甲烷生成装置

1.本发明中的数种方式涉及甲烷生成装置和甲烷生成方法。
2.本技术要求以2020年3月24日于日本技术的特愿2020-052932号为优先权，将其内容援引加入于此。


背景技术：

3.下述专利文献1中公开了一种使二氧化碳和氢反应合成甲烷的方法，其目的在于通过二氧化碳的固定化从而解决全球变暖问题。该方法由第一反应工序和第二反应工序构成。第一反应工序中，由二氧化碳(即co2)和氢气(即h2)生成作为主要成分的一氧化碳(即co)和水(即h2o)。在第二反应工序中，由co和h2生成ch4和h2o。另外，在第一反应工序和第二反应工序之间，具有除去在第一反应工序中没有反应而残留的co2和h2o的工序。
4.现有技术文献
5.[专利文献]
[0006]
[专利文献1]日本专利第5562873号公报


技术实现要素：

[0007]
发明要解决的技术问题
[0008]
上述现有技术那样的化学方法在得到甲烷时需要将反应器加热到500℃左右。另外，已知该反应按下述式(1)和(2)所示以两个阶段进行。式(1)为吸热反应。因此，为了使反应进行需要从外部输入能量。
[0009]
式(1) co2 h2→
co h2o δh＝ 41kj/mol
[0010]
式(2) co 3h2→
ch4 h2o δh＝-206kj/mol
[0011]
作为能量源，也可以使用可再生能源。但是，现状下使用石油、天然气等化石燃料是现实的。然而，使用化石燃料则随着化石燃料的燃烧会排出大量的二氧化碳。专利文献1中记载了将式(2)的反应中产生的热在式(1)的反应中进行利用。由此期待热收支的改善。但是，式(1)所示的反应温度为460～550℃，高于式(2)的反应温度250～450℃，不清楚能否确保足够的热量。
[0012]
本发明几个方式是考虑了上述问题点而完成的，目的在于提供一种甲烷生成装置和甲烷生成方法，其是简易且低耗能的，利用氢气固定二氧化碳从而可以生成甲烷，其中，甲烷是作为碳资源有用的能量源，可以成为化学制品原料。
[0013]
解决技术问题的技术手段
[0014]
[1]为解决上述问题，本发明的一个方式的甲烷生成装置具备：培养槽，所述培养槽在培养液中培养产甲烷菌；气体供给装置，所述气体供给装置向所述培养槽供给所述产甲烷菌所必需的二氧化碳和氢气；生成气体抽出装置，所述生成气体抽出装置抽出所述产甲烷菌生成的甲烷。
[0015]
[2]另外，本发明的一个方式中，可以进一步具备对所述培养槽中的温度进行控制
的温度控制装置。
[0016]
[3]另外，本发明的一个方式中，可以进一步具备对所述培养槽中甲烷的生成状态进行检测的气体分析装置。
[0017]
[4]另外，本发明的一个方式中，作为所述气体分析装置，可以进一步具备吸光分析装置。
[0018]
[5]另外，本发明的一个方式中，可以进一步具备对所述培养液的状态进行检测的培养液状态检测装置。
[0019]
[6]另外，本发明的一个方式中，作为所述培养液状态检测装置，可以具备ph检测器。
[0020]
[7]另外，本发明的一个方式中，作为所述培养液状态检测装置，可以具备氧化还原电位检测器。
[0021]
[8]另外，本发明的一个方式中，可以进一步具备液体分析装置，所述液体分析装置检测所述培养液的液体中的微生物群的现存量。
[0022]
[9]另外，本发明的一个方式中，作为所述液体分析装置，可以具备吸光度测定装置。
[0023]
[10]另外，本发明的一个方式中，可以进一步具备对所述培养槽中的压力进行检测的压力传感器。
[0024]
[11]另外，本发明的一个方式中，可以进一步具备沉淀物除去装置，所述沉淀物除去装置从所述培养槽中除去所述培养液的液体中产生的沉淀物。
[0025]
[12]另外，本发明的一个方式中，作为所述沉淀物除去装置，可以进一步具备从所述培养槽的排放管除去所述沉淀物的机构。
[0026]
[13]另外，本发明的一个方式中，可以进一步具备培养液投入装置，所述培养液投入装置在保持厌氧状态的同时将所述培养液投入至所述培养槽中。
[0027]
[14]另外，本发明的一个方式中，可以进一步具备还原剂投入装置，所述还原剂投入装置将还原剂投入至所述培养槽中，从而维持所述培养液的厌氧状态。
[0028]
[15]另外，本发明的一个方式中，可以进一步具备：数据处理部，所述数据处理部处理与所述培养槽的培养环境有关的测定数据；以及装置控制部，所述装置控制部根据所述数据处理部的处理结果控制所述培养槽的培养环境。
[0029]
[16]另外，本发明的一个方式中，可以进一步具备搅拌以及混合所述培养液和混合气体的机构，所述混合气体含有所述二氧化碳和所述氢气。
[0030]
[17]另外，本发明的一个方式中，在所述培养槽中所述产甲烷菌的培养开始之前，所述气体供给装置可以向所述培养槽供给非活性气体。
[0031]
[18]另外，本发明的一个方式中，与所述培养槽的培养环境有关的测定数据可以是所述培养液的氧化还原电位；在所述氧化还原电位偏离所述产甲烷菌能够增殖的范围时，所述装置控制部可以向所述培养槽中添加调节所述氧化还原电位的调整剂，使其变为所述产甲烷菌能够增殖的范围。
[0032]
[19]另外，本发明的一个方式中，与所述培养槽的培养环境有关的测定数据可以是所述培养液的ph；在所述ph偏离所述产甲烷菌能够增殖的范围时，所述装置控制部可以向所述培养槽中添加调节所述ph的调整剂，使其变为所述产甲烷菌能够增殖的范围。
[0033]
[20]另外，本发明的一个方式的甲烷生成方法为：向在培养液中培养产甲烷菌的培养槽供给所述产甲烷菌所必需的二氧化碳和氢气；抽出所述产甲烷菌生成的甲烷。
[0034]
发明效果
[0035]
根据上述本发明的数种方式，能够得到甲烷生成装置和甲烷生成方法，其是简易且低耗能的，利用氢气固定二氧化碳从而可以生成甲烷，其中，甲烷是作为碳资源有用的能量源，可以成为化学制品原料。
附图说明
[0036]
图1是本发明一个实施方式的甲烷生成装置的结构图。
[0037]
图2是示出本发明一个实施方式的气体分析结果的一个示例的图。
具体实施方式
[0038]
以下将参照附图对本发明的一个实施方式进行说明。
[0039]
图1是本发明一个实施方式的甲烷生成装置的结构图。
[0040]
如图1所示，甲烷生成装置具备培养槽1、气体供给装置2、生成气体抽出装置3和管理装置15。
[0041]
培养槽1在培养液20的液体中培养产甲烷菌。作为产甲烷菌，可以举例示出嗜碱甲烷杆菌(methanobacterium alcaliphilum)、布氏甲烷杆菌(methanobacterium bryantii)、刚果甲烷杆菌(methanobacteriumcongolense)、德氏甲烷杆菌(methanobacterium defluvii)、依斯帕诺拉甲烷杆菌(methanobacterium espanolae)、甲酸甲烷杆菌(methanobacterium formicicum)、伊氏甲烷杆菌(methanobacterium ivanovii)、沼泽甲烷杆菌(methanobacterium palustre)、热聚甲烷杆菌(methanobacterium thermaggregans)、泥沼甲烷杆菌(methanobacterium uliginosum)、耐酸甲烷短杆菌(methanobrevibacter acididurans)、嗜树木甲烷短杆菌(methanobrevibacter arboriphilicus)、高氏甲烷短杆菌(methanobrevibacter gottschalkii)、羊瘤胃甲烷短杆菌(methanobrevibacter olleyae)、反刍甲烷短杆菌(methanobrevibacter ruminantium)、史氏甲烷短杆菌(methanobrevibacter smithii)、沃斯氏甲烷短杆菌(methanobrevibacter woesei)、沃氏甲烷短杆菌(methanobrevibacter wolinii)、马尔堡甲烷嗜热杆菌(methanothermobacter marburgensis)、热自养甲烷嗜热杆菌(methanothermobacter thermoautotrophicus)、热自养甲烷杆菌(methanobacterium thermoautotrophicus)、嗜热弯曲甲烷嗜热杆菌(methanothermobacter thermoflexus)、嗜热甲烷嗜热杆菌(methanothermobacter thermophilics)、沃氏甲烷嗜热杆菌(methanothermobacter wolfeii)、群居甲烷嗜热菌(methanothermus sociabilis)、巴伐利亚甲烷粒菌(methanocorpusculum bavaricum)、小甲烷粒菌(methanocorpusculum parvum)、methanoculleus chikuoensis、methanoculleus submarinus、低温产甲烷菌(methanogenium frigidum)、泥游产甲烷菌(methanogenium liminatans)、海产甲烷菌(methanogeniummarinum)、运动甲烷微菌(methanomicrobium mobile)、詹氏甲烷暖球菌(methanocaldococcus jannaschii)、艾氏甲烷球菌(methanococcus aeolicus)、海沼甲烷球菌(methanococcus maripaludis)、万氏甲烷球菌(methanococcus vannielii)、
methanococcus voltaei、热自养甲烷嗜热球菌(methanothermococcus thermolithotrophicus)等。
[0042]
本实施方式的培养槽1培养methanobacteriales、methanomicrobiales、methanocellales、methanomassillicoccales等菌株作为产甲烷菌。厌氧性地下水中也可能含有这些氢营养型(水素資化性)产甲烷菌。通过向含有产甲烷菌的厌氧性地下水中添加二氧化碳(即co2)和氢气(即h2)的混合气体可以得到甲烷。即，培养槽1中储存有培养液20(例如厌氧性地下水)，所述培养液20中含有用于培养产甲烷菌的培养基。培养槽1内成为氧含量尽可能减少的厌氧状态。
[0043]
气体供给装置2向培养槽1供给产甲烷菌所必需的二氧化碳和氢气。气体供给装置2将h2/co2混合气体(例如以体积比80vol.％:20vol.％)导入培养槽1内的气相部分后加压至规定的压力，由此开始产甲烷菌的培养。
[0044]
生成气体抽出装置3抽出产甲烷菌生成的甲烷。生成气体抽出装置3从培养槽1内的气相部分取出生成气体，保存在未图示的外部罐中。另外，完成甲烷的抽出后，再次从气体供给装置2向培养槽1供给h2/co2混合气体，进行产甲烷菌的培养和甲烷的生成。
[0045]
另外，在产甲烷菌的培养开始之前(即向培养槽1供给h2/co2混合气体之前)，可以从气体供给装置2等向培养槽1内供给非活性气体。通过供给非活性气体(即气体吹扫)可以使培养槽1内成为厌氧状态。作为非活性气体，可以举例示出氮气、氩气和氦气等。
[0046]
在培养槽1中设有搅拌机构12，所述搅拌机构12搅拌以及混合培养液20和h2/co2混合气体(即反应气体)的气液界面21的区域。搅拌机构12具有搅拌翼，使培养液20的气液界面21起伏。由此，搅拌机构12促进反应气体向培养液20的溶解。另外，如果可以增加气液界面21的面积，则也可以使用例如使培养槽1自身振动的机构代替搅拌机构12。
[0047]
管理装置15管理上述培养槽1、气体供给装置2、生成气体抽出装置3以及后述的培养槽1的周边装置。管理装置15可以使甲烷生成装置长期运转(即，甲烷的长期生成)。管理装置15具备数据处理部13和装置控制部14，其中，数据处理部13处理与培养槽1的培养环境有关的测定数据，装置控制部14根据数据处理部13的处理结果控制培养槽1的培养环境。
[0048]
本实施方式中，作为培养槽1周边装置，具备气体分析装置4、液体分析装置5、ph检测器6、ph调整剂投入装置7、orp(oxidation-reduction potential)检测器8(即氧化还原电位检测器)、orp调整剂投入装置9(即还原剂投入装置)、温度传感器10、压力传感器11、温度控制装置16、培养液投入装置17以及沉淀物除去装置18。
[0049]
气体分析装置4是对培养槽1中甲烷的生成状态进行检测的甲烷检测装置。作为气体分析装置4的气体分析方法，可以举例示出气相色谱、红外分光、拉曼分光、质谱分析等。本实施方式的气体分析装置4具备这些气体分析方法中能够较快得到分析结果的吸光分析装置。
[0050]
图2是示出本发明一个实施方式的气体分析结果的一个示例的图。
[0051]
在培养槽1中，大致如图2所示，氢气、甲烷和二氧化碳浓度分别随时间而变化。具体而言，氢气和二氧化碳由于氢营养型产甲烷菌而减少，甲烷增加。根据这样的气体分析装置4的分析结果可以检测甲烷的生成状态。
[0052]
回到图1，液体分析装置5是微生物细胞浓度测定装置，其检测培养液20的液体中微生物群的现存量。作为液体分析装置5的液体分析方法，可以举例示出离子色谱、液相色
谱、质谱分析、吸光度测定等。
[0053]
本实施方式的液体分析装置5具备这些液体分析方法中能够较快得到分析结果的吸光度测定装置(即培养液20的浑浊测定装置)。
[0054]
ph检测器6检测培养液20的ph(即氢离子指数)。
[0055]
ph调整剂投入装置7根据ph检测器6的检测结果将ph调整剂(例如氢氧化钠等)投入到培养液20中，将因甲烷的生成而接近酸性的ph调整至非常适合产甲烷菌生长的ph。
[0056]
orp检测器8检测培养液20的orp(即氧化还原电位)。
[0057]
orp调整剂投入装置9根据orp检测器8的检测结果将用于维持培养液20厌氧状态的还原剂投入至培养槽1中。
[0058]
ph检测器6和orp检测器8构成对培养液20的状态进行检测的培养液状态检测装置19。另外，培养液状态检测装置19可以包含对ph、orp以外的培养液20的状态量进行检测的检测器。
[0059]
温度传感器10检测培养槽1中的温度。
[0060]
温度控制装置16根据温度传感器10的检测结果控制培养槽1中的温度，调整至产甲烷菌的极佳生长温度。另外，极佳生长温度因菌种而异。作为温度控制装置16，可以举例示出从外部或内部加热培养槽1的加热器等。
[0061]
压力传感器11检测培养槽1中的压力。另外，如下述式(3)所示，随着甲烷的生成，培养槽1的压力降低，由此可以根据该压力检测甲烷生成状态。对于上述生成气体抽出装置3，也可以根据压力传感器11的检测结果控制生成气体抽出装置3的工作运行时机。
[0062]
式(3)co2 4h2→
ch4 2h2o
[0063]
培养液投入装置17在保持厌氧状态的同时将新的培养液投入至培养槽1中。
[0064]
培养槽1的气相部分为厌氧状态则可以将培养液投入至该气相部分中。
[0065]
另外，也可以将新的培养液从外部投入至培养槽1的液相部分(即培养液20的液体中)。
[0066]
沉淀物除去装置18从培养槽1中除去培养液20的液体中产生的沉淀物。沉淀物中包括产甲烷菌的代谢物等。沉淀物除去装置18具备从培养槽1的排放管1a除去沉淀物的机构。由此可以利用培养槽1的现有设备从培养槽1的底部除去沉淀物。
[0067]
数据处理部13保存和处理与培养槽1的培养环境有关的测定数据，所述测定数据从上述各种检测器(即，ph检测器6、orp检测器8、温度传感器10、压力传感器11等)取得。
[0068]
装置控制部14根据数据处理部13的处理结果控制上述各种装置(即，气体分析装置4、液体分析装置5、ph调整剂投入装置7、orp调整剂投入装置9、温度控制装置16、培养液投入装置17、沉淀物除去装置18等)的工作运行。
[0069]
具体而言，在从ph检测器6和orp检测器8取得的值偏离产甲烷菌能够增殖的范围时，管理装置15可以通过添加调整ph、orp的调整剂从而约束在产甲烷菌能够增殖的范围内。
[0070]
另外，管理装置15根据气体分析装置4和液体分析装置5的测定结果，确认甲烷生成量随时间的变化(即甲烷生成速度)，评价微生物的甲烷生成能力。根据其结果判断环境调整(如微生物的细胞浓度的调整，培养液20的更换等)的必要性。
[0071]
上述结构的甲烷生成装置不仅掌握了培养槽1内部的环境条件，还掌握了产甲烷
菌的活性状态，由此可以高效地生成甲烷。由此，可以通过将二氧化碳转化为甲烷从而实现碳资源的循环。另外，通过再利用转化后的甲烷，可以削减新消耗的石油、煤炭、天然气等碳资源的量。进一步地，通过回收利用时产生的热，还可以对热能进行再利用。
[0072]
由于通过上述生物学方法生成甲烷，因此和现有技术的化学方法相比，甲烷生成装置反应温度低，可以有效利用200℃以下的低温排热。另外，通过选择合适的菌株，即使在常温下也可以生成甲烷，能够抑制能量消耗。另外，通过使用从本国环境(例如水田的土壤、湖沼的堆积物、海底堆积物、由海洋板块的下沉而形成的厚堆积层(即附加体)的深部含水层等)得到的产甲烷菌，可以抑制从国外进入的微生物对环境带来的污染。
[0073]
由此，上述本实施方式中采用了具备培养槽1、气体供给装置2和生成气体抽出装置3的构成，其中，培养槽1在培养液20中培养产甲烷菌，气体供给装置2向培养槽1供给产甲烷菌所必需的二氧化碳和氢气，生成气体抽出装置3抽出产甲烷菌生成的甲烷。由此，能够得到一种甲烷生成装置，其是简易且低耗能的，利用氢气固定二氧化碳从而可以生成甲烷，其中，甲烷是作为碳资源有用的能量源，可以成为化学制品原料。
[0074]
以上参照附图对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式。上述实施方式中所示的各构成部件的各种形状、组合等是一个示例，在不脱离本发明主旨的范围内，可以基于设计要求等进行各种变更。
[0075]
例如，可以将培养槽1内的产甲烷菌固定在板等上，在板上进行微生物的培养和甲烷生成。
[0076]
另外，例如，作为二氧化碳的供给源，可以使用从火力发电站、工厂等排出的二氧化碳。
[0077]
另外，例如，作为氢气的供给源，可以使用电解水所产生的氢气，其中，电解水利用的是可再生能源。
[0078]
另外，例如，作为氢气的供给源，可以使用在工厂的生产过程中产生的副产氢。
[0079]
另外，例如，在培养槽1的温度调整中可以使用余热。
[0080]
另外，例如，在将导入的二氧化碳全部甲烷化需要多日(即n天(n为2以上的整数))的情况下，可以通过使n台甲烷生成装置并联运行，从而使得每天得到甲烷而不产生间隔。
[0081]
另外，例如，可以使多个菌株与产甲烷菌共生，从而同时生成多种物质，或不需要积极介入而维持环境。
[0082]
[符号说明]
[0083]
1 培养槽
[0084]
1a 排放管
[0085]
2 气体供给装置
[0086]
3 生成气体抽出装置
[0087]
4 气体分析装置
[0088]
5 液体分析装置
[0089]
6 ph检测器
[0090]
8 orp 检测器(即氧化还原电位检测器)
[0091]
9 orp 调整剂投入装置(即，还原剂投入装置)
[0092]
11 压力传感器
[0093]
12 搅拌机构
[0094]
13 数据处理部
[0095]
14 装置控制部
[0096]
16 温度控制装置
[0097]
17 培养液投入装置
[0098]
18 沉淀物除去装置
[0099]
19 培养液状态检测装置
[0100]
20 培养液
[0101]
21 气液界面