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JP-2026514900-A - 微生物活性を調節するための装置及び方法

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Abstract

バイオガス生成のための有機廃棄物流中の微生物活性を調節するための装置及び方法。

Inventors

  • ペレス，ダニーロ

Assignees

  • ヴァートゥス・エナジー・リミテッド

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20240417
Priority Date
20230421

Claims (20)

  1. 細菌バイオフィルムを備える生体電極であって、ある範囲の細孔径を有する多孔質構造を有する、生体電極。
  2. 前記生体電極は、第１のサイズ範囲の一次細孔と、第２のサイズ範囲の二次細孔とを備える、請求項１に記載の生体電極。
  3. 前記生体電極が、生体適合性材料及び／又は炭素系材料、例えば、フェルト、紙、炭素、金属又はプラスチック系の焼結多孔質材料を備える、請求項１又は２に記載の生体電極。
  4. 前記電極が繊維ストランドを備える、請求項１～３のいずれか一項に記載の生体電極。
  5. 前記繊維が、一次細孔の３Ｄ開放構造を形成する、請求項４に記載の生体電極。
  6. 前記二次細孔が、凹部として設けられる、請求項４又は５に記載の生体電極。
  7. 前記凹部が、前記繊維の前処理によって形成される、請求項６に記載の生体電極。
  8. 前記前処理が、前記電極に電位を印加することを含む、請求項７に記載の生体電極。
  9. 前記電極表面が、固定化された微生物、酵素、又は触媒材料によって官能化されている、請求項１～８のいずれか一項に記載の生体電極。
  10. 前記電極が、少なくとも１ｍ ２ ／ｇ、より好ましくは少なくとも２ｍ ２ ／ｇの表面積を有する、請求項１～９のいずれか一項に記載の生体電極。
  11. 前記バイオフィルムが成熟バイオフィルムである、請求項１～１０のいずれか一項に記載の生体電極。
  12. 前記バイオフィルムが、少なくとも１つのメタン生成微生物と、少なくとも１つの電気活性微生物とを備える、請求項１～１１のいずれか一項に記載の生体電極。
  13. 固体陰極と、固体陽極と、電気活性バイオフィルムとを備える、微生物電解セル（ＭＥＣ）。
  14. 請求項１～１２のいずれか一項に記載の生体電極を備える、請求項１３に記載のＭＥＣ。
  15. 前記陰極と前記陽極との間に誘電材料を更に備える、請求項１３又は１４に記載のＭＥＣ。
  16. 微生物を用いて生体電極をコロニー形成するためのプロセスであって、 －電極を、微生物を備える混合物と接触させる工程と、及び －前記接触させる工程の間に前記電極に電位を印加する工程と、を含む、プロセス。
  17. 前記接触させる工程中に印加される前記電位が約＋１．５Ｖ／ＳＣＥである、請求項１６に記載のプロセス。
  18. 前記電位が、前記接触させる工程の間に、少なくとも約１時間、好ましくは少なくとも約２時間、より好ましくは約２時間の期間にわたって印加される、請求項１６又は１７に記載のプロセス。
  19. 前記接触させる工程の間に印加される前記電位が陽極電位であり、前記生体電極にコロニーを形成する前記微生物がメタン生成微生物を備える、請求項１６～１８のいずれか一項に記載のプロセス。
  20. 前記プロセスは、前記接触させる工程の前に、前記電極に陽極電位を印加する前陽極酸化工程を更に含む、請求項１６～１９のいずれか一項に記載のプロセス。

Description

本発明は、広くは、バイオガス生成のための有機廃棄物流中の微生物活性を調節するための装置及び方法に関する。 バイオガスは、酸素の非存在下での有機物の分解（嫌気性消化として知られる）を介して生成される。得られたガスは、大部分がメタン（ＣＨ４）と二酸化炭素（ＣＯ２）から構成されているので、燃料として使用することができる。バイオガスは低排出燃料と考えられ、エネルギーマトリックスの脱炭において基本的な役割を果たし得る。 嫌気性消化装置は、一般に、チャンバ、原料用の入口、ガス用の出口（これは、ベント又はガス回収出口であり得る）、及び消化残渣用の出口を備える。それらはまた、消化を促進するために反応液を混合するための手段を備えることができる。嫌気性消化装置は、かなりのサイズであり得、ステンレス鋼、炭素鋼、又は現場で鋳造されたコンクリートを含むコンクリートで形成され得る。嫌気性消化プロジェクトは、高い資本コスト及び長いペイバック期間のために、通常、規模が大きい。嫌気性消化に対する既存のアプローチは、長い水理学的滞留時間に悩まされ、動作変動に対して脆弱である。 微生物電解セル（ＭＥＣ）は、通常、穏やかな条件下で動作し、広範囲の有機物質原料から開始するバイオガスの生成における収率を改善するための用途において有望である。しかしながら、既存のＭＥＣ構成は、大規模で工業的条件下で使用するのに適していない。 本発明は、添付の図面を参照して説明される。 内部ＭＥＣを有する本発明の第１の実施形態による反応器を示す。 外部ＭＥＣを有する本発明の第２の実施形態による反応器を示す。 嫌気性消化装置（ＡＤ）反応器、並びに内部外部ＭＥＣ（ＭｏｄＩｎ）及び外部ＭＥＣ（ＭｏｄＥｘ）を有する反応器についての、６週間にわたる平均バイオガス生成（Ｌ／ｄ；バー）及びメタン含有量（割合；円）を示すグラフである。 嫌気性消化装置（ＡＤ）反応器、並びに内部外部ＭＥＣを有する反応器（ＭｏｄＩｎ）及び外部ＭＥＣを有する反応器（ＭｏｄＥｘ）についてのメタン生成速度（ｍＬ ＣＨ４／Ｌ（反応器）／ｄ）を比較するグラフである。 嫌気性消化装置（ＡＤ）反応器、並びに内部外部ＭＥＣ（ＭｏｄＩｎ）及び外部ＭＥＣ（ＭｏｄＥｘ）を有する反応器についての化学的酸素要求量除去効率（％ＣＯＤ除去）を比較するグラフである。 嫌気性消化装置（ＡＤ）反応器、内部ＭＥＣ（ＭｏｄＩｎ）を有する反応器、及び外部ＭＥＣ（ＭｏｄＥｘ）を有する反応器についてのメタン変換率（ＭＣＲ）を比較するグラフである。 １．５Ｖの１５分のオン／オフのサイクルがグラファイトフェルトの陽極に印加されたときの、経時的な表面積の増分のプロットである。 それぞれ４．３ｍｇ／Ｌ（低）及び４３０ｍｇ／Ｌ（高）濃度のＦｅ２ＳＯ４電解質中のグラファイトフェルトの２つの電極の経時的な表面積の増分のプロットである。 完全セル電位制御戦略を用いて、開回路電位（ＯＣＰ）で、グラファイトフェルト又はステンレス鋼陰極を有する、嫌気性消化装置（ＡＤ）反応器、並びに内部ＭＥＣ（ＭｏｄＩｎ）及び外部ＭＥＣ（ＭｏｄＥｘ）を有する反応器についてのメタン生成速度（ＭＰＲ）を比較するグラフである。 内部ＭＥＣ（ＭｏｄＩｎ）及び外部ＭＥＣ（ＭｏｄＥｘ）を有し、グラファイトフェルト又はステンレス鋼陰極を備え、全セル電位制御戦略を用いて、０．８Ｖの電位での反応器についてのメタン生成速度（ＭＰＲ）を比較するグラフである；及び フルセル電位制御戦略を使用して、１．５Ｖの電位で、グラファイトフェルト又はステンレス鋼陰極を有する、内部ＭＥＣ（ＭｏｄＩｎ）及び外部ＭＥＣ（ＭｏｄＥｘ）を有する反応器についてのメタン生成速度（ＭＰＲ）を比較するグラフである。 定義 以下の定義は、本発明をよりよく定義するために、そして本発明の実施における当業者のための指針として提示される。特に明記しない限り、本明細書で使用される全ての技術用語及び科学用語は、本開示が属する関連技術分野の当業者によって理解されるのと同じ意味を有するものとして理解されるべきである。 本明細書で使用される一般的な化学的及び生物学的用語は、それらの通常の意味を有する。 微生物学、分子生物学及び生化学における一般的な用語の定義の例は、Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｇｅｎｅｒａｌ ａｎｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ，３ｒｄＥｄｉｔｉｏｎ，Ｃ．Ａ．Ｒｅｄｄｙ，ｅｔ ａｌ．（ｅｄｓ．），ＡＳＭ Ｐｒｅｓｓ，（２００８）；Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ，２ｎｄ ｅｄ．，Ｊｏｓｈｕａ Ｌｅｄｅｒｂｕｒｇ，（ｅｄ．）．Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，（２０００）；Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ Ｂｙ Ｃｌｉｆｆｓ Ｎｏｔｅｓ，Ｉ．Ｅｄｗａｒｄ Ａｌｃａｍｏ，Ｗｉｌｅｙ，（１９９６）；Ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｉｏｌｏｇｙ，Ｓｉｎｇｌｅｔｏｎ ｅｔ ａｌ．（２ｄ ｅｄ．）（１９９４）；Ｂｉｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ １１ｔ ｈ ｅｄ．Ｂｒｏｃｋ ｅｔ ａｌ．，Ｐｅａｒｓｏｎ Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ，（２００６）；Ｂｉｏｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｆｕｎｇｉ：Ｉｎｖｅｎｔｏｒｙ ａｎｄ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄｓ，Ｍｕｅｌｌｅｒ ｅｔ ａｌ．Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，（２００４）；Ｇｅｎｅｓ ＩＸ，Ｂｅｎｊａｍｉｎ Ｌｅｗｉｎ，Ｊｏｎｅｓ＆Ｂａｒｔｌｅｔｔ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，（２００７）；Ｈ．Ｔｈｅ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｉｏｌｏｇｙ，Ｋｅｎｄｒｅｗ ｅｔ ａｌ．（ｅｄｓ．），Ｂｌａｃｋｗｅｌｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｌｔｄ．，（１９９４）；ａｎｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：ａ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｄｅｓｋ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ，Ｒｏｂｅｒｔ Ａ．Ｍｅｙｅｒｓ（ｅｄ．），ＶＣＨ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，Ｉｎｃ．，（１９９５）において見出され得る。 本明細書及び特許請求の範囲で使用される「備える（comprising）」という用語は、「少なくとも部分的に～からなる（consisting at least in part of）」を意味する。本明細書及び特許請求の範囲において、「備える」という用語を含む各記載を解釈する場合、その用語によって前置きされたもの以外の特徴も存在し得る。「備える（comprise）」、「含まれる（comprised）」、及び「備える（comprises）」などの関連用語も同様に解釈されるべきである。 本明細書で使用される場合、「及び／又は」という用語は、「及び」又は「又は」、又はその両方を意味する。 本明細書で使用される場合、名詞に続く「（ｓ）」は、名詞の複数形及び／又は単数形を意味する。 一実施形態では、本明細書で使用される「統計的に有意な」という用語は、結果又は関係が偶然以外の何かによって引き起こされる可能性を指す。結果は、当該技術分野において既知であり、使用される統計的仮説検定を使用して、統計的に有意であることが見出され得る。統計的仮説検定は、当該技術分野で知られているように、測定された結果が偶然のみによる確率を表す「Ｐ値」を提供する。５％（０．０５）以下の有意性のレベルが統計的に有意であると考えられることは、当該技術分野において一般に認められていると考えられる。 本明細書で使用される「微生物共同体」という用語は、２種以上の微生物の群を指す。微生物は浮遊状態で存在し、また、生体電極に付着している。いくつかの実施形態では、微生物は、生体電極上にバイオフィルムを形成する。微生物共同体は、反応器及び電極全体にわたって均質ではなく、いくつかの微生物は、陰極にコロニーを形成するのにより適しており、いくつかは、陽極にコロニーを形成するのにより適しており、いくつかは、浮遊状態のままである。 嫌気性消化装置 本明細書で使用される場合、「嫌気性消化装置」は、嫌気性消化が行われる容器を指す。工業用嫌気性消化装置は非常に大きいが、家庭の敷地に適している可能性のあるより小さい容器も、本明細書で使用される用語「嫌気性消化装置」に包含される。以下の実施例に記載される反応容器は、本明細書では「反応器」と呼ばれるが、本明細書で使用される用語である「嫌気性消化装置」であると考えることもできる。 工業用嫌気性消化装置は、約１０，０００ｍ３までのオーダーの範囲の作業容積を有することができ、いくつかのより小さな反応器を並列に接続することによって、より大きな容量に達することができる。家庭の敷地に適した嫌気性消化装置は、より小さく、１ｍ３程度の小さい作業容積を有することができるが、農場又は農業の敷地の嫌気性消化装置は、１００～２００ｍ３以上の範囲であり得る。バイオガスを生成するための市販の嫌気性消化装置は、例えば１００～１０００ｍ３であり得、一般的なサイズは約６００ｍ３の作業容積を有する。本明細書に記載される発明は、これらのサイズ範囲のいずれかの作業容積を有する反応器での使用に適している。 嫌気性消化は、４つの段階；加水分解、酸生成、酢酸生成及びメタン生成を有し、各々は異なる微生物種に関連する。嫌気性消化プロセスは、バッチプロセス及び連続プロセスを含む。バッチプロセスでは、４つの段階が順次行われる。バッチプロセスは、典型的には、より遅く、連続プロセスと同様の生成を達成するためにより大きな容積を必要とする。本発明は、バッチプロセス又は連続プロセスのいずれかに適している。 一態様では、本発明は、本明細書に記載のＭＥＣを備える嫌気性消化装置に関する。ＭＥＣは、少なくとも陰極及び陽極を備える。本発明の嫌気性消化装置において、ＭＥＣは様々な方法で提供することができる。いくつかの実施形態では、ＭＥＣの作用電極は、嫌気性消化装置のチャンバ内に位置付けられ、ＭＥＣの対電極は、嫌気性消化装置のチャンバ内に位置付けられる。他の実施形態では、ＭＥＣの作用電極は、嫌気性消化装置のチャンバ内に位置付けられ、ＭＥＣの対電極は、チャンバの壁の一部を形成する。他の実施形態では、ＭＥＣの作用電極及び対電極は、嫌気性消化装置のチャンバの外側に位置付けられ、例えば、本明細書に記載されるような外部モジュールの配置によって、嫌気性消化装置のチャンバと流体連通している。これは、ＭＥＣ嫌気性消化システムとして既存の嫌気性消化装置を後付けする簡単な手段を提供する。 反応速度は、原料を混合して、原料のバルクと陰極及び／又は陽極の表面との間の反応物の輸送を改善することによって、向上させることができる。例えば、反応液を混合する手段は、ポンプ及び循環ライン、インペラ、バッフル、デフレクタ、ロータ／ステータ対、プロペラ、撹拌機、スクリュー、又は他の混合手段、又は入口もしくは出口に関連する特徴などのチャンバもしくは外部モジュールの幾何学的特徴を備えることができる。 いくつかの実施形態では、陰極及び／又は陽極は、インペラ又は他の混合手段の１つ以上のブレードの一部を形成するか、又はそれと関連付けられることができる。 いくつかの実施形態では、陰極及び／又は陽極は、チャンバ内部の１つ以上のバッフルの一部を形成するか、又はそれに関連付けられ得る。 いくつかの実施形態では、陰極及び／又は陽極は、インペラもしくは他の混合手段の１つ以上のブレード、又はポ