(57)【要約】【課題】バイオマスからのメタン発生・供給に必要な各工程を極力統合してシステム全体を極力簡略化して簡素な設備にし、乾式システムを少なくとも部分的に採り入れて純湿式システムの場合の排水処理の問題を軽減し、効率よく安価に大量のメタンを連続的に供給可能なバイオマスメタン発酵装置を提供する。【解決手段】投入されたバイオマス原料にメタン細菌含有物質を多段階にて順次湿潤させるとともに空気に対するメタンガスの割合の高さを表す密閉度を順次高める多段階混入装置と、該多段階混入装置からのメタン細菌含有物質湿潤バイオマスを発酵させる発酵装置とを有する、あるいは、多段階混入装置と発酵装置を一つの槽内で構成したことを特徴とするバイオマスメタン発酵装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともバイオマスを原料とし、メタン細菌含有物質を混入して嫌気性条件下でメタン発酵させる装置であって、投入された前記原料に前記メタン細菌含有物質を多段階にて順次湿潤させるとともに空気に対するメタンガスの割合の高さを表す密閉度を順次高める多段階混入装置と、該多段階混入装置からのメタン細菌含有物質湿潤バイオマスを発酵させる発酵装置とを有することを特徴とするバイオマスメタン発酵装置。
【請求項２】
前記多段階混入装置が、前記原料を収容した多数の原料容器が実質的に密閉された槽内で前記メタン細菌含有物質に対して浸漬、浸漬解除を繰り返し行うように順次移動される装置からなる、請求項１のバイオマスメタン発酵装置。
【請求項３】
前記発酵装置が、回転される円筒形発酵槽と、その内面に螺旋状に延設され、発酵槽の回転に伴って内部に投入された湿潤バイオマスを順次前進させることが可能なスクリュー溝形成部材とを備えたものからなる、請求項１または２のバイオマスメタン発酵装置。
【請求項４】
前記スクリュー溝形成部材が、溝断面積を可変可能な部材からなる、請求項３のバイオマスメタン発酵装置。
【請求項５】
少なくともバイオマスを原料とし、メタン細菌含有物質を混入して嫌気性条件下でメタン発酵させる装置であって、投入された前記原料に前記メタン細菌含有物質を湿潤させるとともに湿潤原料を実質的に密閉されたガス室に導入して発酵ガスを取り出し可能に構成した原料湿潤・ガス取出しユニットを、湿潤原料を次のユニットに順送り可能に、多段に連設したことを特徴とするバイオマスメタン発酵装置。
【請求項６】
前記原料湿潤・ガス取出しユニットが、少なくとも、初期投入原料の発酵が実質的に終了するのに必要な期間に相当する個数連設されている、請求項５のバイオマスメタン発酵装置。
【請求項７】
連設された各原料湿潤・ガス取出しユニットに、ユニット間を順送りされる湿潤原料から発酵されたメタンガスの圧力を検知可能な圧力センサが設けられている、請求項５または６のバイオマスメタン発酵装置。
【請求項８】
前記ユニット間の圧力差から各ユニットの最適圧力を算出し、それの基づいて各ユニットから生成ガスを抽出する手段が設けられている、請求項７のバイオマスメタン発酵装置。
【請求項９】
前記バイオマスが細片化されたバイオマスからなる、請求項１〜８のいずれかに記載のバイオマスメタン発酵装置。
【請求項１０】
前記原料に、前処理として、茸栽培廃床の細片が混入されている、請求項１〜９のいずれかに記載のバイオマスメタン発酵装置。
【請求項１１】
前記メタン細菌含有物質が少なくとも家畜糞尿を含む、請求項１〜１０のいずれかに記載のバイオマスメタン発酵装置。
【請求項１２】
前記家畜糞尿を投入前に攪拌する装置を備えている、請求項１１のバイオマスメタン発酵装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイオマスメタン発酵装置に関し、とくに、バイオマスを原料とし、メタン細菌含有物質を混入して嫌気性条件下で大量のメタンを連続的に効率よく発酵させることができるバイオマスメタン発酵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
少なくともバイオマスを原料とし、メタン細菌含有物質を混入して嫌気性条件下でメタン発酵させる技術が知られている。たとえば、先に本発明者により、細片化された木質バイオマスに、茸栽培廃床の細片を混合した後、メタン細菌含有物質を添加し、嫌気条件下での発酵により少なくともメタンを含む混合ガスを発生させることができる、バイオマスを用いたガス製造方法が提案されている（特許文献１、特許文献２）。この方法により、高効率でメタンを主成分とするバイオガスの生成が可能となり、現状のプロパンガス供給地域等において、各消費者にこの方法により製造されるバイオガスを供給するシステムおよびプラントを構築することが可能となった。
【０００３】
【特許文献１】
特願２００２−３３７０３３号（特許請求の範囲）
【特許文献２】
特願２００３−１０６５６４号（特許請求の範囲）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来、メタン発酵には嫌気性条件が必要なため、上記のようなメタン発酵システムは、湿式方式、つまり、湿った原料からメタンを発酵させるシステムが主流であった。しかし、湿式方式では、発酵原料の流動性を保持するために、含水率９０％以上が必要となり、発酵後の水処理（排水処理）に多大な費用が必要になることとなっていた。そのため、固形成分分離や排水滅菌等費用が、プラントの維持に必要な全費用に占める割合が極めて大きくなるという問題がある。また、たとえ十分な水処理を施しても、地域によっては排水の河川放流を認めない場合もあり、対応が要求される。
【０００５】
一方、乾式の場合（たとえば、実質的に原料の含水率が７０〜８０％、あるいはそれ以下の状態で発酵工程に供する場合）、原材料投入時の密閉度の保持、発酵材料の攪拌コスト等の問題を有している。すなわち、メタン発酵においては、発酵槽内における空気に対するメタンガスの割合を高めてメタンを取り出す必要があり、そのためには発酵槽内のメタンガスに関する密閉度を高い値に保持する必要があるが、原料が乾式になるほど空気が混入しやすく、空気を効率よく追い出すことが難しくなるので、上記密閉度を高めるためには相当の高圧が要求されたり、特殊な装置が要求されたりして、大型のプラントの構築が困難になることが多い。また、乾いた原料は、攪拌しずらく、たとえ攪拌するにしても多大な攪拌エネルギーが必要となることから、単に乾いた原料を発酵槽内で攪拌を伴いつつ発酵させるだけのシステムでは、攪拌のために消費される電力費の、メタン発生・供給に必要な全費用に占める割合が高くなりすぎ、商業的にプラント構築ができなくなるおそれがある。
【０００６】
そこで本発明の課題は、このような実情に鑑み、バイオマスからのメタン発生・供給に必要な各工程を極力統合してシステム全体を極力簡略化して簡素な設備にし、乾式システムを少なくとも部分的に採り入れて純湿式システムの場合の排水処理の問題を軽減し、効率よく安価に大量のメタンを連続的に供給可能なバイオマスメタン発酵装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係るバイオマスメタン発酵装置は、少なくともバイオマスを原料とし、メタン細菌含有物質を混入して嫌気性条件下でメタン発酵させる装置であって、投入された前記原料に前記メタン細菌含有物質を多段階にて順次湿潤させるとともに空気に対するメタンガスの割合の高さを表す密閉度を順次高める多段階混入装置と、該多段階混入装置からのメタン細菌含有物質湿潤バイオマスを発酵させる発酵装置とを有することを特徴とするものからなる。この装置は、いわゆる乾式システムを基調とするもので、バイオマス原料にメタン細菌含有物質を混入する工程とそれを密閉する工程とを統合したしたものに相当するので、以下本明細書では、混入・密閉統合方式に係る第１のバイオマスメタン発酵装置と言うこともある。
【０００８】
この第１のバイオマスメタン発酵装置においては、上記多段階混入装置を、たとえば、前記原料を収容した多数の原料容器が実質的に密閉された槽内で前記メタン細菌含有物質に対して浸漬、浸漬解除を繰り返し行うように順次移動される装置から構成することができる。
【０００９】
また、上記発酵装置としては、たとえば、回転される円筒形発酵槽と、その内面に螺旋状に延設され、発酵槽の回転に伴って内部に投入された湿潤バイオマスを順次前進させることが可能なスクリュー溝形成部材とを備えたものから構成することができる。スクリュー溝形成部材としては、溝断面積を可変可能な部材からなることが好ましい。このように構成すれば、発酵時の攪拌工程を発酵原料搬送工程と統合させることが可能になる。また、発酵槽の回転速度やスクリュー溝形成部材の調整による溝断面積の調整により、発酵槽内における発酵原料の搬送速度を、発酵速度に応じて適切に調整することが可能になる。
【００１０】
また、本発明に係るバイオマスメタン発酵装置は、少なくともバイオマスを原料とし、メタン細菌含有物質を混入して嫌気性条件下でメタン発酵させる装置であって、投入された前記原料に前記メタン細菌含有物質を湿潤させるとともに湿潤原料を実質的に密閉されたガス室に導入して発酵ガスを取り出し可能に構成した原料湿潤・ガス取出しユニットを、湿潤原料を次のユニットに順送り可能に、多段に連設したことを特徴とするものからなる。この装置は、いわゆる乾式と湿式を混在させたシステムを基調とするもので、バイオマス原料にメタン細菌含有物質を混入する工程とそれを密閉する工程と発酵工程とを、一連の原料湿潤・ガス取出しユニット連設設備中で行えるよう統合したものに相当するので、以下本明細書では、乾湿混合連続発酵方式に係る第２のバイオマスメタン発酵装置と言うこともある。つまり、この第２のバイオマスメタン発酵装置では、上記一連の工程を多段階で行い、かつ、発酵のための嫌気性環境を上記一連の原料湿潤・ガス取出しユニット連設設備中で自動的に生成しているのである。
【００１１】
この第２のバイオマスメタン発酵装置においては、上記原料湿潤・ガス取出しユニットが、少なくとも、初期投入原料の発酵が実質的に終了するのに必要な期間に相当する個数連設されていることが好ましい。このようにすれば、一連の原料湿潤・ガス取出しユニット連設設備に投入された発酵原料が、該設備中を進行されるに伴って、徐々に発酵が進み、やがて発酵が終了するが、丁度発酵が終了する時点で設備から系外に搬出されるように構成することができる。つまり、この一連の原料湿潤・ガス取出しユニット連設設備中で、発酵原料の投入から所定の発酵完了までの一連の工程を全て完了させることが可能になる。
【００１２】
このような一連の原料湿潤・ガス取出しユニット連設設備中では、上記のように徐々に発酵が進み、やがて発酵が終了するが、その一連の過程で生成されたメタンガスの圧力も徐々に高まり、やがて大気圧と同等の圧力まで下がる。すなわち、一連の設備の略中央で最も高圧となり、設備の入口側および出口側では大気圧と同等の圧力となる圧力分布を呈する。そのため、圧力調整が極めて容易になり、特別な圧力調整を行わなくても、一連の原料湿潤・ガス取出しユニット連設設備中において所望の圧力分布を持たせることも可能になる。この圧力分布をモニターするために、あるいは適宜圧力調整を加えるために、連設された各原料湿潤・ガス取出しユニットに、ユニット間を順送りされる湿潤原料から発酵されたメタンガスの圧力を検知可能な圧力センサが設けられていることが好ましい。そして、ユニット間の圧力差から各ユニットの最適圧力を算出し、それに基づいて各ユニットから生成ガスを抽出する手段を設けておくと、各ユニットにおいてガス圧が高くなりすぎないよう、適宜生成ガスを抽出することが可能になり、装置全体を安定して運転することが可能になる。
【００１３】
上記のような第１および第２のバイオマスメタン発酵装置においては、原料バイオマスとしては、たとえば細片化されたバイオマス（たとえば、細片化された木質バイオマスや、イネや竹を原料としたバイオマス）を使用することができる。また、上記原料に、前処理として、メタン発酵の際に障害となるリグニンを分離し効率のよい発酵を行わせるために、茸栽培廃床の細片が混入されていることが好ましい。
【００１４】
上記メタン細菌含有物質としては、たとえば家畜糞尿を直接使用可能である。もっとも、家畜糞尿だけではメタン細菌含有物質として不十分で発酵効率が低い場合には、別にメタン細菌を添加すればよい。家畜糞尿は、投入前に攪拌することが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施態様に係るバイオマスメタン発酵装置を示している。この装置は、前述の混入・密閉統合方式に係る第１のバイオマスメタン発酵装置に対応している。図１において、１は、バイオマスメタン発酵装置全体を示しており、該バイオマスメタン発酵装置１は、多段階混入装置２と発酵装置３とを備えている。
【００１６】
多段階混入装置２には、たとえば細片化されたバイオマス（たとえば、竹やイネを原料としたバイオマス、中でも孟宗竹を原料としたバイオマス）に、前処理にて茸栽培廃床の細片が混入されたバイオマス原料４が投入される。この投入原料４は、含水率が７０〜８０％、あるいはそれ以下の状態にある、いわゆる乾式原料である。多段階混入装置２には、図２にも示すように、投入されたバイオマス原料４を収容する多数の原料容器５（たとえば、大きなポット状の容器）が設けられており、入口、出口以外実質的に密閉された槽６（糞尿槽）内で、原料容器５が、槽６の入口側から出口側に向けて上下方向に蛇行を繰り返しながら順次搬送される。この蛇行は、数回程度繰り返せばよい。槽６内には、本実施態様では、メタン細菌含有物質としての家畜糞尿７が糞尿攪拌装置８で攪拌された後、槽６内でのレベルが所定高さになるように投入されている。上記順次搬送される原料容器５は、実質的に密閉された槽６内で、家畜糞尿７に対して浸漬、浸漬解除を繰り返し行うよう移動される。そして、多段階に浸漬、浸漬解除を繰り返して糞尿槽６内を通過することにより、空気に対するメタンガスの割合の高さを表す密閉度が高められ、次工程である発酵工程に導かれる。
【００１７】
発酵工程には発酵装置３が設けられており、本実施態様では、発酵装置３は、図３にも示すように、回転される円筒形発酵槽９と、その内面に螺旋状に延設され、発酵槽９の回転に伴って内部に投入された湿潤バイオマスを順次前進させることが可能なスクリュー溝形成部材１０とを備えたものからなる。このスクリュー溝形成部材１０は、図３に示すように溝１１の断面積を可変制御可能な部材からなっている。円筒形発酵槽９全体を回転させることにより、螺旋状に延びるスクリュー溝形成部材１０によって形成された溝１１による機能を利用して、槽内の湿潤バイオマスが攪拌されながら徐々に前方に搬送され、その間に発酵が行われる。上記スクリュー溝形成部材１０の角度（図３の矢印方向の角度）は外部から任意に変更可能となっており、この角度の調整と発酵槽９の回転速度の調整により、搬送・攪拌時間および量を制御できるようになっている。したがって、投入されたバイオマス原料の材質や粉砕の程度等に応じて多様な対応が可能となっている。なお、スクリュー溝形成部材１０は複数条並設してもよい。
【００１８】
このように構成されたバイオマスメタン発酵装置１においては、実質的に糞尿とバイオマス原料との混合プロセスを、密閉過程と統合した形態に構成でき、乾式システムを基調としつつ、設備全体を簡素化できるとともに、発酵直前までの工程を効率化できる。また、発酵工程においても、スクリュー溝付き回転円筒形発酵槽９を使用することにより、発酵時の攪拌工程を発酵原料搬送工程と統合することができ、簡素な構造でありながら効率のよい発酵を行うことが可能になる。この発酵における発酵原料は、前工程で十分に湿潤されたものとなっているから、初期投入原料は乾式でありながら、発酵時には適切な（つまり、多量の排水処理を伴うことのない）湿式原料とすることができ、少ない消費エネルギーでもって効率のよい発酵を行わせることができる。
【００１９】
図４は、本発明の第２実施態様に係るバイオマスメタン発酵装置を示している。この装置は、前述の乾湿混合連続発酵方式に係る第２のバイオマスメタン発酵装置に対応している。図４において、２１は、バイオマスメタン発酵装置全体を示しており、該バイオマスメタン発酵装置２１には、原料湿潤・ガス取出しユニット２２が多段に連設されている。
【００２０】
各原料湿潤・ガス取出しユニット２２は、投入されたバイオマス原料２３（たとえば、前述の如き前処理が施されたバイオマス原料）を多数連設され順次移動される原料容器２４に収容し、糞尿槽２５に所定レベルになるように糞尿攪拌装置２６から投入された家畜糞尿２７に対して、浸漬、浸漬解除を繰り返して、バイオマス原料２３をメタン細菌含有物質としての糞尿２７で湿潤させるようになっている。この槽２５中に形成される各原料湿潤・ガス取出しユニット２２においては、湿潤原料は実質的に密閉されたガス室２８に導入され、そこで発酵ガスが適宜取り出される。湿潤原料は次のユニットに順送りされ、ガス取り出し操作が順次繰り返され、集められたメタンガスが集合されて取り出される。つまり、初期投入バイオマス原料は、いわゆる乾式のものであるが、槽２５内の密閉中で糞尿で湿潤されて徐々に発酵が進められ、槽２５内で発酵が完了するまで槽２５中を順次搬送される。したがって、この糞尿槽２５は発酵槽の機能も備えており、糞尿通過工程を多段階で行うことにより、槽２５内では発酵に必要な嫌気性環境が自動的に生成されることになる。つまり、発酵原料投入から発酵完了までの工程が、乾式、湿式の両方式に適合した条件下にて、大がかりで大エネルギーを要する攪拌を行うことなく、一つの装置内で行うことが可能となる。
【００２１】
そして、乾状態から湿状態、さらには発酵完了までの状態変化が実質的に連続して行われるので、原料投入から発酵完了に至るまでの期間に相当する、原料湿潤・ガス取出しユニット２２の個数、および順送り速度に設定することにより、連続的に順次原料を投入すれば、連続的に順次発酵を完了した残渣が排出されてくることになり、その間に、連続的にメタンを抽出することが可能になる。したがって、大量の原料から連続的に大量のメタンを生成することが可能になる。メタン発酵完了後の残差は、たとえば堆肥発酵工程に供することができる。
【００２２】
この図４に示したバイオマスメタン発酵装置２１においては、たとえば、原料投入から発酵完了まで約４０日間を要するので、たとえば一つの原料湿潤・ガス取出しユニット２２における湿潤、湿潤解除、発酵工程に要する時間が１日になるように原料容器２４の搬送速度を設定しておけば、原料湿潤・ガス取出しユニット２２を約４０ユニット連設すればよいことになる。
【００２３】
そして、この発酵においては、通常、期間の中央期で最も発酵が進み、発酵ガスによる圧力も最も高まることから、図４に示すように、原料投入から約２０日に相当する間のユニットは発酵が進行する過程における連設ユニットであり、そこから最終ユニットまでの約２０日に相当する間のユニットは発酵が徐々に納まりやがて発酵が完了する過程における連設ユニットである。
【００２４】
このような一連の過程で、生成したメタンを効率よく抽出するためには、各原料湿潤・ガス取出しユニット２２のガス室２８に圧力センサ２９を設けておき、検知されたガス圧をモニターしたりガス抽出制御に利用したりすることが好ましい。たとえば、各圧力センサ２９によって検知された圧力からユニット間の圧力差を求め、それから各ユニットの最適圧力を算出し、それに基づいて各ユニットから生成ガスの抽出量を制御して、各ユニットにおけるガス圧が高くなりすぎないようにすることが好ましい。このような制御をおこなえば、各ユニットから生成ガスを適宜抽出して、装置全体として最も効率のよい、しかも安定した運転が可能になる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るバイオマスメタン発酵装置によれば、バイオマスからのメタン発生・供給に必要な各工程を統合してシステム全体を簡略化できるとともに装置全体を簡素化でき、装置内において乾式システムと湿式システムを最適に組み合わせて、従来の純湿式システムの場合の排水処理の問題を大幅に軽減することができ、しかも、大量の原料から大量のメタンを効率よく安価に、かつ、連続的に生成することができる。したがって、本発明に係るバイオマスメタン発酵装置を使用することにより、多数の顧客に安定してメタンを供給することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施態様に係るバイオマスメタン発酵装置の概略構成図である。
【図２】図１の装置における原料投入部の概略斜視図である。
【図３】図１の装置における発酵装置の概略斜視図および部分拡大断面図である。
【図４】本発明の第２実施態様に係るバイオマスメタン発酵装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１  バイオマスメタン発酵装置
２  多段階混入装置
３  発酵装置
４  バイオマス原料
５  原料容器
６  糞尿槽
７  家畜糞尿
８  糞尿攪拌装置
９  円筒形発酵槽
１０  スクリュー溝形成部材
１１  溝
２１  バイオマスメタン発酵装置
２２  原料湿潤・ガス取出しユニット
２３  バイオマス原料
２４  原料容器
２５  糞尿槽
２６  糞尿攪拌装置
２７  家畜糞尿
２８  ガス室
２９  圧力センサ
【図１】
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【図２】
2004329068.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004329068.tif 000006