成果報告書詳細
管理番号20150000000636
タイトル平成24年度成果報告書 「新エネルギーベンチャー技術革新事業/新エネルギーベンチャー技術革新事業(バイオマス)/低水分乳牛糞尿の高速乾式メタン発酵システムによる高純度バイオメタン製造の技術開発」
公開日2016/3/9
報告書年度2012 - 2012
委託先名株式会社ズコーシャ 国立大学法人帯広畜産大学
プロジェクト番号P10020
部署名イノベーション推進部
和文要約件名:平成24年度成果報告書「新エネルギーベンチャー技術革新事業/新エネルギーベンチャー技術革新事業(バイオマス)/低水分乳牛糞尿の高速乾式メタン発酵システムによる高純度バイオメタン製造の技術開発」

 本研究は、現状では存在しない低水分乳牛ふん尿を効率的に処理することができる高速乾式メタン発酵システムを開発し、自立・分散型エネルギー供給基地として成立するための実証データを得て、北海道内外のつなぎ飼い飼養酪農家に本システムを普及させることを目的に実施した。
 乾式メタン発酵槽を試作した結果、材質の厚さ10mm以下である軽量プラントを実現することができた。開発した破砕・脱気装置により、原料に含まれる麦稈を5cm以下に細断でき、バイオガス生成効率を高めた。発酵槽への空気混入率は1%未満であり、良好な嫌気発酵条件を保つことができた。室内メタン発酵試験およびプロトタイプ機試験において、26式の微生物叢の解析データを取得し、一部の微生物のライブラリーを構築した。
 プロトタイプ機稼働時の有機物分解率は33ー45%であり、この時のメタン発生量は400ー500L/kg-投入VSであった。
 バイオガス精製装置を試作したところ、従来型に比べ小型化されたシステムを実現することができた。精製試験の結果、精製ガス中のメタン濃度98.2%、精製装置のメタン回収率85.6%、システム全体のメタン回収率100%、システムエネルギー効率70%以上を達成した。この時の精製条件は、ガス温度約50℃、圧力約0.7MPa、原料ガス流量17ー18m3/h以上であった。
 プロトタイプ機の試作結果からいくつかの改良点を見出すことができ、実用規模でのプラント実現に向けた設計図書を作成した。高速乾式メタン発酵システムの実用機の性能として、有機物分解率40%以上、バイオガス発生量150m3/日を設定した。
 室内メタン発酵試験の実施により、乾式メタン発酵は湿式メタン発酵に比べ、原料中の窒素、リンなどの肥料成分が20%以上濃縮されることが示された。高温・乾式では発酵開始後15日目で急速にメタン発酵が進行し、揮発性脂肪酸などの易分解性有機物が減少する反面、腐植化の進んだ安定した有機物が生成することが明らかとなった。また、コマツナ植害試験、雑草種子死滅試験等から発酵残さの作物に対する安全性を確認した。
 本技術開発で得られた技術および知見、ならびに乾式メタン発酵システムの経済性および市場性調査の結果に基づき、事業化計画を策定した。今後は、乾式メタン発酵の導入を希望しているつなぎ飼い飼養の酪農家を対象に本システムのメリットを示し、各種の追加試験およびシステムの詳細設計を完了させた後、2015年1月に「個別酪農家向け高速乾式メタン発酵システムの製造・販売事業」を開始する。
以上のように、本研究ではつなぎ飼い飼養牛舎から排出される半固形状のふん尿を直接プラントに投入できる高速乾式メタン発酵槽(プロトタイプ機)を試作し、一定の成果を得た。しかしながら、現状での問題点として、1.原料不均一による不良発酵、2.厳寒期の熱放散、3.原料投入直後の発酵槽温度低下、4.バイオガス発生量の時間帯変動、5.排出された発酵残さのスラリー化、6.製造原価の高騰可能性、などが挙げられた。これらについては本事業の実用化研究段階において問題解消し、実用タイプのメタン発酵システムを確立する予定である。
英文要約Title: New Energy Technology Research Development / New Energy Venture Business Technology Innovation Program(Biomass)/ “Development of high purity methane production by high efficiency dry type methane fermentation system for low moisture content cow manure” FY2012 Final Report

 This research was conducted to develop a new high efficiency dry type methane fermentation system and to popularize this system to tie-stall dairy farmers in Hokkaido and other area. We could construct a light-weighted plant with wall thickness less than 10 mm. The newly developed crushing and de-aerating apparatus could cut down the wheat stalk to shorter than 5 cm and increase the efficiency of biogas production. Air-contamination rate into the fermentation tank was less than 1 %. Analytical data of 26 types microbial flora were obtained, and genetic library of some of these flora have been elucidated. Organic matter decomposing rate of the proto-type fermentation apparatus was 33 - 45 %, and the evolved amount of methane was 400 - 500 L/kg VS input. We could also establish a more compact scale biogas purification system compared with the conventional system. As a result of purification experiment, methane concentration in the purified gas was 98.2 %, the recovery rate of methane by the purification equipment was 85.6 %, the recovery rate of methane by the whole system was 100 %, and the thermal efficiency of the system was higher than 70 %. The conditions of purification were as follows, the gas temperature ca. 50℃, pressure ca. 0.7 MPa, the flow rate of the raw biogas higher than 7 - 18m3/h. Due to the results in developing a proto-type apparatus, we could find out some points to be improved, then, we could draft a design plan for the plant of practical scale. By the fermentation experiment in the laboratory, dry type methane fermentation was more than 20 % efficient in concentrating the fertilizer components such as nitrogen and phosphorus. In the high-temperature-dry-type fermentation, methane production increased rapidly and abruptly on the 15 days after the start of fermentation, then volatile fatty acid and easily decomposable organic constituents decreased remarkably, and at the same time a stabilized organic matter with high degree of humification was produced. In addition, the safety of the fermentation residue was confirmed by the growth experiment of Komatsuna (Brassica campestris L.), and also by weed-seed killing rate experiment.
 According to the techniques and knowledge obtained by this project, as well as to the results of research on the economic aspects of dry-type methane fermentation system and its possible market, we designed a business plan. Problems to be solved at present are, 1) failure in fermentation due to inhomogeneous mixing of raw material, 2) heat loss during extremely cold season, 3) decrease in the temperature of fermentation tank immediately after the input of raw material, 4) variation with time of the produced amount of biogas, 5) slurry nature of the fermentation residue excreted from the system, 6) possible high cost of biogas production. These possible problems will be solved in the next phase of this project, and practical type methane fermentation system will be established.
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