(57)【要約】【課題】ガスを液体に溶解させるときに要するエネルギー効率を向上させる。【解決手段】ガスの溶解装置２は、液体１２ｂが収容された容器１２ａと、一方の端部が容器１２ａの底部に接続されており、他方の端部が容器１２ａの上部に接続されている、液体が循環する循環経路１２ｃと、循環経路１２ｃの他方の端部側から循環経路の一方の端部側へと液体を移動させるポンプ１２ｄと、循環経路１２ｃにガスを供給するガス供給部１２ｅとを備える。循環経路１２ｃは、容器１２ａの底面よりも高い位置に位置する部分を有する。ガス供給部１２ｅは、循環経路１２ｃの容器１２ａの底面よりも高い位置に位置する部分にガスを供給する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体が収容された容器と、
一方の端部が前記容器の底部に接続されており、他方の端部が前記容器の上部に接続されている、前記液体が循環する循環経路と、
前記循環経路の他方の端部側から前記循環経路の一方の端部側へと前記液体を移動させるポンプと、
前記循環経路に前記ガスを供給するガス供給部と、
を備え、
前記循環経路は、前記容器の底面よりも高い位置に位置する部分を有し、
前記ガス供給部は、前記循環経路の前記容器の底面よりも高い位置に位置する部分に前記ガスを供給する、ガスの溶解装置。
【請求項２】
前記循環経路は、前記容器の底面よりも１ｍ以上高い位置に位置する部分を有し、
前記ガス供給部は、前記循環経路の前記容器の底面よりも１ｍ以上高い位置に位置する部分に前記ガスを供給する、請求項１に記載のガスの溶解装置。
【請求項３】
前記ガス供給部は、前記液体の流れにより生成させた負圧によって前記ガスを前記液体中に取り込ませる、請求項１又は２に記載のガスの溶解装置。
【請求項４】
前記ガス供給部は、ベンチュリ効果またはオリフィス通過により生成させた負圧によって前記ガスを前記液体中に取り込ませる、請求項３に記載のガスの溶解装置。
【請求項５】
前記ガス供給部は、圧縮機によって反応容器上部圧力よりも小さい圧力に加圧され、且つベンチュリ効果またはオリフィス通過により生成させた圧縮機通過後のガス厚より低い圧力によって前記ガスを前記液体中に取り込ませる、請求項３に記載のガスの溶解装置。
【請求項６】
前記ガス供給部は、前記液体中に前記ガスの気泡を形成する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のガスの溶解装置。
【請求項７】
前記循環経路と前記容器との接続部に配されており、固形物が前記循環経路に流入することを抑制するフィルタをさらに備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載のガスの溶解装置。
【請求項８】
前記ポンプが速度形圧縮機により構成されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載のガスの溶解装置。
【請求項９】
前記ポンプは、前記循環経路において、前記ガス供給部により供給されたガスが前記液体の流動方向とは反対側に移動しない流速で前記液体を移動させる、請求項１〜８のいずれか一項に記載のガスの溶解装置。
【請求項１０】
前記循環経路は、
前記容器の上部に接続された上流側部分と、
それぞれ、前記上流側部分に接続されており、前記容器の底面の異なる位置に接続された複数の下流側部分と、
を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のガスの溶解装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載のガスの溶解装置を備え、
前記容器には、一酸化炭素を含むガスから有機物質を生成させるための微生物又は物質を含む液体が収容されている、反応器。
【請求項１２】
請求項１１に記載の反応器を備える、有機物質の製造装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の有機物質の製造装置を用いた有機物質の製造方法。
【請求項１４】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載のガスの溶解装置を備える、排水処理装置。
【請求項１５】
前記容器には、微生物による活性汚泥を含む液体が収容されている、請求項１４に記載の排水処理装置。
【請求項１６】
消化液を処理する、請求項１４又は１５に記載の排水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスの溶解装置、反応器、有機物質の製造装置、有機物質の製造方法及び排水処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一酸化炭素を含む排気ガスを微生物発酵させることによりエタノールを製造する方法が知られている。その一例として、特許文献１には、産業プロセス排気ガスストリームの微生物発酵により、アルコール及び酸の少なくとも一方を含む一つ又は複数の生成物を製造する方法が記載されている。特許文献１には、微生物発酵を行うバイオリアクター内のガス圧を高くすることにより発酵を促進できる旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５２９６７９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一酸化炭素を含むガスから有機物質を製造するときのエネルギー効率を向上させたいという要望がある。そのためには、微生物を含む液体にガスを溶解させるときに要するエネルギーを小さくすることが好ましい。
【０００５】
また、例えば、排水の活性汚泥を用いた処理等においても、エネルギー効率を向上するために、空気を排水中に溶解させるときに要するエネルギーを小さくしたいという要望がある。
【０００６】
本発明の主な目的は、ガスを液体に溶解させるときのエネルギー効率を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るガスの溶解装置は、液体が収容された容器と、一方の端部が容器の底部に接続されており、他方の端部が容器の上部に接続されている、液体が循環する循環経路と、循環経路の他方の端部側から循環経路の一方の端部側へと液体を移動させるポンプと、循環経路にガスを供給するガス供給部とを備える。循環経路は、容器の底面よりも高い位置に位置する部分を有する。ガス供給部は、循環経路の容器の底面よりも高い位置に位置する部分にガスを供給する。
【０００８】
本発明に係るガスの溶解装置では、循環経路が、容器の底面よりも１ｍ以上高い位置に位置する部分を有し、ガス供給部が、循環経路の容器の底面よりも１ｍ以上高い位置に位置する部分にガスを供給するものであってもよい。
【０００９】
本発明に係るガスの溶解装置では、ガス供給部は、液体の流れにより生成させた負圧によってガスを液体中に取り込ませるものであってもよい。
【００１０】
本発明に係るガスの溶解装置では、ガス供給部は、ベンチュリ効果またはオリフィス通過により生成させた負圧によってガスを液体中に取り込ませるものであってもよい。
【００１１】
ここで、大気圧以下の圧力のみならず、反応容器本体上部の圧力よりも低い圧力までも含む。
【００１２】
本発明に係るガスの溶解装置では、ガス供給部は、液体の流れにより生成させた負圧によってガスを液体中に取り込ませるものであってもよい。
【００１３】
本発明に係るガスの溶解装置では、ガス供給部は、圧縮機によって反応容器上部圧力よりも小さい圧力に加圧され、且つベンチュリ効果またはオリフィス通過により生成させた圧縮機通過後のガス厚より低い圧力によってガスを液体中に取り込ませるものであってもよい。
【００１４】
本発明に係るガスの溶解装置では、ガス供給部は、液体中にガスの気泡を形成するものであることが好ましい。
【００１５】
本発明に係るガスの溶解装置は、循環経路と容器との接続部に配されており、固形物が循環経路に流入することを抑制するフィルタをさらに備えることが好ましい。
【００１６】
本発明に係るガスの溶解装置では、ポンプが速度形圧縮機により構成されていてもよい。
【００１７】
本発明に係るガスの溶解装置では、ポンプは、循環経路において、ガス供給部により供給されたガスが液体の流動方向とは反対側に移動しない流速で液体を移動させるものであってもよい。
【００１８】
本発明に係るガスの溶解装置では、循環経路は、容器の上部に接続された上流側部分と、それぞれ、上流側部分に接続されており、容器の底面の異なる位置に接続された複数の下流側部分とを有していてもよい。
【００１９】
本発明に係る反応器は、上記本発明に係るガスの溶解装置を備えている。容器には、一酸化炭素を含むガスから有機物質を生成させるための微生物又は物質を含む液体が収容されている。
【００２０】
本発明に係る有機物質の製造装置は、上記本発明に係る反応器を備えている。
【００２１】
本発明に係る有機物質の逓増方法では、上記本発明に係る有機物質の製造装置を用いて有機物質を製造する。
【００２２】
本発明に係る排水処理装置は、上記本発明に係るガスの溶解装置を備えている。
【００２３】
本発明に係る排水処理装置では、容器に、微生物による活性汚泥を含む液体が収容されていてもよい。
【００２４】
本発明に係る排水処理装置は、消化液を処理するものであってもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、ガスを液体に溶解させるときに要するエネルギー効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１の実施形態に係る有機物質の製造装置の模式図である。
【図２】第１の実施形態における反応器の模式図である。
【図３】第１の実施形態におけるガス供給部の模式図である。
【図４】第２の実施形態における反応器の模式図である。
【図５】第３の実施形態における反応器の模式図である。
【図６】第４の実施形態における排水処理装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
【００２８】
（第１の実施形態）
図１に示される製造装置１は、炭素源を部分酸化させて得られるガスから有機物質を製造するための装置である。
【００２９】
炭素源は、例えば、プラスチックや樹脂を含む廃棄物や、生ゴミであってもよいし、コークス等であってもよい。
【００３０】
製造される有機物質は、含酸素有機物であってもよい。製造される有機物質は、例えば、アルコール、有機酸、脂肪酸、油脂、ケトン、バイオマス、糖等であってもよい。アルコール、有機酸、脂肪酸、油脂、ケトン、バイオマス、糖の具体例としては、例えば、エタノール、酢酸等が挙げられる。
【００３１】
製造された有機物質の用途は、特に限定されない。製造された有機物質は、例えば、プラスチックや樹脂等の原料として用いることもできるし、燃料として用いることもできる。
【００３２】
製造装置１は、合成ガス化炉１１を有する。合成ガス化炉１１には、炭素源と、水や酸素などのガス化剤とが供給される。合成ガス化炉１１では、炭素源の部分酸化が行われる。合成ガス化炉１１において炭素源の部分酸化が行われることにより、一酸化炭素を含む合成ガスが生成する（ガス生成工程）。合成ガスは、一酸化炭素に加え、水素、水蒸気、二酸化炭素、チッ素、酸素等の少なくとも一種をさらに含んでいてもよい。
【００３３】
なお、炭素源が廃棄物である場合は、合成ガス化炉１１は、例えば廃棄物の焼却炉であってもよい。炭素源がコークスである場合は、合成ガス化炉１１は、例えば製鉄炉であってもよい。
【００３４】
合成ガス化炉１１において生成した合成ガスは、反応器としての発酵槽１２に供給される。なお、合成ガス化炉１１と発酵槽１２との間に、合成ガス中における必要成分の含有率を高める改質器や、有害物質を除去する精製装置等を設けてもよい。
【００３５】
発酵槽１２において、合成ガスからアルコール等の有機物質が生成する。生成した有機物質は、精製装置１３に移送される。通常、発酵槽１２においては、製造しようとする有機物質に加え、他の有機物質も生成する。精製装置１３は、発酵槽１２における生成物を精製する。これにより、目的とする有機物質を得ることができる。
【００３６】
図２に示されるように、発酵槽１２は、ガスの溶解装置２を備えている。ガスの溶解装置２は、容器１２ａを有する。容器１２ａは、一酸化炭素を含む合成ガスから有機物質を生成させるための微生物又は物質を含む液体１２ｂを収容している。このため、一酸化炭素を含む合成ガスが発酵槽１２に供給されることにより、アルコール等の有機物質が生成する。
【００３７】
合成ガスから有機物質を生成させるための微生物としては、例えば、カルボキシド栄養性細菌が挙げられる。カルボキシド栄養性細菌の具体例としては、例えば、クロストリジウム菌等が挙げられる。合成ガスから有機物質を生成させるための微生物を用いた場合は、発酵槽１２は、バイオリアクターと呼ばれることがある。
【００３８】
合成ガスから有機物質を生成させる物質としては、例えば、合成ガスから有機物質を生成させる金属触媒等が挙げられる。合成ガスから有機物質を生成させる金属触媒の具体例としては、例えば、クロム、鉄、などの遷移金属の化合物等が挙げられる。
【００３９】
容器１２ａには、循環経路１２ｃが接続されている。循環経路１２ｃの一方の端部１２ｃ１は、容器１２ａの底部に接続されている。具体的には、循環経路１２ｃの一方の端部１２ｃ１は、容器１２ａの底面１２ａ１に開口している。循環経路１２ｃの他方の端部１２ｃ２は、容器１２ａの上部に接続されている。容器１２ａの、循環経路１２ｃの他方の端部１２ｃ２との接続部には、液体１２ｂが位置している。このため、循環経路１２ｃには、液体１２ｂが満たされている。
【００４０】
循環経路１２ｃは、容器１２ａの底面１２ａ１よりも高い位置に位置する部分を有する。本実施形態では、循環経路１２ｃは、容器１２ａの底面１２ａ１よりも１ｍ以上高い位置に位置する部分を有する。
【００４１】
循環経路１２ｃには、ポンプ１２ｄが設けられている。このポンプ１２ｄが駆動されることによって循環経路１２ｃの他方の端部１２ｃ２側から、循環経路１２ｃの一方の端部１２ｃ１側へと液体１２ｂが移動する。従って、この循環経路１２ｃを経由して、容器１２ａ内の液体１２ｂが循環される。
【００４２】
ポンプ１２ｄは、容器１２ａ内の液体１２ｂの水面よりも下方に配置されていることが好ましい。そうすることにより、ポンプ１２ｄにおけるキャビテーションの発生を抑制することができる。
【００４３】
発酵槽１２は、循環経路１２ｃに合成ガス化炉１１からの合成ガスを供給するガス供給部１２ｅをさらに備える。ガス供給部１２ｅは、循環経路１２ｃの容器１２ａの底面１２ａ１よりも高い位置に位置する部分に合成ガスを供給する。ガス供給部１２ｅは、加圧した合成ガスを循環経路１２ｃに供給するものであることが好ましい。
【００４４】
また、図示は省略するが、ガス供給部１２ｅは複数個並列に配置されていても良い。
【００４５】
ガス供給部１２ｅは、合成ガスを気泡として液体１２ｂに導入するものであってもよい。すなわち、ガス供給部１２ｅは、液体１２ｂ中に合成ガスの気泡を形成するものであってもよい。ガス供給部１２ｅが液体１２ｂ中に合成ガスの気泡を形成するものである場合は、循環経路１２ｃのガス供給部１２ｅよりも下流側の部分、又は容器１２ａの循環経路１２ｃの一方の端部１２ｃ１との接続部に、合成ガスを気泡化させる機構が設けられていることが好ましい。
【００４６】
図３に示されるように、本実施形態では、ガス供給部１２ｅは、オリフィス１２ｅ１を有する。このオリフィス１２ｅ１により、オリフィス１２ｅ１の下流側の管の周縁部に乱流（例えば、渦）が形成される。この乱流が形成される部分に合成ガス供給管１２ｅ２が接続されている。このため、合成ガスが細かな気泡にすることができる。
【００４７】
ガス供給部１２ｅから供給された合成ガスは、循環経路１２ｃを経由して発酵槽１２中に供給される必要がある。このため、ポンプ１２ｄは、循環経路１２ｃにおいてガス供給部１２ｅにより供給された合成ガスが液体１２ｂの流動方向とは反対側に移動しない流速で液体１２ｂを移動させるものであることが好ましい。気泡を微細にできるので、気泡の上昇速度は、液体１２ｂの流速（１ｍ／ｓ〜２ｍ／ｓ程度）よりも十分に遅くすることができる。
【００４８】
反応器中に合成ガスを供給する方法としては、反応器本体の底面に開口したガス供給口から合成ガスをバブリングする方法が一般的である。しかしながら、加圧した合成ガスをバブリングにより反応器本体中の液体に導入する場合、合成ガスの導入圧を高くしなければならない。このため、合成ガスの導入圧を高めるためにエネルギーが必要となり、有機物質の製造におけるエネルギー効率が低くなる傾向にある。
【００４９】
それに対して本実施形態では、循環経路１２ｃを設け、循環経路１２ｃの容器１２ａの底面１２ａ１よりも高い位置に位置する部分に合成ガスを供給する。本実施形態では、合成ガスの導入位置が高く、導入された合成ガスが下方に向かって移動することにより液体１２ｂの圧力で、合成ガスの圧力が自動的に高まっていく。このため、ガス供給部１２ｅから循環経路１２ｃへの合成ガスの導入圧を低くすることができる。従って、有機物質の製造におけるエネルギー効率を高くすることができる。
【００５０】
なお、コンプレッサー等により合成ガスを圧縮させた場合、合成ガスは、通常、断熱圧縮される。このため、圧縮に伴って合成ガスの温度が上昇する。例えば、反応器本体の底面に開口したガス供給口から合成ガスをバブリングする場合は、コンプレッサー等により高い圧力まで合成ガスを断熱圧縮する必要がある。このため、合成ガスの温度が高くなりすぎる場合がある。従って、エネルギーロスが発生する場合がある。
【００５１】
本実施形態では、ガス供給部１２ｅにおいて合成ガスの圧力をそれほど高くする必要は必ずしもない。場合によっては、ガス供給部１２ｅにおいて合成ガスの圧力をほとんど高めなくてもよい場合がある。従って、ガス供給部１２ｅにおけるエネルギーロスは少ない。循環経路１２ｃにおいて合成ガスが降下していくことにより合成ガスが圧縮される場合は、合成ガスは、等温圧縮される。なぜならば、気泡は細かいために瞬時に環境（液）と同一近くの温度になり、圧縮時間は気泡が下部に移動する比較的内外時間であるために等温圧縮ということができる。このため、循環経路１２ｃにおいて合成ガスが降下していく際の圧縮時におけるエネルギーロスは少ない。もっとも、本実施形態では、液体１２ｂを循環させるためのポンプ１２ｄが必要であるため、ポンプ１２ｄの駆動力が必要となる。しかしながら、液体を流動させるポンプ１２ｄの効率は、気体を圧縮させるコンプレッサーの効率よりも高い。よって、ポンプ１２ｄを設けたとしても、それほど大きな必要エネルギーの増大は生じない。従って、本実施形態では、エネルギーロスが少なく、有機物質の製造におけるエネルギー効率が高い。
【００５２】
有機物質の製造におけるエネルギー効率をさらに高める観点からは、ガス供給部１２ｅが、循環経路１２ｃの容器１２ａの底面１２ａ１よりも１ｍ以上高い位置に位置する部分にガスを供給することが好ましく、１ｍ以上高い位置に位置する部分にガスを供給することがさらに好ましく、１０ｍ以上高い位置に位置する部分にガスを供給することがさらに好ましい。そうすることにより、ガス供給部１２ｅの負担をより軽減でき、エネルギーロスを小さくできるためである。
【００５３】
ガス供給部１２ｅは、例えば、ベンチュリ効果やオリフィス通過等によって、液体１２ｂの流れにより生成させた負圧によって合成ガスを液体中に取り込ませるものであることが好ましい。この場合、ガス供給部１２ｅに、エネルギー効率の低いコンプレッサー等を設ける必要が必ずしもなくなる。従って、エネルギーロスをより軽減することができる。
【００５４】
ベンチュリ効果の場合は、渦が発生し難い。この場合、損失を小さくすることができる。オリフィス通過の場合は、渦が発生する。この場合は、気泡をより細かくすることができる。
【００５５】
また、ガス供給部１２ｅは、圧縮機によって反応容器上部圧力よりも小さい圧力に加圧され、且つベンチュリ効果またはオリフィス通過により生成させた圧縮機通過後のガス厚より低い圧力によってガスを液体中に取り込ませるものであってもよい。
【００５６】
ところで、循環経路には、液体中に含まれる固形分が侵入するおそれがある。このため、固形分が循環経路１２ｃに流入することを抑制するためのフィルター１２ｆを循環経路１２ｃと容器１２ａとの接続部に配しておくことが好ましい。また、ポンプ１２ｄを遠心ポンプ等の速度形圧縮機により構成しておくことが好ましい。ポンプはピストン型のような容積型のポンプよりも速度形の軸流ポンプ、斜流ポンプの方が低損失である分好ましい。また、遠心ポンプであれば、固形分が流入しても故障しにくいためである。
【００５７】
以下、本発明の好ましい実施形態の他の例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。
【００５８】
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態における反応器の模式図である。
【００５９】
第１の実施形態では、循環経路１２ｃが液体１２ｂの液面よりもさらに高い位置に位置する部分を有する例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。循環経路１２ｃは、液体１２ｂの液面よりも下方に設けられていてもよい。
（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態における反応器の模式図である。
【００６０】
本実施形態では、循環経路１２ｃは、上流側部分１２ｃ３と、複数の下流側部分１２ｃ４とを有する。上流側部分１２ｃ３は、容器１２ａの上方に接続されている。複数の下流側部分１２ｃ４の一方側端部は、それぞれ、上流側部分１２ｃ３に接続されている。複数の下流側部分１２ｃ４の他方側端部は、それぞれ、容器１２ａの底面１２ａ１の異なる位置に接続されている。このようにすることにより、容器１２ａ中の液体１２ｂにより効率的に合成ガスを供給することができる。
【００６１】
（第４の実施形態）
上記実施形態において説明したガスの溶解装置２は、他の用途にも好適に使用されるものであることはいうまでもない。ガスの溶解装置２は、例えば、排水処理装置にも好適に用いられる。
【００６２】
図６に、ガスの溶解装置２を用いた排水処理装置３の模式図を示す。排水処理装置３では、液体１２ｂ中に、排水の処理をするための微生物や物質等が添加されている。本実施形態では、液体１２ｂ中に、微生物による活性汚泥が含まれている。そして、ガス供給部１２ｅからは、例えば空気等の含酸素ガスが供給される。
【００６３】
排水処理装置３は、例えば、下水の処理に用いることもできるし、各種消化液の処理に用いることもできる。
【符号の説明】
【００６４】
１  製造装置
２  溶解装置
３  排水処理装置
１１  合成ガス化炉
１２  発酵槽
１２ａ  容器
１２ｂ  液体
１２ｃ  循環経路
１２ｄ  ポンプ
１２ｅ  ガス供給部
１２ｅ１  オリフィス
１２ｅ２  合成ガス供給管
１２ｆ  フィルター
１３  精製装置
【図１】
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【図２】
2015178056.tif 000004
【図３】
2015178056.tif 000005
【図４】
2015178056.tif 000006
【図５】
2015178056.tif 000007
【図６】
2015178056.tif 000008