　本開示において「バイオガス」とは、バイオ燃料の一種で、汚泥、汚水の発酵などにより発生するガス（メタンガス、水素ガスなど）を意味する。
　本開示において「汚泥」とは、下水処理場の処理過程、工場の廃液処理過程などで生じる、有機物の最終生成物を固形分として含む液状の物質を意味する。「汚泥」は、活性汚泥法によって発生する「余剰汚泥」も包含する。「余剰汚泥」とは、活性汚泥反応槽で処理した処理液を最終沈殿池などに導入し、そこで沈降分離した活性汚泥のうち、返送汚泥として活性汚泥反応槽に戻される部分を除いた部分である。余剰汚泥は、主として、汚水中の溶存性有機物を基質にして増殖した微生物、及び該微生物を捕食して増殖した原生動物からなっている。
　本開示において、「浮遊物質濃度（ＭＬＳＳ）」とは、活性汚泥法における曝気槽又はエアーレーションタンク（反応槽）内の活性汚泥量をｍｇ／Ｌで表したものを意味し；「揮発性浮遊物質濃度（ＭＬＶＳＳ）」とは、ＭＬＳＳの強熱減量（ＶＳ）をｍｇ／Ｌで表わしたものを意味し；「浮遊物質（ＳＳ）」とは、水中を浮遊している物質全般を意味し；「生物化学的酸素要求量（ＢＯＤ）」とは、水中の好気性微生物によって消費される溶存酸素量を意味し；「全有機炭素量（ＴＯＣ）」とは、水中に存在する有機物中の炭素量を意味し；「溶存有機炭素量（ＤＯＣ）」とは、水中に溶存している有機物中の炭素量を意味し；「全窒素量（Ｔ－Ｎ）」とは、水中に存在する窒素化合物の全体量を意味し；「全リン量（Ｔ－Ｐ）」とは、水中に存在するリン化合物の全体量を意味する。浮遊物質濃度（ＭＬＳＳ）及び浮遊物質（ＳＳ）は、下水道試験方法（公益社団法人　日本下水道協会、１９９７年、第２編、第２章、第１２節の２）に準拠し、遠心分離法を採用して測定した。
　図１に、本開示の第１の実施態様による細胞壁又は細胞膜破砕装置１００の概略断面図を示す。細胞壁又は細胞膜破砕装置１００は、筐体１６０と、該筐体１６０の内面に配置される固定ディスク１４０と、回転ディスク１５０と、細胞壁又は細胞膜破砕装置１００の中心水平方向に位置し、回転ディスク１５０を固定して駆動させるための回転軸１３０と、投入口１７０と、吐出口１８０と、減圧手段１９０とを備える。細胞壁又は細胞膜破砕装置１００は、回転軸１３０を駆動させるためのインバーター１１０及びモーター１２０を備えることができる。インバーター１１０及びモーター１２０は、細胞壁又は細胞膜破砕装置１００と一体的に構成されてもよく、細胞壁又は細胞膜破砕装置１００の外部に配置してもよい。対象物の種類、量などに応じて、周速を適宜調整し得るため、インバーターの使用が好ましいが、インバーターに換えて、スターデルタ（Ｙ-Δ）方式のモーター等を採用してもよい。
　投入口１７０に投入した対象物は、図１の対象物の流れ１０５のように、固定ディスク１４０と回転ディスク１５０との間を流れ、吐出口１８０から排出される。投入口１７０と吐出口１８０とは逆に配置されてもよい。固定ディスク１４０と回転ディスク１５０との間及び／又は固定ディスク１４０と固定ディスク１４０との間（以下、「各ディスク間」という場合がある。）、並びに回転ディスク１５０と筐体１６０の内面との間及び固定ディスク１４０と回転軸１３０の外面との間に生じる剪断力等のエネルギーによって、対象物に含まれる微生物等の細胞壁等が破砕される（図３Ａ及び図３Ｂ）。
　次の理論に制限されるものではないが、各ディスク間には、剪断力に加えて、キャビテーションも発生していると考えられている。例えば、図２Ａ及び図２Ｂは、図１における細胞壁又は細胞膜破砕装置１００のＡ－Ａ’面の断面拡大図及びＡ－Ａ’近傍の回転ディスクの拡大図を示す。投入された対象物は装置内を高速で流れるため、対象物中に圧力の低い部分が形成される。この低圧力部によって対象物中の水分等が蒸気化して気泡が生じ、クラウド２９５（液体及び気体の混合部）が対象物中に形成される。クラウド中の気泡が潰れて消滅する際に、瞬間的に非常に高い圧力（衝撃力）が加わる。この高圧に基づくエネルギーも、細胞壁等の破砕に剪断力として貢献していると考えている。
　細胞壁又は細胞膜破砕装置１００を構成する各種部材は、用途に応じて種々の材料を使用することができる。これらに限定されないが、例えば、鉄、ステンレス等の金属又は金属合金、セラミックス、ガラス、プラスチック、炭素繊維及び／又はガラス繊維を含む強化樹脂、ゴムからなる群から選択される１種以上の材料を使用することができる。中でも、強度及び防錆効果に優れるため、ステンレス（ＳＵＳ３１６等）及びセラミックスが好ましい。
　対象物と接触する各種部材（固定ディスク、回転ディスク、筐体の内壁、回転軸の外壁、投入口、吐出口等）の表面は、フッ素樹脂コーティング等による撥水化処理、酸化チタン、酸化ケイ素コーティング等による親水化処理、滑面（鏡面）処理、粗面化処理を適用してもよい。撥水化処理又は親水化処理を適用することにより、対象物に基づく汚れ等の付着を防止することができる。滑面（鏡面）処理を適用することにより、対象物は流動し易くなるため、対象物の流速を向上させることができる。粗面化処理を適用することにより、摩擦力、表面積が増大するため、剪断力、キャビテーションの発生を向上させることができる。撥水処理、親水処理、滑面（鏡面）処理、粗面化処理は、各々併用してもよい。また、これらの処理は、適用する部材の全面又は一部に適用してもよい。粗面化処理としては、エンボス加工、サンドブラスト加工、切削加工、研磨加工、レーザー加工、エッチング加工等の加工処理、凹凸型を使用する成型加工等を挙げることができる。あるいは、固定ディスク等の表面に、粗面を付与し得る部材を、接着剤、溶接、ボルト等を使用して貼り合わせてもよい。粗面は、ランダムな凹凸形状でもよいし、所定の角度及び／又は間隔等を有する溝のような形状でもよい。粗面の大きさ及び形状は、対象物の性状、処理量に応じて適宜調整することができる。
　固定ディスク１４０の中心部は、該中心部を通る回転軸１３０の外径よりも大きい空洞部を有する。固定ディスク１４０は、細胞壁又は細胞膜破砕装置１００に投入される対象物の性状、処理量、筐体の形状、設計意図等に応じて、外径、内径、形状、厚み、数量を適宜調整することができる。細胞壁等の破砕性、製造コスト等を考慮すると、固定ディスク１４０は略円盤状の形態が好ましく、固定ディスク１４０の空洞部も略円形状であることが好ましい。固定ディスク１４０の空洞部の大きさは、対象物の種類、量などに応じて適宜調整することができる。固定ディスク１４０の表面は、剪断力、キャビテーションの発生を阻害しない範囲で、凹状、凸状の傾斜を有していてもよく、中心部の空洞部以外に、ディスク内部又は外周部に貫通孔等を有していてもよい。固定ディスク１４０は、筐体１６０の内壁に対し、接着剤、溶接等により一体化されてもよく、或いは、ボルト等を用いて取り外し可能に取り付けられていてもよい。また、固定ディスク１４０及び筐体１６０は、３Ｄプリンター等を利用して一つの材料から構成される一体物とすることもできる。
　回転ディスク１５０は、細胞壁又は細胞膜破砕装置１００に投入される対象物の性状、処理量、筐体の形状、設計意図等に応じて、外径、内径、形状、厚み、数量を適宜調整することができる。細胞壁等の破砕性、製造コスト等を考慮すると、回転ディスク１５０は略円盤状の形態が好ましい。回転ディスク１５０の外周と、筐体の内壁との間の距離についても、対象物の種類、量などに応じて適宜調整することができる。回転ディスク１５０の表面は、剪断力、キャビテーションの発生を阻害しない範囲で、凹状、凸状の傾斜を有していてもよく、ディスク内部又は外周部に貫通孔等を有していてもよい。回転ディスク１５０は、回転軸１３０に対し、接着剤、溶接等により一体化されてもよく、或いは、ボルト等を用いて取り外し可能に取り付けられていてもよい。また、回転ディスク１５０及び回転軸１３０は、３Ｄプリンター等を利用して一つの材料から構成される一体物とすることもできる。
　回転ディスク１５０の回転数及び周速は、対象物の種類、量などに応じて適宜調整することができ、以下の範囲に限定されるものではない。回転ディスク１５０の回転数は、１０００ｍｉｎ－１以上、２０００ｍｉｎ－１以上又は３０００ｍｉｎ－１以上、７０００ｍｉｎ－１以下、６０００ｍｉｎ－１以下又は５０００ｍｉｎ－１以下とすることができる。回転数がこの範囲であると、回転ディスク１５０の周速を所定の範囲に調整することができる。回転ディスク１５０の周速は、２０ｍ／ｓ以上、３０ｍ／ｓ以上又は３５ｍ／ｓ以上、７０ｍ／ｓ以下、６０ｍ／ｓ以下又は５５ｍ／ｓ以下にすることができる。周速がこの範囲であると、対象物の温度上昇に伴う不具合を発生させることなく、細胞壁等を破砕する剪断力等が効率よく得られる。中でも、剪断力に加えてキャビテーションも発生し易くなるため、周速が３７～５２ｍ／ｓの範囲が好ましい。
　本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置１００における固定ディスク１４０は、中心部に空洞部（対象物吸入口）を有し、回転ディスク１５０に対向するように配置されている。固定ディスク１４０は、回転ディスク１５０の遠心力によって、回転ディスク１５０の外周方向に流動した対象物が、再び固定ディスク１４０の空洞部を通り、回転ディスク１５０の中心部に流入するような流れを形成する機能を有する。即ち、固定ディスク１４０は、細胞壁又は細胞膜破砕装置１００内の対象物を均一化させるように機能する。
　本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置１００は、固定ディスク１４０及び回転ディスク１５０を各々１つ以上備えていればよいが、細胞壁等の破砕の効率性の観点から、これらのディスクを２つ以上備えることが好ましい。この場合、固定ディスク及び回転ディスクは交互に配置されてもよく、回転ディスクと回転ディスクとの間に、固定ディスクを２つ以上配置してもよい。配置される回転ディスク及び固定ディスクの大きさ及び形状は、各々、統一されていてもよいし、異なっていてもよい。
　固定ディスク及び回転ディスクの間隙、又は固定ディスク間の間隙は、使用する回転ディスク及び固定ディスクの大きさ（内径、外径）、回転ディスクの回転速度、又は対象物の性状、処理量などによって決定すべきものであって、特に本発明を限定するものではないが、５ｍｍ以上、７ｍｍ以上又は９ｍｍ以上、３０ｍｍ以下、２０ｍｍ以下又は１５ｍｍ以下であることが好ましい。中でも、剪断力、キャビテーションの発生を考慮し、１０ｍｍ～１１ｍｍの範囲が好ましい。各ディスク間の間隔は一定であっても異なっていてもよいが、異なる方が好ましい。各ディスク間の間隔は、投入口側から吐出口側に向かって、連続的、段階的又は部分的に大きくすることができる。例えば、投入口から装置中心部付近までは、各ディスクの間隔を１０ｍｍとし、装置中心部付近から吐出口までは、各ディスクの間隔を１１ｍｍと段階的に大きくすることができる。各ディスクの間隔を投入口付近において狭くすると、対象物の流速が速くなり細胞壁等の破砕性が向上する。一方、各ディスクの間隔を吐出口付近において大きくすると、対象物の流速が緩やかになるため、装置内における対象物の目詰まり等を防止することができる。
　本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置１００は、ディスク間隙を調整するディスク間隙調整手段を更に備えてもよい。ディスク間隙調整手段を採用した場合、処理する対象物の性状などを考慮し、ディスク間隙を好適に調整することができるので、本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置を更に効果的に使用することができる。
　回転軸１３０は、細胞壁又は細胞膜破砕装置１００の中心水平方向に位置し、回転ディスク１５０を固定及び駆動するためのものである。回転軸１３０は、以下に示す減圧手段１９０が備わっていてもよい。回転軸１３０を通じて減圧することができると、装置内部を均一に減圧することができる。
　筐体１６０は、細胞壁又は細胞膜破砕装置１００の外周を覆う部材であり、形状、大きさ、材質等は、装置の使用用途等に応じて適宜調整すればよい。剪断力の発生及び製造コスト等を考慮すると、ステンレス（ＳＵＳ３１６等）からなる円筒形状の筐体が好ましい。
　減圧手段１９０は、微生物等の細胞の内外に圧力差を発生させ、細胞壁等を破砕し易くする機能を有する。また、減圧手段１９０を採用することによって、細胞壁等を破砕するため、従来から使用されてきた、アルカリ処理、５０℃以上の加温処理等を使用する必要性がなくなった。したがって、従来の装置及び設備に比べて、設備スペースを簡略化することができることに加え、ランニングコストも大幅に削減することができる。しかしながら、本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置１００は、アルカリ処理、５０℃以上の加温処理等の使用を制限するものではない。これらの処理を併用すれば、従来の装置及び設備に比べて、細胞壁等の破砕がより向上することは言うまでもない。
　細胞壁又は細胞膜破砕装置内の減圧条件は、対象物の種類、量などに応じて適宜調整することができ、以下の範囲に限定されるものではない。細胞壁又は細胞膜破砕装置内の圧力は、減圧手段によって、－０．１ＭＰａ以下、－０．０９ＭＰａ以下又は－０．０８ＭＰａ以下にすることができる。特に、剪断力、キャビテーションの発生を考慮し、圧力は－０．０８０ＭＰａ（－８０ｋＰａ）以下、－０．０６５ＭＰａ（－６５ｋＰａ）以下又は－０．０６０ＭＰａ（－６０ｋＰａ）以下であることが好ましい。圧力の下限値はとくに制限されるものではないが、－０．０１ｋＰａ（－０．００００１ＭＰａ）以上、－０．０５ｋＰａ（－０．００００５ＭＰａ）以上又は－０．１ｋＰａ（－０．０００１ＭＰａ）以上としてもよい。圧力の範囲としては、－０．０１ｋＰａ～－０．０８０ＭＰａが好ましく、－０．０５ｋＰａ～－０．０６５ＭＰａがより好ましく、－０．１ｋＰａ～－０．０６０ＭＰａが最も好ましい。これらの圧力の値は、大気圧を基準（ゼロ）としたゲージ圧表記である。なお、減圧は負圧を包含する概念を意図している。
　減圧手段１９０としては、これらに限定されないが、例えばロータリーポンプ、ドライポンプのような減圧ポンプを使用することができる。減圧手段１９０は、細胞壁又は細胞膜破砕装置１００に一体的に備わっていてもよい。この場合、減圧手段１９０は、投入口１７０、筐体１６０、回転軸１３０、及び吐出口１８０の群から選択される１箇所以上に配置することができる。或いは、減圧手段１９０は、細胞壁又は細胞膜破砕装置１００とは別に配置されてもよい。この場合、減圧手段１９０は、投入口１７０、筐体１６０、駆動手段１３０、及び吐出口１８０の群から選択される１箇所以上に配管等を介して配置することができる。
　陸上式ポンプ及び／又は水中ポンプを採用することで、細胞壁又は細胞膜破砕装置の内部を減圧化することもできる。一例として、陸上式ポンプを採用する構成に関し、図８Ａ及び図８Ｂを参照して説明するが、これらに限定されるものではない。図８Ａは、陸上式ポンプ８１５を、汚泥等の対象物を貯留する処理前貯留槽８０５と細胞壁又は細胞膜破砕装置８００との間に設置している。陸上式ポンプとしては、例えば一軸ねじ式ポンプを使用することができる。中でも、吸引性等の性能に優れる一軸ねじ式ポンプが好ましい。一軸ねじ式ポンプとしては、兵神装備株式会社製のモーノポンプ（登録商標）などを採用することができる。該設置構成の場合、陸上式ポンプ８１５によって送り出された汚泥等の対象物は、加圧された状態で細胞壁又は細胞膜破砕装置８００に投入される。したがって、このような設置構成においては、上記のような減圧ポンプを細胞壁又は細胞膜破砕装置に適宜適用することが好ましい。一方、図８Ｂは、陸上式ポンプ８１５を、細胞壁又は細胞膜破砕装置８００と、該装置によって処理された対象物を貯留する処理後貯留槽８２５との間に設置している。該設置構成の場合、細胞壁又は細胞膜破砕装置８００は、陸上式ポンプ８１５に基づく吸引力を受けるために装置内部が減圧化される。陸上式ポンプ８１５に基づく吸引力を十分に発揮させるために、細胞壁又は細胞膜破砕装置８００を対象物で充満させた方が好ましい。一般的な陸上式ポンプの場合、吸引力が弱く設置上の制約を受ける場合があるため、吸引力に優れる一軸ねじ式ポンプの様式が望ましい。したがって、該設置構成の場合、対象物を装置の下部より投入して上部より吐き出す構成にすることが好ましい（この場合、図１の対象物の流れ１０５は逆方向になり、１７０が吐出口、１８０が投入口となる。）。図８Ｂの設置構成の場合、減圧ポンプを使用せずに陸上式ポンプのみで減圧化できるため、図８Ａの設置構成に比べて設備をより簡略化することができる。しかしながら、図８Ｂの構成において、上記の減圧ポンプを併用してもよい。また、図８Ｂの構成は、処理前貯留槽の下部から対象物の自重を利用して細胞壁又は細胞膜破砕装置８００に対象物を投入することを意図しているので、処理前貯留槽８０５と細胞壁又は細胞膜破砕装置８００との間に陸上式ポンプ８１５を設置してない。しかしながら、図８Ａと同様に、処理前貯留槽８０５と細胞壁又は細胞膜破砕装置８００との間に陸上式ポンプ８１５を更に設置して、対象物を処理前貯留槽の上部から取り出す構成にしてもよい。なお、図８Ｂは、細胞壁又は細胞膜破砕装置８００と処理後貯留槽８２５との間に陸上式ポンプ８１５を配置した例を記載しているが、陸上式ポンプ８１５は、細胞壁又は細胞膜破砕装置８００の吐出口以降に設置されていればよい。陸上式ポンプ８１５の後段には、処理後貯留槽８２５に限らず、各種の処理装置などを配置してもよく、又は陸上式ポンプ８１５の後段を所定の各種施設などに直接接続してもよい。また、水中ポンプを使用する場合には、該水中ポンプは細胞壁又は細胞膜破砕装置８００内の最終固定ディスク以降の吐出口側の対象物に浸かる位置に設置されていればよい。
　本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置１００は、加温手段を更に備えてもよい。加温手段は、従来より使用されている５０℃以上の加温手段も使用することができる。しかしながら、エネルギーコストの増大、細胞壁又は細胞膜破砕装置に不具合を生じさせる可能性などがあるため、１７０℃以上、１５０℃以上又は１２０℃以上の加温手段は採用しない方が好ましい。一方で、従来使用されてこなかった３０℃以上５０℃未満の加温手段も使用することができる。従来の５０℃以上の加温手段は、細胞壁等を柔軟にすることを目的に採用されている。一方、３０℃以上５０℃未満の加温手段は、キャビテーションの効率的な発生を目的に採用される。本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置１００は減圧手段１９０を備えるため、３０℃以上５０℃未満の加温でもキャビテーションが発生し易くなり、細胞壁等の破砕をより向上させることができる。
　加温手段としては、スチーム・ジャケット、ヒータ、設備等から排出される排熱、太陽熱、地熱、地中熱等、公知の手段を使用することができる。加温手段は、細胞壁又は細胞膜破砕装置に一体的に備わっていてもよく、或いは、装置とは別に配置されてもよい。
　本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置に投入される対象物は、含水率が８９％以上、９０％以上又は９１％以上の液状の流体である。対象物の含水率が８９％未満であると粘性の強い粘土状（スラッジ状）の物質となり、特に８０％以下であるとそれ自体を物として持ち運べるレベルとなるため、本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置で破砕することができなくなる。また、対象物は、菌類、微生物、藻類、及び野菜屑、規格外野菜等の植物の群（微生物群）から選択される少なくとも１種を含む。具体的には、例えば、汚泥（有機汚泥）、汚水、微生物群の少なくとも１種を人工的に培養した培養液及びこの培養液を脱水処理等して得られた培養物質、微生物群の少なくとも１種を濃縮した濃縮液又は濃縮物質、及びコンニャク芋を加工して得られるコンニャク等の臭気性食品などを対象物として使用することができる。対象物は、そのまま細胞壁又は細胞膜破砕装置に投入してもよいし、水等を添加又は脱水し、固形分（含水率）を適宜調整してから投入してもよい。
　本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置は種々の用途に使用することができ、以下の用途に限定されるものではない。
　本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置は、汚泥の減容化に使用することができる。細胞壁又は細胞膜破砕装置によって処理された汚泥は、汚泥中に含まれる微生物等の細胞の細胞壁等が破砕される。その結果、細胞中に含まれる、タンパク質、炭水化物、脂肪、窒素、リン、Ｈ２Ｏ等の成分が溶出して低分子化する。加水分解して溶出した水分は、続く脱水工程で除去することができるため、Ｈ２Ｏへの低分子化は汚泥含水率の低減に貢献することができる。また、タンパク質等の成分が低分子化し汚泥中に可溶化されるので、下水処理において使用されるメタン菌等を含む消化槽の消化効率を、従来の４０％程度から、６０～８０％まで向上させることができる。したがって、消化槽から生じる汚泥の量を大幅に減少させることができる。
　本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置によって処理された汚泥中の微生物等は、上述したように、窒素、リン、Ｈ２Ｏ等の成分に効率よく破砕及び低分子化される。脱水後の汚泥は、従来の汚泥よりも窒素、リン等の肥料成分を多く含むため、品質に優れた肥料を得ることができる。
　本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置によって処理された汚泥中の微生物等は、上述したように、窒素、リン、Ｈ２Ｏ等の成分に効率よく破砕及び低分子化される。処理された汚泥から得られる処理分離液にもこれらの成分が多く含まれている。低分子化されたこれらの成分は、藻類、微生物等によって効率よく吸収されるため、藻類、微生物等の培養液として有効に利用することができる。特に、藻類は光合成を行うため、藻類の培養効率の向上は、温室効果ガスであるＣＯ２のカーボンオフセットに貢献することができる。
　本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置によって処理された汚水及び／又は汚泥は、汚泥又は汚水中の微生物等が、上述したように、窒素、リン、Ｈ２Ｏ等の成分に効率よく破砕及び低分子化されるため、臭気を消すことができる。脱臭性能は、対象物の種類、投入量、温度等を考慮し、回転ディスクの回転数等を規定することで適宜調整することができる。また、この脱臭処理は、対象物が、コンニャク等の臭気性食品に対しても適用することができる。
　本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置によって処理された汚泥中の微生物等は、上述したように、タンパク質、炭水化物、脂肪等の成分に効率よく破砕及び低分子化される。低分子化されたこれらの成分は、メタン菌、水素発酵菌等の代謝効率を大幅に向上させるため、メタン、水素等のバイオガスの発酵効率を従来の２倍以上に向上させることができる。例えば、メタンガスの発生量は、細胞壁又は細胞膜破砕装置によって処理された処理汚泥及び／又は処理分離液を使用した方が、処理をしていな汚泥等に比べて、２倍～３倍増加する。又、ＣＯ２も比例して増加させることができ、発酵期間も従来のものに比べて短縮することができる。発生したＣＯ２は回収して藻類等の培養に使用することができる。
　本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置によって処理される、汚泥中の微生物等以外の、菌類、微生物、藻類、植物なども、炭水化物、脂肪、窒素、リン、Ｈ２Ｏ等の成分に破砕及び低分子化される。低分子化されたこれらの成分は、ヒト又は動物の消化器系、皮膚等からの吸収効率が高い。したがって、細胞壁又は細胞膜破砕装置によって処理した、菌類、微生物、藻類、植物等を、食品、飲料、医薬品、化粧品、サプリメント類等に使用することは有益である。
　本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置は、例えば、各種の燃料等に使用されるような油分を含む、菌類、微生物、藻類、菜種等の植物などの対象物を処理することもできる。油分を含む対象物を本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置によって処理することで、効率よく油分を回収することができる。
　本開示の細胞壁又は細胞膜破砕装置は、減圧手段を採用することにより、従来のｐＨ調整槽、５０℃以上の加温手段を使用する必要がない。このため、低分子化された成分は変性、分解されないので、従来の装置に比べて、これらの成分を有効に活用することができる。
　以下の実施例において、本開示の具体的な実施態様を例示するが、本発明はこれに限定されるものではない。
＜嫌気的条件下での生分解性試験＞
（例１）
　図１の構成（但し、１７０を吐出口、１８０を投入口とし、１９０の減圧手段に代えて、吐出口の後段に一軸ねじ式ポンプ、及び減圧ポンプを採用した。）の細胞壁又は細胞膜破砕装置を使用して余剰汚泥を処理した。処理条件は、回転ディスクの回転数を３５００ｍｉｎ－１、周速を５０ｍ／ｓ、減圧条件を－０．０１ＭＰａ、処理時間を６０分とした。下水処理の分野において一般に採用される嫌気性処理を再現するために、バイアル瓶による回分実験を採用した。嫌気性処理とは、酸素のない嫌気的条件下においてメタン菌等の微生物の代謝作用により、汚泥等に含まれる有機物を分解し、メタンガスに変換する生物学的プロセスである。
　窒素ガスで内部を置換したバイアル瓶（７５ｍＬ）に、メタン菌等を含む種汚泥（消化汚泥）を２０ｍＬ、基質として細胞壁又は細胞膜破砕装置処理後の余剰汚泥を２０ｍＬ投入し、恒温振とう槽（水温：３６℃、振とう数：１００回／ｍｉｎ）に設置して経時的なメタンガス発生量を測定した。その結果を、図４Ａ及び図４Ｂに示す。
（比較例１）
　窒素ガスで内部を置換したバイアル瓶（７５ｍＬ）に、消化汚泥を２０ｍＬ、基質として細胞壁又は細胞膜破砕装置処理前の余剰汚泥を２０ｍＬ投入し、恒温振とう槽（水温：３６℃、振とう数：１００回／ｍｉｎ）に設置して経時的なメタンガス発生量を測定した。その結果を、図４Ａ及び図４Ｂに示す。
　図４Ａは経過時間に対するメタンガス累積発生量を示し、図４Ｂは経過時間に対するメタンガス転換率を示す。メタンガス転換率とは、投入した基質がどの程度メタンガスとして回収できたかを表している。なお、図４Ｂでは、投入した消化汚泥の自己消化によるガス発生量は差し引いている。図４Ａ及び図４Ｂから分かるように、細胞壁又は細胞膜破砕装置処理後の余剰汚泥を投入した系の方が、メタンガスの発生量及び転換率が大幅に向上していることが確認された。
＜嫌気的条件下での連続的生分解性試験＞
（例２～例５、比較例２、比較例３）
　実際の嫌気性処理は連続的に行われている。したがって、連続的な嫌気性処理のモデル実験を実施するために、消化汚泥及び基質（細胞壁又は細胞膜破砕装置処理前の余剰汚泥又は処理後の余剰汚泥）を混合して嫌気性処理を行う消化瓶と、発生ガスを水上捕集する発生ガス測定器との２つで構成される実験装置を採用した。窒素ガスで内部を置換した消化瓶（２Ｌ）に種汚泥としての消化汚泥を１．５Ｌ投入した。連続的生分解性試験における運転条件を表１に示す。また、各運転条件において使用した消化汚泥及び基質を表２に示す。１日毎に、消化瓶から消化汚泥を表１に記載される量でサンプリングした。サンプリング後にサンプリング量と同量の基質を消化瓶に添加した。基質としての細胞壁又は細胞膜破砕装置処理後の余剰汚泥は、例１で得られた処理汚泥を使用した。実験中、スターラーで撹拌しながら、消化瓶を約３６℃に保持した。各サンプルについての、浮遊物質濃度（ＭＬＳＳ）及び揮発性浮遊物質濃度（ＭＬＶＳＳ）を測定した。その結果を表３に示す。なお、表３中のＭＬＳＳ及びＭＬＶＳＳの減少率は、未処理汚泥（比較例２、３）を基準とした相対値で表している。図５Ａはメタンガス累積発生量の比較データを示し、図５Ｂはメタンガス転換率の比較データを示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　図５Ａ及び図５Ｂより、同じ滞留条件下（例２と比較例２、例４と比較例３）において、メタンガス累積発生量及びメタンガス転換率がいずれも上昇していることから、細胞壁又は細胞膜破砕装置によって汚泥の生分解性が向上したことが分かる。また、図５Ｂより、運転条件１において、処理後汚泥（例３）は未処理汚泥（比較例２）と同等の値を示した。運転条件２においても、処理後汚泥（例４）が一番高い値を示した。これらの結果より、細胞壁又は細胞膜破砕装置を用いない従来の態様に比べ、メタンガスへの転換期間を１０日以上も短縮することができることが確認された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３から分かるように、運転条件１において、処理後汚泥（例３）のＭＬＳＳ及びＭＬＶＳＳ減少率は、それぞれ１．２０倍及び１．１７倍に増加した。運転条件２においても、処理後汚泥（例４）のＭＬＳＳ及びＭＬＶＳＳ減少率は、それぞれ１．１０倍及び１．１７倍に増加した。なお、例５は、ＭＬＳＳ及びＭＬＶＳＳ減少率が比較例３に比べて両方とも劣る結果となった。この理由としては、例５の場合、種汚泥に対する基質の負荷が高すぎて、消化しきれなかったためであると考えられる。これらの結果からも分かるように、細胞壁又は細胞膜破砕装置を用いない従来の態様に比べ、汚泥の最終的な処理期間を１０日以上も短縮することができることが明らかとなった。
＜好気的条件下での生分解性試験＞
（例６）
　好気性処理の実験装置は、曝気槽及び沈殿槽の２つで構成されている。主な炭素源である投入基質のグルコースを、流入ＢＯＤで約２００ｍｇ／Ｌとなるように曝気槽内に供給した。運転条件に関し、曝気槽内に投入した活性汚泥は２０Ｌ、滞留時間は２４時間、曝気槽内のＭＬＳＳは１，０００～２，０００ｍｇ／Ｌに設定した。連続実験の日数は２０日間とした。この過程で生成する余剰汚泥を濃縮した後、細胞壁又は細胞膜破砕装置で処理したものを曝気槽内に返送し、余剰汚泥の発生量、並びに曝気槽内及び処理水の水質について検討した。細胞壁又は細胞膜破砕装置の処理条件は例１と同一の条件で実施した。その結果を、図６、表４及び表５に示す。なお、処理水及び曝気槽内から汚泥を１日１回サンプリングし、ＭＬＳＳ、ＳＳ（浮遊物質）、全有機炭素量（ＴＯＣ）、生物化学的酸素要求量（ＢＯＤ）、溶存有機炭素量（ＤＯＣ）、全窒素量（Ｔ－Ｎ）、全リン量（Ｔ－Ｐ）の測定を実施した。
（比較例４）
　対照系として、汚泥の引き抜きを行わない通常の好気性処理を実施した。その結果を、図６、表４及び表５に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　図６から分かるように、比較例４の系に比べて、例６の系は汚泥の生成量が６２％も減少した。これは、細胞壁又は細胞膜破砕装置で処理して曝気槽内に返送された汚泥が、効率よく生分解されて減容化されたためであると考えられる。表４から分かるように、比較例４の系に比べて、例６の系の方が、開始から終了までＭＬＳＳの量が低いことが確認できた。表４から分かるように、例６の処理水の水質は比較例４のものと殆ど差がないため、例６の系は、良好な状態で操業できていることが確認できた。この結果は、細胞壁又は細胞膜破砕装置が処理水の水質の悪化に影響を及ぼさないことを意味している。なお、Ｔ－Ｐの値が比較例４及び例６で共に高い値を示している。これは基質であるグルコースと一緒に投入した無機塩類中のＴ－Ｐが２６ｍｇ／Ｌと高かったために、槽内で無機塩類中のＴ－Ｐが処理されずにそのまま処理水として流出したことが原因であると考えられる。以上より、細胞壁又は細胞膜破砕装置は、好気的条件下における汚泥の生分解性に対しても貢献できることが確認された。
＜藻類からの脂質抽出及び水素発酵試験＞
（例７）
　培養した高密度の藻類培養液を細胞壁又は細胞膜破砕装置で処理した。細胞壁又は細胞膜破砕装置の処理条件は、処理時間を１０分、２０分、３０分に変更した以外は、例１と同一の条件で実施した。破砕した藻類培養液及び未破砕の藻類培養液をそれぞれビーカーに１００ｍＬ採取し、次いで、該ビーカー中にナノバブルを１０秒間通気して藻類からの脂質を回収した。その結果を図７Ａに示す。図７Ａから分かるように、処理時間が２０～３０分程度であると、藻類培養液から脂質を効率よく回収できることが確認された。なお、このナノバブルによる回収処理は、藻類の脂質回収に限らず、藻類や微生物等に含まれる油分の回収に対しても有効であることは、この実験より明らかである。
　続いて、細胞壁又は細胞膜破砕装置で３０分間破砕した藻類培養液（藻液）を水素発酵に供した。下水処理場で使用されている嫌気消化菌液を水素発酵用の種菌として使用した。消化菌と藻液とを一定比率（消化菌：藻液＝１：９、５：５、９：１）で混合し、ｐＨを５に調整して嫌気消化を行った。その結果を図７Ｂに示す。
（比較例５）
　対照系として、未破砕の藻類培養液（藻液）を水素発酵に供した。例７と同様に、消化菌と藻液とを一定比率（消化菌：藻液＝１：９、５：５、９：１）で混合し、ｐＨを５に調整して嫌気消化を行った。その結果を図７Ｂに示す。
　図７Ｂから分かるように、比較例５の系では、どの混合比率でも水素がほとんど発生していなかったのに対し、例７では、破砕した藻液と消化菌とを５：５で混合した場合に、乾燥藻体１ｇ当たり０．９ｍＬの水素ガスが生成することが確認できた。以上より、細胞壁又は細胞膜破砕装置は、メタン発酵の副次生成物として生成される水素発生に対しても貢献できることが確認された。
　本発明の基本的な原理から逸脱することなく、上記の実施態様及び実施例が様々に変更可能であることは当業者に明らかである。また、本発明の様々な改良及び変更が本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに実施できることは当業者には明らかである。
　１００、８００　　細胞壁又は細胞膜破砕装置
　１０５　　対象物の流れ
　１１０　　インバーター
　１２０　　モーター
　１３０、２３０　　回転軸
　１４０　　固定ディスク
　１５０、２５０　　回転ディスク
　１６０、２６０　　筐体
　１７０　　投入口
　１８０　　吐出口
　１９０　　減圧手段
　２９５　　クラウド
　８０５　　処理前貯留槽
　８１５　　陸上式ポンプ
　８２５　　処理後貯留槽

Claims (16)

  1. 　固定ディスク、回転ディスク、該回転ディスクを駆動するための回転軸、減圧手段及び筐体を備える、細胞壁又は細胞膜破砕装置であって、
    　前記固定ディスク及び前記回転ディスクの少なくとも１組は対向して配置されており、前記固定ディスクの中心部は、該中心部を通る前記回転軸の外径よりも大きい空洞部を有し、
    　前記回転ディスクと前記固定ディスクとの間で発生した剪断力が、前記装置内に投入された含水率８９％以上の対象物の流体に適用され、
    　前記細胞壁又は細胞膜破砕装置内の圧力が、前記減圧手段によって－０．０８ＭＰａ以下に減圧される、細胞壁又は細胞膜破砕装置。
  2. 　固定ディスク、回転ディスク、該回転ディスクを駆動するための回転軸、陸上式ポンプ及び／又は水中ポンプの吸引力による減圧手段及び筐体を備える、細胞壁又は細胞膜破砕装置であって、
    　前記固定ディスク及び前記回転ディスクの少なくとも１組は対向して配置されており、前記固定ディスクの中心部は、該中心部を通る前記回転軸の外径よりも大きい空洞部を有し、
    　前記回転ディスクと前記固定ディスクとの間で発生した剪断力が、前記装置内に投入された含水率８９％以上の対象物の流体に適用され、
    　陸上式ポンプを使用する場合には、該陸上式ポンプは前記装置の吐出口以降に設置され、
    　水中ポンプを使用する場合には、該水中ポンプは前記装置内の最終固定ディスク以降の吐出口側に設置されている、細胞壁又は細胞膜破砕装置。
  3. 　前記陸上式ポンプが一軸ねじ式ポンプである、請求項２記載の細胞壁又は細胞膜破砕装置。
  4. 　前記回転ディスクは１０ｍ／ｓ以上の周速で回転する、請求項１～３のいずれか一項に記載の細胞壁又は細胞膜破砕装置。
  5. 　前記固定ディスク及び／又は前記回転ディスクを２つ以上備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の細胞壁又は細胞膜破砕装置。
  6. 　前記固定ディスクと回転ディスクとの間隙が５ｍｍ～３０ｍｍである、請求項１～５のいずれか一項に記載の細胞壁又は細胞膜破砕装置。
  7. 　前記回転ディスク及び／又は固定ディスクの表面が鏡面又は粗面である、請求項１～６のいずれか一項に記載の細胞壁又は細胞膜破砕装置。
  8. 　前記細胞壁又は細胞膜破砕装置に投入する対象物が、菌類、微生物、藻類、及び植物の群から選択される少なくとも１種を含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の細胞壁又は細胞膜破砕装置。
  9. 　前記細胞壁又は細胞膜破砕装置に投入する対象物が汚泥である、請求項１～８のいずれか一項に記載の細胞壁又は細胞膜破砕装置。
  10. 　請求項１～９のいずれか一項に記載の細胞壁又は細胞膜破砕装置によって汚泥を処理する工程を備える、汚泥の減容化方法。
  11. 　請求項１～９のいずれか一項に記載の細胞壁又は細胞膜破砕装置によって汚泥を処理する工程、及び前記汚泥を処理する工程から得られた処理汚泥を肥料化する工程を備える、汚泥の肥料調製方法。
  12. 　請求項１～９のいずれか一項に記載の細胞壁又は細胞膜破砕装置によって汚泥を処理する工程、及び前記汚泥を処理する工程から得られた処理分離液を培養液として採取する工程を備える、汚泥の培養液調製方法。
  13. 　請求項１～９のいずれか一項に記載の細胞壁又は細胞膜破砕装置によって汚水及び／若しくは汚泥、又は臭気性食品を処理する工程を備える、脱臭方法。
  14. 　請求項１～９のいずれか一項に記載の細胞壁又は細胞膜破砕装置によって汚泥を処理する工程、並びに前記汚泥を処理する工程から得られた処理汚泥及び／又は処理分離液をバイオガス発酵槽に提供する工程を備える、バイオガスの発酵方法。
  15. 　請求項１～８のいずれか一項に記載の細胞壁又は細胞膜破砕装置によって、菌類、微生物、藻類、及び植物の群から選択される少なくとも１種の対象物を処理する工程を備える、食品、飲料、医薬品、サプリメント類又は化粧品の製造方法。
  16. 　請求項１～９のいずれか一項に記載の細胞壁又は細胞膜破砕装置によって、菌類、微生物、藻類、及び植物の群から選択される少なくとも１種の油分を含む対象物を処理する工程を備える、油分回収方法。
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