(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンテナに収容され、有機性の処理物に対して可溶化処理を行う可溶化槽と、
コンテナに収容され、前記可溶化槽で可溶化処理された処理物を発酵させてメタンを発生させるメタン発酵槽と、
を含む、一連の処理列を備え、
前記可溶化槽は、
処理物を収容する内容器と、
前記内容器の外側に設けられ、前記内容器との間に前記内容器に収容された処理物の可溶化処理で発生する熱により所定の温度に熱せられる熱媒体を収容する外容器と、
を有し、
前記メタン発酵槽に収容された処理物の一部を前記メタン発酵槽から外部に取り出して内部に戻すことにより、処理物を循環させる処理物循環部と、
前記熱媒体の一部を前記可溶化槽から外部に取り出して内部に戻すことにより、前記熱媒体を循環させる熱媒体循環部と、
前記熱媒体循環部を循環する熱媒体と、前記処理物循環部を循環する処理物との間で熱交換を行う熱交換部と、
を備えるメタン発酵システム。
【請求項２】
前記一連の処理列は、
コンテナに収容され、投入された複数の異なる有機性廃棄物を粉砕する粉砕部と、
コンテナに収容され、粉砕された有機性廃棄物を、前記可溶化槽に送られる前記処理物として収容して混合する混合槽と、を備える、
請求項１に記載のメタン発酵システム。
【請求項３】
前記一連の処理列は、
前記混合槽に収容された処理物に紫外線を照射する紫外線照射部を備える、
請求項２に記載のメタン発酵システム。
【請求項４】
前記一連の処理列は、
前記可溶化槽に収容された処理物に、可溶化菌を供給する可溶化菌供給部を備える、
請求項３に記載のメタン発酵システム。
【請求項５】
前記可溶化槽が、第１のコンテナに収容され、
前記メタン発酵槽が、第２のコンテナに収容される、
請求項１から４のいずれか一項に記載のメタン発酵システム。
【請求項６】
前記一連の処理列は、
コンテナに収容され、前記メタン発酵槽で発生したメタンガスを用いて発電を行う発電機を備える、
請求項１から５のいずれか一項に記載のメタン発酵システム。
【請求項７】
前記一連の処理列を複数備え、
前記各処理列で、種類の異なる有機性の処理物を処理し、
前記各処理列で生成するメタンガスを収集して、発電を行う発電部を備える、
請求項１から５のいずれか一項に記載のメタン発酵システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタン発酵システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、下水汚泥、畜産糞尿及び厨芥類などの有機性廃棄物をメタン発酵処理してメタンガスを発生させ、発生したメタンガスを用いて発電を行ういわゆるバイオマス発電が盛んに行われるようになっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
メタン発酵を効率良く行うためには、メタン発酵に先立って、有機性廃棄物に含まれる難分解性固形有機物を、微生物の基質として使用できる程度に有機性廃棄物を可溶化する可溶化処理を行う設備が必要になる。さらに、可溶化処理を効率良く行うためには、有機性廃棄物をできるだけ細かく粉砕する設備や、粉砕された有機性廃棄物を可溶化処理を行う微生物が活動し易い環境にする前処理を行う設備が必要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１６５０１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、メタン発酵を行うためには様々な設備が必要になるため、メタンガスを生成するシステムは、大規模なものが多くなる。そのため、設営に時間がかかり、適材適所に設備を建設することが困難になっている。このことが、バイオマス発電の普及を遅らせる要因の１つになっている。
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、移動が簡単で、適材適所に設備を置くことができるメタン発酵システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明のメタン発酵システムは、
コンテナに収容され、有機性の処理物に対して可溶化処理を行う可溶化槽と、
コンテナに収容され、前記可溶化槽で可溶化処理された処理物を発酵させてメタンを発生させるメタン発酵槽と、
を含む、一連の処理列を備え、
前記可溶化槽は、
処理物を収容する内容器と、
前記内容器の外側に設けられ、前記内容器との間に前記内容器に収容された処理物の可溶化処理で発生する熱により所定の温度に熱せられる熱媒体を収容する外容器と、
を有し、
前記メタン発酵槽に収容された処理物の一部を前記メタン発酵槽から外部に取り出して内部に戻すことにより、処理物を循環させる処理物循環部と、
前記熱媒体の一部を前記可溶化槽から外部に取り出して内部に戻すことにより、前記熱媒体を循環させる熱媒体循環部と、
前記熱媒体循環部を循環する熱媒体と、前記処理物循環部を循環する処理物との間で熱交換を行う熱交換部と、
を備える。
【０００９】
また、前記一連の処理列は、
コンテナに収容され、投入された複数の異なる有機性廃棄物を粉砕する粉砕部と、
コンテナに収容され、粉砕された有機性廃棄物を、前記可溶化槽に送られる前記処理物として収容して混合する混合槽と、を備える、
こととしてもよい。
【００１０】
また、前記一連の処理列は、
前記混合槽に収容された処理物に紫外線を照射する紫外線照射部を備える、
こととしてもよい。
【００１１】
前記一連の処理列は、
前記可溶化槽に収容された処理物に、可溶化菌を供給する可溶化菌供給部を備える、
こととしてもよい。
【００１２】
前記可溶化槽が、第１のコンテナに収容され、
前記メタン発酵槽が、第２のコンテナに収容される、
こととしてもよい。
【００１３】
前記一連の処理列は、
コンテナに収容され、前記メタン発酵槽で発生したメタンガスを用いて発電を行う発電機を備える、
こととしてもよい。
【００１４】
前記一連の処理列を複数備え、
前記各処理列で、種類の異なる有機性の処理物を処理し、
前記各処理列で生成するメタンガスを収集して、発電を行う発電部を備える、
こととしてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、可溶化槽やメタン発酵槽のような、有機性廃棄物からメタンガスを生成するための設備がコンテナに収容されている。このため、メタンガスを生成するための設備を、様々な場所へ搬送することができるので、移動が簡単で、設備場所の自由度を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施の形態に係るメタン発酵システムの構成を示す模式図である。
【図２】発電機が収容されたコンテナが連結されたメタン発酵システムの構成を示す模式図である。
【図３】複数の異なる処理列が連結されたメタン発酵システムの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
本実施の形態に係るメタン発酵システムは、有機廃棄物をメタン発酵することにより、メタンガスを生成し、生成されたメタンガスをバイオマスエネルギーとして利用する。ここで、有機性廃棄物とは、タンパク質、炭水化物、脂肪、セルロースなどの高分子有機化合物又はそれ由来の化合物から主としてなる物質であり、実質的に固体状無機化合物は含有しない。ただし、簡単に可溶化できて、微生物の増殖に悪影響を及ぼさない固体状無機化合物であれば、多少は含有されていてもよい。
【００１９】
かかる有機性廃棄物としては、例えば畜産汚泥、下水汚泥、生ごみなどの厨芥類などの有機性廃棄物を挙げることができる。これらは可溶化処理前に固形物濃度を濃縮処理した原料として使用してもよい。また、糖や有機酸やそれらの混合した、メタン発酵処理における代謝経路の有機物を添加してもよい。
【００２０】
上述の有機性廃棄物を処理物とするメタン発酵システム１は、図１に示すように、コンテナ２、３を筐体として構成されている。コンテナ２は、２０ｆｔのコンテナであり、コンテナ３は、４０ｆｔのコンテナである。コンテナ２、３に収容された構成要素で、一連の処理列が構成されている。
【００２１】
コンテナ２の中には、主な収容物として、破砕機付きモーノポンプ１０と、混合槽１１と、可溶化槽１２と、が収容されている。また、コンテナ３の中には、主な収容物として、メタン発酵槽１３と、脱硫装置１４と、が収容されている。
【００２２】
破砕機付きモーノポンプ１０と、混合槽１１との間には、配管２０が形成されている。混合槽１１と、可溶化槽１２との間には、配管２１が形成されている。また、可溶化槽１２とメタン発酵槽１３との間には、配管２２が形成されている。配管２２は、コンテナ２側の配管と、コンテナ３側の配管とに分かれており、両配管が例えば継手で連結されることによって構成されている。メタン発酵槽１３には、配管２３が形成されている。
【００２３】
有機性廃棄物は、コンテナ２の破砕機付きモーノポンプ１０に投入され、配管２０→混合槽１１→配管２１→可溶化槽１２→配管２２→メタン発酵槽１３→配管２３を通って、コンテナ３から排出される。排出された処理物は、堆肥として利用される。
【００２４】
また、メタン発酵槽１３と、脱硫装置１４との間には配管２４が形成されている。また、脱硫装置１４には、配管２５が取り付けられている。
【００２５】
破砕機付きモーノポンプ１０には、コンテナ２の外部から有機性廃棄物が投入される。破砕機付きモーノポンプ１０は、投入された有機性廃棄物を適当な大きさに粉砕して、配管２０を介して混合槽１１に送る。
【００２６】
混合槽１１の内部には攪拌機が設けられており、投入された有機性廃棄物が攪拌機で攪拌される。これにより、混合槽１１に収容された有機性廃棄物は、混合し均一な状態となる。また、混合槽１１には、紫外線照射部３０が取り付けられている。紫外線照射部３０には、例えば、紫外線を出射する発光ダイオード（ＬＥＤ）を混合槽１１内に照射する。紫外線照射部３０は、混合槽１１に投入された処理物に紫外線を照射し、処理物の殺菌を行う。
【００２７】
配管２１には、ポンプ４０及び三方電磁弁４１が取り付けられている。これらの動作により、混合槽１１の有機性廃棄物は、配管２１を介して、可溶化槽１２に送られる。
【００２８】
可溶化槽１２は、投入された処理物に対して可溶化処理を行う。可溶化槽１２では、例えば、プロテアーゼ生成菌等の可溶化菌を用いた高温可溶化処理が行われる。可溶化槽１２には、培養槽３１が取り付けられている。培養槽３１では、可溶化菌が培養されており、培養槽３１から可溶化槽１２に可溶化菌が供給される。
【００２９】
可溶化槽１２には、槽内を高温にするための投げ入れ式のヒータ３３が設けられている。これにより、可溶化槽１２の槽内の温度が高温に保たれている。可溶化槽１２の槽内には、有機性廃棄物を攪拌するための攪拌機とモータとが取り付けられている。さらに、また、可溶化槽１２には、有機性廃棄物に空気を供給するための空気挿入口が設けられている。このようにして、可溶化槽１２では、撹拌又は瀑気（ばっき）を行うことで可溶化を促進させる。上記高温好気性とは、温度を５０℃〜１００℃として、好ましくは圧力をかけることなく標準状態（空気雰囲気下）で有機性廃棄物を可溶化する状態を意味する。
【００３０】
可溶化処理とは、固体状又は水懸濁状の通常高分子状の有機化合物を、水に溶解可能な低分子状態にまで分解する処理である。本実施の形態では、プロテアーゼ生成菌を用いて超高温可溶化が実施される。プロテアーゼ生成菌とは、タンパク質分解酵素（プロテアーゼ）を菌体外に生成分泌することができる菌である。
【００３１】
プロテアーゼ生成菌としては、例えばＢａｃｉｌｌｕｓ種が挙げられ、特にＢａｃｉｌｌｕｓ  ｓｐ．ＭＵ３（微生物特許寄託センター第ＮＩＴＥ  ＡＰ−１５６号）が挙げられる。この耐熱性のプロテアーゼ生成菌は、８０℃でも十分に活動できる超高温好気性を有する。この菌の産生する酵素は、分子量約５７，０００で、優れた熱耐性を示し、広いｐＨ範囲で、高いタンパク質分解能を有する。
【００３２】
超高温とは、５０℃〜１００℃、好ましくは６０℃〜９０℃、特に好ましくは７０℃〜８０℃である。超高温可溶化は、水溶液媒体中、好気性又は嫌気性条件下、好ましくは好気性条件下、有機性廃棄物を有機性廃棄物濃度が５０ｗｔ％以下、好ましくは５〜４０ｗｔ％、特に好ましくは１０〜３０ｗｔ％になるような量で、プロテアーゼ生成菌と接触させて行われる。この実施の形態において、特に好ましい条件では有機性廃棄物濃度１０〜３０ｗｔ％まで原料の固形物濃度（ＤＳ）を高めることができ、望ましくはＤＳ２０％以上で、ｐＨ５〜８、望ましくは６付近、可溶化槽雰囲気は好気性が最適条件となる。
【００３３】
プロテアーゼ生成菌により消化させるための時間は１２〜７２時間、好ましくは２４〜４８時間である。好気性又は嫌気性条件下で実施する場合、攪拌、瀑気（ばっき）条件下で実施することができる。かかる条件下で実施すると、後述するように、アンモニアをその場で除去することが可能となり、原料の可溶化とアンモニア除去を同時に行うことができ、メタン発酵の促進が可能となる。Ｂａｃｉｌｌｕｓ  ｓｐ．ＭＵ３をプロテアーゼ生成菌として用いる場合、この菌は好気性耐熱性菌であるので、空気で瀑気しながら攪拌下で可溶化でき、可溶化、アンモニア除去の両面から最適である。
【００３４】
この実施の形態に係る可溶化工程は、プロテアーゼ生成菌の他に、リパーゼ生産菌、グリコシターゼ生成菌及び／又はセルラーゼ生成菌など、各種分解酵素を生成する菌体を単独または組み合わせて添加することが可能である。これらは生育、増殖条件が似たようなものであれば、同一の反応槽で使用することができるが、条件が異なる場合は複数の可溶化槽１２を設け、各可溶化槽１２を異なる条件で使用すればよい。この場合、リパーゼ生産菌、グリコシターゼ生成菌及び／又はセルラーゼ生成菌を用いる可溶化槽で可溶化を行った後、プロテアーゼ生成菌による高温可溶化槽で可溶化をすることが好ましい。
【００３５】
可溶化槽１２にはアンモニア吸着槽３２が設けられている。アンモニア吸着槽３２は、可溶化槽１２における可溶化処理で発生するアンモニアを吸着して除去するために設けられている。
【００３６】
配管２２にも、ポンプ４０及び三方電磁弁４２が設けられ、これらの動作により、可溶化槽１２で可溶化された処理物は、配管２２を介して、メタン発酵槽１３に送られる。メタン発酵槽１３は、収容された処理物に対してメタン発酵処理を行う。
【００３７】
メタン発酵処理は、通常嫌気性雰囲気で活動するメタン菌が用いられ、その消化作用を利用するものである。メタン菌の活性温度領域は０〜７０℃が普通であり、これ以上の高温領域では９０℃程度まで生き延びる菌種も存在するが、ほとんど死滅する。低温領域では３℃から４℃までが限界とされている。メタンガス生成速度は、この活性温度に非常に大きな影響を受ける。
【００３８】
ガス生成速度は発酵槽温度が高ければ高いほど早く進みガス発生量が増大する。実際にメタン菌が住みやすいとされている温度領域は次の３つが確認されている。（１）２０℃以下の低温領域、（２）２５〜３５℃の中温領域、（３）４５℃以上の高温領域がある。本発明のメタン発酵の温度については低温、中温、高温のメタン発酵がいずれでも適用できるが、４０℃〜７０℃で高温メタン発酵を行うのが好ましく、更には５０℃〜５５℃でメタン発酵するのが好ましい。
【００３９】
高温可溶化された有機性廃棄物をメタン発酵処理する場合、乾式（投入固形物濃度を１０％以上とする乾式）の処理方式を採用することによって効率良くメタン発酵処理することができ、本実施形態でも、乾式の処理方式を適用することができる。
【００４０】
本実施の形態では、可溶化処理を高温好気性条件下で実施し、メタン発酵処理を嫌気性条件下で実施することが出来るので、温度においては可溶化処理の高い温度を利用してメタン発酵の温度を高くすることができ、また菌増殖条件としては可溶化処理（好気性条件）の菌がメタン発酵工程（嫌気性条件）で不活性化されるためメタン発酵を邪魔しないという利点がある。
【００４１】
本実施の形態では、上記高温好気性とは温度を５０〜１００℃として、好ましくは圧力をかけることなく標準状態（空気雰囲気下）で有機性廃棄物を可溶化する状態を意味する。
【００４２】
メタン発酵槽１３で処理済となった処理物は、ポンプ４３を用いて配管２３から排出される。排出された処理物は、堆肥として用いることができる。
【００４３】
メタン発酵槽１３で生成されたガスは、配管２４を介して、脱硫装置１４に出力される。脱硫装置１４は、入力したガスに対して脱硫処理を行い、取り出したメタンガスを、配管２５を介してコンテナ３の外部に出力する。
【００４４】
コンテナ３の外部に出力されたメタンガスは発電に用いられる。例えば、図２に示すように、コンテナ４に収容された発電設備にメタンガスを送り、発電を行うようにしてもよい。コンテナ４は２０ｆｔのコンテナであり、中には、ガスホルダ５０と、ガスエンジン５１とが収容されている。ガスホルダ５０は、コンテナ３から配管２５を介して送られたメタンガスを貯留する。ガスエンジン５１は、ガスホルダ５０から送られるメタンガスでガスタービンを回して発電を行う。ガスエンジン５１で発電された電力は、キュービクル（受電設備）へ送られる。
【００４５】
また、例えば、図３に示すように、コンテナ２及びコンテナ３の処理列を複数備え、各処理列のコンテナ３から出力されるメタンガスを、１つの発電設備４’に収集して、メタンガスを蓄積し、発電を行うようにしてもよい。発電設備４’の構成は、図２のコンテナ４と概略同じであるが、大量のメタンガスを収集するためのコンテナ４よりも発電される電力を大きくすることができる。
【００４６】
このようなシステムでは、例えば、投入する有機性廃棄物を分別して各処理列に投入すればよい。例えば、図３に示すように、処理列５Ａには、農場Ａから出た有機性廃棄物を投入し、処理列５Ｂには、食品工場Ｂから出た有機性廃棄物を投入し、処理列５Ｃには、牧場Ｃから出た有機性廃棄物を投入し、処理列５Ｄには、住宅地Ｄから出た有機性廃棄物を投入するといったように、廃棄物の出所を固定するようにしてもよい。このようにすれば、投入される有機性廃棄物に含まれるタンパク質、炭水化物、脂肪、セルロースなどの高分子有機化合物又はそれ由来の化合物の割合を各処理列で極力一定にすることができる。
【００４７】
投入される有機性廃棄物における化合物の割合が変わってしまうと、メタン発酵槽１３における発酵菌の数が著しく減り、メタンガスの生成量が落ち込んでしまうおそれがある。そこで、有機性廃棄物における化合物の割合を一定に保つことにより、メタン発酵槽１３でメタンガスを発酵させる菌の状態を、メタンガスが発酵し易い状態に保つことができる。この結果、メタンガスの発生効率を各処理列５Ａ〜５Ｄで安定化させ、発電設備４’の発電機にメタンガスを安定して供給することができる。
【００４８】
なお、コンテナ２、３より構成される各処理列５Ａ〜５Ｄは、互いに近くになくてもよく、発電設備４’と配管で接続されていなくてもよい。遠隔地に処理列５Ａ〜５Ｄを設置し、各処理列５Ａ〜５Ｄで発生したメタンガスをガス運搬車で、発電設備４’に運搬するようにしてもよい。
【００４９】
さらに、本実施の形態によれば、図１に示すように、可溶化槽１２には、処理物を収容する内容器１２Ａと、内容器１２Ａを囲むように設けられた外容器１２Ｂとが設けられている。可溶化処理が行われる処理物は、内容器１２Ａ内に収容される。外容器１２Ｂと内容器１２Ａとの間には、熱媒体が収容されている。本実施の形態では、熱媒体として湯水が用いられる。
【００５０】
また、メタン発酵システム１には、処理物をメタン発酵槽１３から外部に取り出して内部に戻すことにより、処理物をポンプ６３により循環させる処理物循環部６０が設けられている。また、メタン発酵システム１には、熱媒体（水）を可溶化槽１２から外部に取り出して内部に戻すことにより、熱媒体を循環させる熱媒体循環部６１が設けられている。
【００５１】
処理物循環部６０と、熱媒体循環部６１とは一部が接している。この接した部分に熱交換器６２が設けられている。熱交換器６２は、熱媒体循環部６１で循環する熱媒体と、処理物循環部６０を循環する処理物との間で熱交換を行う。
【００５２】
熱交換器６２には、処理物循環部６０の一部である処理物配管が設けられ、その周囲を、熱媒体循環部６１の一部である熱媒体配管が覆っている。各配管は熱伝導性の高い材質、例えば銅製で形成されている。この処理物配管と熱媒体配管との間で熱交換が行われる。熱媒体により暖められた処理物は、メタン発酵槽１３に戻り、発酵効率の高い温度でさらにメタン発酵が行われる。このような熱交換器６２により、メタン発酵槽１３で発酵する処理物の温度が、均一に保たれており、発酵菌によるメタン発酵効率が低下しないように維持されている。
【００５３】
以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、可溶化槽１２やメタン発酵槽１３のような、有機性廃棄物からメタンガスを生成するための設備がコンテナ２、３に収容されている。このため、メタンガスを生成するための設備を、様々な場所へ搬送することができるので、移動が簡単で、設備場所の自由度を大きくすることができる。
【００５４】
また、本実施の形態では、可溶化槽１２における可溶化処理で発生した熱で、メタン発酵槽１３に収容される処理物の温度を一定に保っている。これにより、メタン発酵槽１３の温度を一定に保つための湯を貯めておく貯湯タンクを備える必要がなくなるので、システム全体を小型化することができる。このような工夫により、システムの移動がさらに容易になる。
【００５５】
なお、本実施の形態では、可溶化槽１２Ａで熱せられた温水を熱媒体として、メタン発酵槽１３に収容された処理物を適正な温度に保つようにしたが、これに加えて、コンテナ４，発電設備４’で発電を行うガスエンジン５１で発生した熱を用いて、メタン発酵槽１３に収容された処理物を適正な温度に保つようにしてもよい。
【００５６】
この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、バイオマス発電等におけるメタンガスの生成に利用することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１  メタン発酵システム、２，３，４  コンテナ、４’  発電設備、５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ  処理列、１０  破砕機付きモーノポンプ、１１  混合槽、１２  可溶化槽、１３  メタン発酵槽、１４  脱硫装置、２０，２１，２２，２３，２４，２５，２６  配管、３０  紫外線照射部、３１  培養槽、３２  アンモニア吸着槽、３３  ヒータ、４０  ポンプ、４１，４２  三方電磁弁、４３  ポンプ、５０  ガスホルダ、５１  ガスエンジン、６０  処理物循環部、６１  熱媒体循環部、６２  熱交換器
【要約】
【課題】移動が簡単で、適材適所に設備を置くことができるメタン発酵システムを提供する。
【解決手段】メタン発酵システム１は、コンテナ２に収容され、有機性の処理物に対して可溶化処理を行う可溶化槽１２と、コンテナ３に収容され、可溶化槽１２で可溶化処理された処理物を発酵させてメタンを発生させるメタン発酵槽１３と、を含む、一連の処理列５を備える。有機性廃棄物は、破砕機付きモーノポンプ１０→混合槽１１→可溶化槽１２→メタン発酵槽１３と送られ、可溶化処理→メタン発酵によりメタンガスを生成して出力する。メタン発酵槽１３は、可溶化槽１２で発生する熱等を用いて加熱する機構が設けられている。
【選択図】図１【図１】
0006026689.tif 000002
【図２】
0006026689.tif 000003
【図３】
0006026689.tif 000004