生物材料的分解方法和分解装置制造方法
【专利摘要】生物材料的分解方法，其是利用担载于载体的微生物分解生物材料的方法，其特征在于，前述载体为含水聚乙烯醇载体，相对于该含水聚乙烯醇载体100重量份，将生物材料20～500重量份和水5～70重量份在反应容器内混合并进行搅拌。通过该方法，可以高效地分解生物质。此外，还可以高效地制造包含含有生物质的分解产物的水溶液的液体肥料。
【专利说明】生物材料的分解方法和分解装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及利用担载于载体的微生物分解生物材料的方法和分解装置。此外，本发明还涉及利用担载于载体的微生物分解生物材料而制造液体肥料的方法。
【背景技术】
[0002]二十世纪的人类大量使用不可再生的化石资源构筑了现代文明。然而，这种生活方式中，伴随人类生活的标准化，产生了资源成本的急剧上涨和资源供给的窘迫等问题，并且成为副产物导致的使地球环境恶化的原因。因此，强烈需要开发一种能够有效发挥可再循环资源的技术。
[0003]特别地，生物材料(以下，有时称为生物质)是地球上最大的可再生资源，期待有效地将其再循环。迄今为止，处理家庭生活垃圾(以下，简称为生活垃圾)、食品加工废弃物、农业废弃物等生物质的技术是以利用微生物的功能将生物质部分分解而形成肥料的被称为吲哚(indole)法的技术为基础。而且，也开发了大量用于该目的使用的机器。
[0004]然而，在以往向固体生物质中添加微生物来进行发酵分解的方法(固相发酵)中，与作为原料的生物质的体积相比，微生物的量少。因此存在下述问题:在分解的初期阶段，发生由生物质自身带入的固有性微生物所致的分解优先于由添加在生物质中的微生物所致的分解的现象。因此，常常导致发酵过程中的异味(臭气)的发生和腐败等。所以，为了以固相发酵高效地分解生物质，进行了使用特殊性质的微生物(例如高温性细菌)，在抑制固有性微生物的活动的同时进行发酵等的尝试。
[0005]然而，这样的方法也并非是将生物质完全分解为液状的方法，并不容易形成适于分解的高密度的微生物环境。鉴于这种状況，人们提出了与微生物一起向处理槽中添加填充剂进行分解处理的装置、或使用粘合剂使微生物固着于基材上的微生物缓释剂。
[0006]专利文献I中公开了将生活垃圾和填充材料混合，在处理槽内通过微生物的作用对生活垃圾进行分解处理的生活垃圾处理装置。作为这里使用的填充材料，记载了使用发泡树脂细粒。作为发泡树脂，记载了适当的是聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯等合成树脂的发泡体。此外，还记载了作为发泡体的发泡形式，可以是独立发泡或连续发泡，但从生活垃圾的小片不会侵入发泡体内部、或者水、空气不易通过表面的皮层而与生活垃圾接触的角度出发，优选为独立发泡。藉此，使得填充材料自身不会随着生活垃圾一起分解，通过将填充材料和生活垃圾混合，使得生活垃圾和水分、空气的接触顺利地进行，从而使分解得到促进。然而，该分解能力还不能说完全令人满意。
[0007]现有技术文献 专利文献
专利文献1:日本特开平8-112582号公报。
【发明内容】
[0008]发明要解决的技术问题 本发明是为了解决上述课题而完成的发明，其目的是提供能够高效分解生物质的生物质的分解方法。
[0009]用于解决技术问题的手段
上述课题通过提供下述生物材料的分解方法而得以解决，该分解方法是利用担载于载体的微生物分解生物材料的方法，其特征在于，前述载体为含水聚乙烯醇载体，并且相对于该含水聚乙烯醇载体100重量份，将生物材料20?500重量份和水5?70重量份在反应容器内混合并进行搅拌。
[0010]此时，优选从上述反应容器中取出含有分解产物的水溶液。此外，还优选一边向上述反应容器连续地或间歇地供给水，一边从反应容器中连续地取出含有分解产物的水溶液。
[0011]优选上述微生物为芽胞杆菌(bacillus)属的细菌。优选上述生物材料是选自农产废弃物、畜产废弃物、水产废弃物、食品加工废弃物、和厨房系废弃物中的至少I种废弃物。此外，还优选相对于上述含水聚乙烯醇载体100重量份，进一步向前述反应容器内加入硬质载体20?300重量份，混合并进行搅拌。
[0012]上述课题通过提供下述液体肥料的制造方法也得以解决，该制造方法是利用担载于载体的微生物分解生物材料而制造液体肥料的方法，其特征在于，前述载体为含水聚乙烯醇载体，并且相对于该含水聚乙烯醇载体100重量份，将生物材料20?500重量份和水5?70重量份在反应容器内混合并进行搅拌，从前述反应容器中取出含有分解产物的水溶液。
[0013]上述课题通过提供下述生物材料的分解装置也得以解决，该分解装置是利用担载于载体的微生物分解生物材料的装置，其特征在于，具备:容纳有担载了微生物的含水聚乙烯醇载体的反应容器；向前述反应容器供给水的设备；对前述反应容器内的生物材料进行搅拌的设备；和从前述反应容器中取出含有分解产物的水溶液的设备。
[0014]发明效果
根据本发明的分解方法，可以高效地分解生物质。此外，还可以高效地制造包含含有生物质的分解产物的水溶液的液体肥料。
【专利附图】
【附图说明】
[0015][图1]是示出本发明的一例分解装置的图。
[0016][图2]是示出实施例5中的小松菜(Japanesemustard spinach)种子的发芽状况的图。
[0017][图3]是示出实施例6中小松菜的发育状况的图。
【具体实施方式】
[0018]本发明中，重要的是使用使用含水聚乙烯醇载体来作为担载微生物的载体。聚乙烯醇由于具有大量羟基因而亲水性高，与机体的亲和性也高，所以适合作为微生物载体。作为含水聚乙烯醇载体，优选使用聚乙烯醇含水凝胶，更优选使用经缩醛化的聚乙烯醇含水凝胶。藉此，可以进一步增大微生物的保持量，同时还可确保重复使用时的耐久性。此外，本发明中使用的含水聚乙烯醇载体的保水性优异。因此，即使对载体施加外力而发生变形，也不容易放出水分，可以维持适于微生物栖息的环境。另一方面，在使用聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯等合成树脂的独立发泡体来作为担载微生物的载体时，由于气泡各自独立并不连续，因而难以通过水和空气，作为担载微生物的载体并不优选。在使用合成树脂的连续发泡体来作为担载微生物的载体时，由于与本发明中使用的含水聚乙烯醇载体不同，在施加外力发生变形时容易放出水分，因而无法维持适合微生物栖息的环境，微生物的栖息性差。
[0019]其中，优选使用下述球状含水凝胶，其是将溶解有聚乙烯醇、和藻酸盐之类的水溶性高分子多糖类溶解的水溶液滴加至氯化钙水溶液之类的含有多价金属离子的水溶液中，成形为球状，接着使用福尔马林等进行缩醛化处理而成的球状含水凝胶。这样，由于可得到均匀的球状凝胶，保持微生物的球状凝胶载体的表面与生物质的接触效率变高，分解效率提闻，同时反复使用时的耐久性也提闻。
[0020]本发明的含水聚乙烯醇载体中使用的聚乙烯醇可通过聚合乙酸乙烯酯等羧酸乙烯酯，并进行皂化而得到。从强度、耐水性等方面出发，优选平均聚合度为1000以上、特别更优选1500以上的聚乙烯醇。此外，从耐水性等方面出发，优选使皂化度为95摩尔％以上、进而为98摩尔％以上、特别为99.8摩尔％以上。本发明中可以使用未改性聚乙烯醇，但在不损害本发明效果的范围内也可以使用各种改性聚乙烯醇。
[0021 ] 上述平均聚合度通过下式算出。
平均聚合度=([η] X 103/7.94) (1/0.62)
[n]表示特性粘度，该特性粘度的测定如下所述进行。即，将聚乙烯醇系聚合物完全皂化、然后进行再乙酰化，对于所得聚合物，使用乌氏粘度计，在丙酮中、30°c下测定特性粘度[H]。
[0022]本发明中使用的含水聚乙烯醇载体优选具有三维立体网孔结构，该结构具有连续孔。通过形成这种结构，可以使含水聚乙烯醇载体的表面积显著增大，使微生物保持性以及与生物质的接触效率进一步增大，可以使生物质的分解效率提高。含水聚乙烯醇载体的含水率优选为50?95重量％。含水率小于50重量％时，微生物的保持量可能变得不充分，更优选为70重量％以上。另一方面，含水率超过95重量％时，载体的强度可能降低，更优选为92重量％以下。
[0023]优选含水聚乙烯醇载体的当量球直径为0.5?6_。通过使载体的大小为该范围，可以使载体的操作性提高，并且可使载体每单位重量的表面积增大。藉此，可以使微生物保持性以及与生物质的接触效率进一步增大，从而提高生物质的分解效率。
[0024]本发明中，担载于含水聚乙烯醇载体的微生物只要能够分解生物质则没有特别限制，优选为芽胞杆菌属的细菌。作为芽胞杆菌属的细菌，可举出:解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)IF014141> 环状芽抱杆菌(Bacillus circulans)IF03329、凝结芽抱杆菌(Bacillus coagulans) IF012583、地衣芽胞杆菌(Bacilluslicheniformis)IF012195> 巨大芽胞杆菌(Bacillus megaterium)IFO AKU212、枯草芽抱杆菌(Bacillus subtilis) IF03134、枯草芽孢杆菌 TS-A (FERM P-18351)等。其中，本发明中担载于载体的微生物更优选为纳豆芽孢杆菌(Bacillus subtilis:枯草芽孢杆菌)和/或其同属细菌。此外，载体可担载I种芽孢杆菌属的细菌，也可以担载2种以上的芽孢杆菌属的细菌。[0025]本发明中，担载于含水聚乙烯醇载体的微生物可依照常法培养而得。其培养条件根据微生物的种类而不同，可以适宜选择使微生物的量为最大的条件进行培养。作为培养微生物时的培养基，可使用含有淀粉、蛋白胨、酪蛋白水解物、糊精、酵母提取物、葡萄糖等天然有机物质的培养基。此外，根据情形，也可向培养基中适量添加磷酸盐、钾盐等无机盐类。进而，还可向培养基中适量添加小麦麸、米糠、大豆粉、稻壳等营养源。关于培养条件，也没有特别限制，可以适宜选择适于使通气液体培养、固体培养等通常的微生物增殖的条件。
[0026]作为使微生物担载于含水聚乙烯醇载体的方法，并无特别限制，例如，可以通过下述方法来担载。
[0027]制备使含水聚乙烯醇载体分散于水中而得的分散液，向其中添加由天然有机物质等构成的培养基并充分进行混合。此时，优选相对于含水聚乙烯醇载体100重量份添加培养基I?5重量份。继而，通过向其中添加微生物并充分进行混合，从而培养微生物并将微生物担载于载体。微生物的培养条件没有特别限制，微生物为芽孢杆菌时为20?30°C、10?40小时。通过设为上述温度范围，可以长时间维持培养的增殖速度，故优选。此外，通过设为上述时间范围，可以将足够分解生物质的量的微生物担载于载体。通过设为这样的培养条件，芽孢杆菌增殖至投入的菌数的10倍?100倍左右。此外，还优选以4?8小时间隔对含有载体的培养液进行搅拌。藉此，可以使微生物有效地担载于含水聚乙烯醇载体。
[0028]作为使微生物担载于含水聚乙烯醇载体的方法，特别是从简化制法的观点出发，也优选预先将培养基溶解于水，将该培养基溶液与含水聚乙烯醇载体混合，并向其中混合微生物的方法。此时的微生物的培养条件并无特别限制，在微生物为芽孢杆菌时，优选在室温?28°C下进行培养。此外，还可以选择在由天然有机物质等构成的培养基中添加微生物来培养微生物后，投入含水聚乙烯醇载体，使微生物担载于该载体的方法。优选以4?8小时间隔对含有载体的培养液进行搅拌。藉此，可以使微生物有效地担载于含水聚乙烯醇载体。
[0029]本发明中分解的生物材料只要是微生物能够分解的有机物则没有特别限制，优选为选自农产废弃物、畜产废弃物、水产废弃物、食品加工废弃物、和厨房系废弃物中的至少I种废弃物。其中，适合作为本发明中分解的生物材料的是厨房系废弃物，特别是生活垃圾。
[0030]此外，为了高效地分解生物材料，更优选为上述废弃物中的I种废弃物，进一步优选为由单一植物种类或单一动物种类构成的废弃物。这里，作为生物材料为单一植物种类时的例子，可举出草坪草。通常，对于高尔夫球场、足球场、操场等生长有草坪草的场所，需要定期地修剪草坪草。若将此时修剪的草坪草直接放置，则可能对草坪草的生长产生不良影响。此外，即便对修剪的草坪草进行处理也存在耗费时间和成本的问题。因此，若利用本发明的分解方法分解修剪的草坪草则可在不耗费时间和成本的情形下高效地处理。进而，含有草坪草经分解处理而得的分解产物的水溶液还可以作为液体肥料使用。即，修剪的草坪草可以重新作为用于草坪草生长的肥料而构建循环型再循环系统。
[0031]本发明的分解方法中，将担载了微生物的含水聚乙烯醇载体、生物材料和水在反应容器内混合并进行搅拌。此时，混合的生物材料的量相对于含水聚乙烯醇载体100重量份为20?500重量份。反应容器内的生物材料的量相对于含水聚乙烯醇载体100重量份若小于20重量份，则相对于生物材料的量，微生物的量变多，并无效率。反应容器内的生物材料的量优选为30重量份以上、更优选为50重量份以上。另一方面，反应容器内的生物材料的量相对于含水聚乙烯醇载体100重量份若超过500重量份，则相对于生物材料的量，微生物的量减少，分解效率可能变差。反应容器内的生物材料的量相对于含水聚乙烯醇载体100重量份，优选为300重量份以下、更优选为200重量份以下。
[0032]混合的水的量相对于担载了微生物的含水聚乙烯醇载体100重量份为5?70重量份。通过水的量在该范围内，可以有效地分解生物质。反应容器内的水的量相对于含水聚乙烯醇载体100重量份优选为10重量份以上、更优选为20重量份以上。
[0033]在反应容器内，除了担载有微生物的含水聚乙烯醇载体、生物材料和水之外，还可以相对于含水聚乙烯醇载体100重量份进一步加入硬质载体20?300重量份，混合并进行搅拌。作为上述硬质载体的原材料，优选使用硬质树脂、陶瓷、金属片、木片等与含水聚乙烯醇载体相比更硬的材料。生物材料和硬质载体通过在反应容器内进行搅拌，生物材料被硬质载体破碎，生物材料的分解得到促进。反应容器内的硬质载体的量相对于含水聚乙烯醇载体100重量份若小于20重量份，则得不到充分的破碎力。反应容器内的硬质载体的量优选为30重量份以上、更优选为50重量份以上。另一方面，反应容器内的硬质载体的量相对于含水聚乙烯醇载体100重量份若超过300重量份，则硬质载体的量过多，分解效率变差。反应容器内的硬质载体的量优选为200重量份以上、更优选为250重量份以上。此外，优选硬质载体的当量球直径为0.5?15mm。
[0034]继而，将以上述比例担载有微生物的含水聚乙烯醇载体、生物材料和水在反应容器内混合并进行搅拌，由此担载于载体的微生物将生物材料分解。对混合方法和搅拌方法没有特别限制，可以在规定大小的反应容器中投入含水聚乙烯醇载体、生物材料和水，使用公知的搅拌装置对反应容器内的内容物进行搅拌。
[0035]此外，本发明的分解方法中，优选从上述反应容器中取出含有分解产物的水溶液。具体地，将微生物担载载体、生物材料和水在反应容器内混合，经过规定时间后或生物材料分解规定量后，从反应容器中取出含有分解产物的水溶液。如此，含有分解产物的水溶液不会积存在反应容器内。
[0036]此外，还优选一边向反应容器连续地或间歇地供给水，一边从反应容器中连续地取出含有分解产物的水溶液。如此，可以将反应容器内的水的量调整为相对于微生物担载载体100重量份为5?70重量份。此外，若连续地将分解处理中减少的分量的生物材料投入反应容器，也可以连续地进行分解处理。
[0037]本发明中，利用担载于载体的微生物将生物材料分解，并从反应容器中取出含有分解产物的水溶液，由此可以高效地制造液体肥料。
[0038]本发明的分解装置具备:收纳担载有微生物的含水聚乙烯醇载体的反应容器；向上述反应容器供给水的设备；对上述反应容器内的生物材料进行搅拌的设备；和从上述反应容器中取出含有分解产物的水溶液的设备。
[0039]図I是示出本发明的一例分解装置的图。该分解装置具备:反应容器1，向反应容器I供给水的洒水管2，用于搅拌反应容器I内的内容物的搅拌刮刀3和安装有搅拌刮刀的轴4、以及取出含有分解产物的水溶液的水溶液取出管5。
[0040]分解装置的反应容器I中收纳担载有微生物的含水聚乙烯醇载体。此时收纳于反应容器I的含水聚乙烯醇载体优选为上述微生物担载载体。
[0041]洒水管2是用于向反应容器I内供给水的管。水的供给方法没有特别限制，优选如图1所示，在洒水管2上以适当的间隔设置孔，安装于反应容器I的上部，并自反应容器I的上部洒水。此外，洒水管2的根数、孔的大小、孔的个数等也没有特别限制，可以适宜调整为对反应容器I内的全部内容物供给水。通过以该方法洒水，可以维持适当的水分量。
[0042]搅拌刮刀3将反应容器I内的内容物混合并进行搅拌。搅拌刮刀3的片数和大小没有特别限制，可以适宜设定使反应容器I内的内容物充分混合、搅拌的片数、大小。
[0043]此外,轴4可以通过手动或电动进行旋转,优选如图1所示使用电动机7。轴4的旋转数没有特别限制，可以是使反应容器I内的生物担载载体、生物材料和水充分混合、搅拌的程度的旋转数。
[0044]水溶液取出管5是用于将反应容器I内的水、即含有分解产物的水溶液从反应容器I中取出的管。具体地，优选如图1所示，含有分解产物的水溶液通过设置于反应容器I的下部的口径I?2mm的筛板6进行过滤，并由水溶液取出管5取出。
[0045]使用该分解装置进行生物材料的分解时的优选实施方式是:相对于含水聚乙烯醇载体100重量份，将生物材料20?500重量份和水5?70重量份加入反应容器I内，混合并进行搅拌。投入反应容器I的顺序没有限制，可以将生物材料投入反应容器I后通过洒水管2供给水，也可以通过洒水管2供给水后将生物材料投入反应容器1，还可以一边通过洒水管2供给水一边将生物材料投入反应容器I。此外，还优选以存在于反应容器I内的水的量相对于生物担载载体100重量份为5?70重量份的方式由洒水管2供给水。
[0046]继而，在反应容器I内投入生物材料，通过洒水管2供给水，通过搅拌刮刀3将内容物混合、搅拌，由此对生物材料进行分解处理。此外，由洒水管2供给的水清洗反应容器I内的内容物，提取含有分解产物的水溶液，通过水溶液取出管5取出至分解装置外。由此，得到投入生物质原料的重量的约20倍量的含有分解产物的溶液。
实施例
[0047]以下，用实施例对本发明进行更具体的说明，但本发明并不限于这些实施例。以下说明中，有时将含有分解产物的水溶液称为BDS(Biomass Digested Solution，生物质降解溶液)。
[0048]以下实施例中，作为载体，使用含水聚乙烯醇载体(以下，称为载体A)、聚丙烯载体(以下，称为载体B)、和低含水聚乙烯醇载体(以下，称为载体C)。这里，载体A是将溶解有聚乙烯醇和藻酸盐的水溶液滴加至含有氯化钙水溶液的水溶液中、然后用福尔马林进行定型而得的多孔结构的球状聚乙烯醇系含水凝胶。该载体A的当量球直径为4_，含水率为89重量％。此外，载体B为无孔的立方体(一边为约5mm)，含水率为O重量％。载体C是通过在载体A的制造中将定型的反应温度变高而得的多孔结构的球状聚乙烯醇系含水凝胶。该载体C的当量球直径为4mm，含水率为45重量％。
[0049][微生物担载载体的制备]
将芽孢杆菌接种于液体培养基(葡萄糖5%、蛋白胨0.5%、酵母提取物0.3%、pH6.8)，在28°C培养芽孢杆菌48小时。在如此制作的芽孢杆菌培养液中投入以湿重量计为1.5倍量的载体A、载体B或载体C，充分搅拌，在室温(22°C )静置，使菌体担载于载体。
[0050][担载的细菌数的测定]
将担载有微生物的载体A?C的载体ImL各自粉碎,悬浮于杀菌水,对担载于各载体的细菌在营养培养基琼脂平板上培养72小时后的细菌数、168小时培养后的细菌数分别进行测量。结果不于表1。以下，将担载有微生物的载体A称为微生物担载载体A、将担载有微生物的载体B称为微生物担载载体B、将担载有微生物的载体C称为微生物担载载体C。
[0051][表 I]
【权利要求】
1.生物材料的分解方法，其是利用担载于载体的微生物分解生物材料的方法，其特征在于，所述载体为含水聚乙烯醇载体，并且相对于该含水聚乙烯醇载体100重量份，将生物材料20?500重量份和水5?70重量份在反应容器内混合并进行搅拌。
2.权利要求1所述的生物材料的分解方法，其中，从所述反应容器中取出含有分解产物的水溶液。
3.权利要求2所述的生物材料的分解方法，其中，一边向所述反应容器连续地或间歇地供给水，一边从所述反应容器中连续地取出含有分解产物的水溶液。
4.权利要求1?3中任一项所述的生物材料的分解方法，其中，所述微生物为芽胞杆菌(bacillus)属的细菌。
5.权利要求1?4中任一项所述的生物材料的分解方法，其中，所述生物材料是选自农产废弃物、畜产废弃物、水产废弃物、食品加工废弃物、和厨房系废弃物中的至少I种废弃物。
6.权利要求1?5中任一项所述的生物材料的分解方法，其特征在于，相对于所述含水聚乙烯醇载体100重量份，进一步向所述反应容器内加入硬质载体20?300重量份，混合并进行搅拌。
7.液体肥料的制造方法，其是利用担载于载体的微生物分解生物材料而制造液体肥料的方法，其特征在于，所述载体为含水聚乙烯醇载体，并且相对于该含水聚乙烯醇载体100重量份，将生物材料20?500重量份和水5?70重量份在反应容器内混合并进行搅拌，从所述反应容器中取出含有分解产物的水溶液。
8.生物材料的分解装置，其是利用担载于载体的微生物分解生物材料的装置，其特征在于，具备:容纳有担载了微生物的含水聚乙烯醇载体的反应容器；向所述反应容器供给水的设备；对所述反应容器内的生物材料进行搅拌的设备；和从所述反应容器中取出含有分解产物的水溶液的设备。
【文档编号】B09B3/00GK103987467SQ201280059825
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年10月4日 优先权日:2011年10月7日
【发明者】坂井拓夫, 桥本保, 吉原资二 申请人:Iga 生命科技研发株式会社, 株式会社可乐丽