(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発酵体を収容する反応容器と、前記反応容器との間に気体層を介在させて当該反応容器を収容するとともに、当該反応容器を加熱若しくは冷却するための温度調節手段を備える温度調節用の外側容器と、前記反応容器の内部に配置される第１温度計と、前記外側容器の本体に埋め込まれる第２温度計と、前記第１及び第２温度計の出力に基づいて、前記第２温度計の検出温度が前記第１温度計の検出温度と等しくなるように前記温度調節手段の動作を制御する温度制御回路とを備えることを特徴とする小型試験装置。
【請求項２】
前記反応容器は、前記外側容器に対して着脱自在であることを特徴とする請求項１記載の小型試験装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、植物や家畜糞等のコンポスト化の過程を試験するための小型試験装置に関し、例えば大型のコンポスト化プラント等におけるコンポスト化過程を自在にシミュレーションすることができる小型試験装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大型のコンポスト化プラントにおけるコンポスト化過程をシミュレーションするためには、コンポスト原料の中心部分における温度変化等を再現する必要がある。少量のコンポスト原料により、大型のコンポスト化装置と同様の発酵過程を再現するためには、その熱容量の小ささのため、環境より意図しない放熱や吸熱が起こり、細菌相が変わってしまい再現性に問題があった。これを解決するために、小型の反応容器にコンポスト原料を収容し、この反応容器を擬似的に断熱して、反応容器内におけるコンポスト化の過程を再現する小型試験装置が存在する。
【０００３】
この種の小型試験装置では、反応容器を温度調節用の水槽に浸漬する構造を有し、水槽に満たした水の温度を反応容器内部に設けた温度計の指標値に近づける制御を行う。これにより、反応容器が周囲から擬似的に断熱され、反応容器では、大型のコンポスト化プラントにおけるコンポスト化過程と同様のコンポスト化過程が進行するというものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記小型試験装置では、熱容量が大きい熱媒体を使用しているため、擬似断熱効果を達成できるだけであり、コンポスト化プラント等におけるコンポスト化過程を様々な温度条件でシミュレーションすることができない。
この発明の課題は、より擬似断熱効果の高い小型試験装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の小型試験装置は、発酵体を収容する反応容器と、反応容器との間に気体層を介在させてこの反応容器を収容するとともに、この反応容器を加熱若しくは冷却するための温度調節手段を備える温度調節用の外側容器と、反応容器の内部に配置される第１温度計と、外側容器の本体に埋め込まれる第２温度計と、第１及び第２温度計の出力に基づいて温度調節手段の動作を制御する温度制御回路とを備える。
【０００６】
上記小型試験装置では、反応容器と外側容器との間に気体層を介在させているので、この気体層がバッファとなって反応容器が周囲温度の強い作用を受けることを防止できる。また、上記装置では、第２温度計を外側容器の本体に埋め込んでいるので、反応容器に熱的な影響を与える熱源としての外側容器本体の温度を精密に計測しつつ外側容器本体の温度を調節することができる。すなわち上記装置においては、外側容器が反応容器に与える熱的な影響をソフトかつ正確に制御することができる。
【０００７】
また、請求項２記載の小型試験装置は、温度制御回路が、第２温度計の検出温度が第１温度計の検出温度と等しくなるように温度調節手段の出力を調節することを特徴とする。
【０００８】
上記小型試験装置では、反応容器からの熱の流出や反応容器への熱の流入を無視できる程度に低減することができるので、断熱効果が高く安定した擬似断熱系を提供することができる。
【０００９】
また、請求項３記載の小型試験装置は、反応容器が、外側容器に対して着脱自在であることを特徴とする。
【００１０】
上記小型試験装置では、反応容器を予め別の処理装置で適当に殺菌処理したり、反応容器の簡易な交換や廃棄が可能になり、小型試験装置を用いた試験の作業性を高めることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態に係る小型試験装置について、図面を参照しつつ説明する。
【００１２】
図１は、実施形態の小型試験装置の全体構造を説明するブロック図である。この小型試験装置は、反応容器１１及び外側容器１３による二重構造となっている試験装置本体１０と、試験装置本体１０の重量を計測する電子天秤２０と、反応容器１１の内部温度を計測する第１温度計３０と、外側容器１３の外周に設けたヒータ１３ａに適宜通電して外側容器１３を加熱するヒータ駆動装置４０と、外側容器１３自体の温度を計測する第２温度計５０と、反応容器１１に空気等を含むガスを供給するガス源６０と、反応容器１１から出るガスを分析するガス分析装置７０と、小型試験装置全体を統括的に制御する主制御装置９０とを備える。なお上記のうち、ヒータ駆動装置４０と主制御装置９０は、温度制御回路を構成する。
【００１３】
試験装置本体１０は、反応容器１１内部にふすまや家畜糞といった発酵物質ＣＯを収容する。反応容器１１には、下部に入口部１９ａが設けられており、ガス源６０から酸素、水分等を含む空気であるガスが供給される。発酵物質ＣＯから発生し或いはこれを通過したガスは、反応容器１１上部の出口部１９ｂを経てガス分析装置７０に導入される。なお、反応容器１１は、熱的な緩衝材として機能する空気層ＡＲを介して外側容器１３に収容される。この場合、反応容器１１と外側容器１３の間を空気層ＡＲとしているが、この空間に空気以外の各種気体を収容しても同様の効果を得ることができる。
【００１４】
電子天秤２０は、試験装置本体１０の質量を計測することができ、反応容器１１中における発酵物質ＣＯの質量や、発酵物質ＣＯのコンポスト化に伴う質量変化を精密に逐次検出することができ、その結果をデジタルデータとして主制御装置９０に出力する。
【００１５】
第１温度計３０は、測温抵抗体等の感熱素子からなり、温度計駆動装置３２に駆動されて反応容器１１の内部、すなわち発酵物質ＣＯの温度を精密に逐次検出することができ、その結果をデジタルデータとして主制御装置９０に出力する。
【００１６】
ヒータ駆動装置４０は、外側容器１３の外周に設けたヒータ１３ａに供給する電力を調節することができ、ヒータ１３ａによって外側容器１３全体を適当に加熱させることができる。
【００１７】
第２温度計５０は、測温抵抗体等の感熱素子からなり、温度計駆動装置５２に駆動されて外側容器１３自体、すなわち外側容器１３を構成する壁体の温度を精密に逐次検出することができ、その結果をデジタルデータとして主制御装置９０に出力する。
【００１８】
ガス源６０は、図示を省略するが、空気を圧縮供給するコンプレサと、コンプレサからの空気の供給量を調節する流量計と、コンプレサからの空気の温度を調節する温度調節素子とを備える。なお、ガス源６０には、成分添加装置６２が接続されており、反応容器１１の入口部１９ａに供給する空気に酸素、水蒸気、二酸化炭素等を適宜添加することができる。
【００１９】
ガス分析装置７０は、図示を省略するが、アンモニア、水蒸気等のトラップ、酸素センサ等を備え、反応容器１１の出口部１９ｂから排出されるガスの成分や量を分析することができ、その結果をデジタルデータとして主制御装置９０に出力する。
【００２０】
主制御装置９０は、コンピュータ等からなり、電子天秤２０、第１温度計３０、第２温度計５０、ガス分析装置７０等から計測結果をデジタルデータとして受信し、その結果を経時変化として保存したり、統計的に分析することができる。さらに、主制御装置９０は、第１温度計３０や第２温度計５０の計測結果をヒータ駆動装置４０の出力制御に活用することができる。
【００２１】
図２は、試験装置本体１０の詳細な構造を説明する側方断面図である。試験装置本体１０は、既述のように反応容器１１を外側容器１３に収容した二重槽となっている。
【００２２】
内側の反応容器１１は、ポリプロピレン等の樹脂材からなり、下部で窄まった円筒状の形状を有している。反応容器１１の下端に設けた空気導用の入口部１９ａは、チューブ１４に着脱自在に接続されており、このチューブ１４を介して、図１のガス源６０からの空気等が供給される。反応容器１１の上部は、アルミニュウムで形成された封止部材１５によって蓋がされており、ＯリングＯＬ1によって反応容器１１内の気密性が保たれている。この封止部材１５は、外部容器１３と熱的に結合されており、熱伝導率の高い材料で製作されているため、外部容器１３の温度に十分追随する。この封止部材１５には、反応容器１１内部の堆肥化空間ＣＳに延びる第１温度計３０が固定されており、堆肥化空間ＣＳの温度を計測することができる。また、封止部材１５には、堆肥化空間ＣＳのガスを採取する出口部１９ｂが形成されており、堆肥化空間ＣＳから排出されたガスを配管１５ｃを介して図１のガス分析装置７０に供給する。さらに、封止部材１５の中央部には、反応容器１１内の発酵物質を採取、観察等するためのサンプリング窓１５ａが設けられている。このサンプリング窓１５ａは、蓋部材１６によって開閉可能になっており、ＯリングＯＬ2によって反応容器１１内の気密性を保つことができる。反応容器１１内の底に近い部分には、発酵物質を収容する堆肥化空間ＣＳの底となる多孔の底板部材１７が固定されている。底板部材１７の下側空間は、ガス供給ポートＧＰとなっており、入口部１９ａから供給されたガスを一旦貯留する。ガス供給ポートＧＰに供給されたガスは、底板部材１７に設けた多数の通気口１７ａを介して堆肥化空間ＣＳに供給される。
【００２３】
外側容器１３は、円柱状の内部空間に反応容器１１を空気層ＡＲを介して収容している。外側容器１３の側壁は、ヒータ１３ａによって全体が被覆されている。外側容器１３の本体１３ｂは、アルミニュウム等の材料からなり、周囲のヒータ１３ａによって全体がほぼ均一に加熱される。本体１３ｂの側壁内部には、第２温度計５０が埋め込まれており、本体１３ｂの温度を計測することができる。本体１３ｂの底部には、開口１３ｃが形成されており、反応容器１１下端の突起である入口部１９ａが挿入されて外部に露出する。なお、開口１３ｃにはＯリングＯＬ3が埋め込まれており、外側容器１３の内部空間すなわち空気層ＡＲの気密性を保つ。外側容器１３の上端は、反応容器１１の蓋を兼ねる封止部材１５によって封止されている。さらに、反応容器１１全体は、本体１３ｂの下部から延びる支柱１８を介して図１の電子天秤２０に固定されている。
【００２４】
図２の試験装置本体１０を簡単化した熱系として考えると、発熱体である発酵物質を収容する堆肥化空間ＣＳと、反応容器１１と、空気層ＡＲと、外側容器１３の本体１３ｂと、熱源であるヒータ１３ａとを直列に接続したものと考えることができる。
【００２５】
例えば、堆肥化空間ＣＳの温度を第１温度計３０で計測しつつ、第２温度計５０によって検出した本体１３ｂの温度が第１温度計３０の計測結果と等しくなるようにヒータ１３ａを駆動すれば、堆肥化空間ＣＳと本体１３ｂとの温度がほぼ等しくなり、熱的な均衡が保たれるので、堆肥化空間ＣＳから空気層ＡＲや外側容器１３への熱の流出や、外側容器１３から堆肥化空間ＣＳへの熱の流入がほとんど相殺され、反応容器１１が周囲から熱的に孤立する擬似断熱効果が得られる。この際、空気層ＡＲがバッファとなって反応容器１１が周囲温度の強い作用を受けることを防止することができる。すなわち、ヒータ１３ａの制御遅れやオーバーシュートによる熱の過剰な流入・流出が適度な時間遅れで作用する。これにより、反応容器１１の熱的な安定性を高め、擬似断熱効果の精度をより高めることができる。なお、本体１３ｂの肉厚をある程度厚くしているので、外側容器１３がある程度の熱容量を持つことになり、ヒータ１３ａによる不均一な加熱を回避することができる。また、ヒータ１３ａと第２温度計５０とを適度に離しているので、外側容器１３の本体１３ｂの温度をより正確に測定することができる。
【００２６】
一方、図２の試験装置本体１０では、反応容器１１と外側容器１３とを分離することができるので、反応容器１１を熱変形に比較的弱い材料で形成することができる。また、反応容器１１に発酵物質を充填した状態で別の装置にて事前に殺菌等の熱処理を施したり、反応容器１１を複数準備してこれらを交換しつつコンポスト化の試験を行うことができる。また、試験後に反応容器１１のみを洗浄したり、反応容器１１を発酵物質とともに廃棄することもできる。さらに、反応容器１１と外側容器１３が構造上分離しているので、反応容器１１とヒータ１３ａも分離され、漏電事故を未然に防止することができる。なお、反応容器１１に収容される発酵物質は水分を多量に含むものも多く、発酵過程でも水分を発生するので、反応容器１１と不可分にヒータ１３ａを設けた場合、漏電防止に配慮する必要が生じる。
【００２７】
特に反応容器１１をポリプロピレンで形成しているので、反応容器１１に発酵物質を収容して別のオートクレーブ殺菌装置で殺菌処理することができ、発酵物質ＣＯを一旦熱的に無菌状態にしてイニシャライズすることができる。なお、上記のようなオートクレーブ殺菌が行えない場合、アルコール等を用いた殺菌が必要になるが、このような殺菌剤は外乱要素となる可能性がある。また、反応容器１１がポリプロピレン製であるので、金属材料で形成した場合のようにイオン（例えば銅イオンには殺菌効果があるといわれる）の流出がなく、反応系である発酵物質に影響を与える心配がない。さらに、金属容器と比較して不要な熱流が発生しにくく、擬似熱系の安定性をより高めることができる。
【００２８】
以下、図１の小型試験装置の動作を説明する。まず、反応容器１１の温度制御について説明する。
【００２９】
反応容器１１については、温度追従手段によって実現される温度追従モードと、温度保持手段によって実現される温度保持モードと、温度強制手段によって実現される温度強制モードとを含む３つのモードで温度調節が行われる。これらの動作モードは、主制御装置９０にプログラムされており、オペレータの指示に従い、これらモードを単独で或いは適宜組み合わせて反応容器１１の温度管理を行うことができる。反応容器１１の温度管理に際して、主制御装置９０は、第１及び第２温度計３０、５０の計測結果に基づいてヒータ駆動装置４０を制御し、ヒータ１３ａによる外側容器１３の加熱量を制御する。
【００３０】
上記温度制御において、温度追従モードでは、反応容器１１中の発酵物質ＣＯ温度計測結果に従って外側容器１３の温度を逐次変化させる。具体的には、ヒータ１３ａの通電量をＰＩＤ制御等の手法を利用して調節し、第２温度計５０の計測値を第１温度計３０の計測値（変動する目標値）に一致させる。
【００３１】
温度保持モードでは、予め指定した時刻に反応容器１１中の発酵物質ＣＯの温度を所望の温度値に保持する。具体的には、ヒータ１３ａの通電量をＰＩＤ制御等の手法を利用して調節し、第１温度計３０の計測値を一定の目標値に一致させる。この場合、第２温度計５０の計測値は、第１温度計３０の計測値よりもある程度小さくなり、反応容器１１で発生した熱が外側容器１３に流出することになる。
【００３２】
温度強制モードでは、予め指定した時刻ｔ1から時刻ｔ2までの間に、反応容器１１中の発酵物質ＣＯの温度を温度Ｔ1から温度Ｔ2に徐々に変化させる。具体的には、第１温度計３０の計測値が所望の曲線を描くように、ＰＩＤ制御等の手法を利用してヒータ１３ａの通電量を調節する。なお、外側容器１３の温度に対応する第２温度計５０の計測値が所望の曲線を描くようにヒータ１３ａの通電量を調節することもできる。この場合、厳密には反応容器１１の温度を制御することはできない。
【００３３】
以上のような温度管理により、図１の小型試験装置を用いて以下に例示するような各種条件で実験を行うことができる。
【００３４】
まず、実験の再現性を確保するため、温度保持モードで反応容器１１を一定時間一定の温度に保ち、その後、温度追従モードで反応容器１１を擬似断熱して発酵物質ＣＯの温度を自然に上昇させる。この場合、サンプルである発酵物質ＣＯを一定温度に保った後、発酵物質ＣＯの温度変化に伴って外側容器１３の温度を逐次変化させる。このように、擬似断熱の前工程として温度を一定にする定値制御工程を設けることにより、発酵物質ＣＯの発酵過程における初期条件をほぼ一致させることができ、再現性の高い実験が可能になる。
【００３５】
図３（ａ）は、上記の温度制御を概念的に説明するグラフであり、横軸は時間、縦軸は温度を示す。グラフからも明らかなように、時刻ｔ0まで反応容器１１中の発酵物質ＣＯの温度をＴ0に保持する。その後、反応容器１１を擬似断熱して、反応容器１１を自然な温度上昇に任せる。
【００３６】
別の実験として、予め温度追従モードで反応容器１１を擬似断熱して発酵物質ＣＯの温度を自然に上昇させ、その際の温度履歴を記憶しておく。次に、反応容器１１中の発酵物質ＣＯを交換するなどして、温度強制モードで反応容器１１の温度を調節する。この場合、温度追従モードで反応容器１１を擬似断熱した際の温度履歴に一致するように反応容器１１の温度を強制的に変化させる。このような実験では、当初の擬似断熱試験の再現性を確認することができる。
【００３７】
さらに別の実験として、予め温度追従モードで反応容器１１を擬似断熱して発酵物質ＣＯの温度を自然に上昇させ、その際の温度履歴を記憶しておく。このような温度履歴を温度的、時間的に変形した変形パターンをオペレータ側で設定し、この変形パターンに基づいて反応容器１１の温度を強制的に調節する。このような実験では、発酵物質ＣＯの発酵パターンの最適化や発酵生成物の最適化を図る各種シミュレーションが可能になり、多様な実験結果を収集することが可能になる。
【００３８】
図３（ｂ）は、上記の温度制御を概念的に説明するグラフである。時刻ｔ1に温度Ｔ1であった反応容器１１中の発酵物質ＣＯの温度を、徐々に上昇させて時刻ｔ2に温度Ｔ2としている。なお、一点鎖線は、予め行った擬似断熱試験の温度履歴を示しており、実線の変形パターンでは、擬似断熱の場合の温度変化に対してΔＴだけ発酵物質ＣＯの温度を上昇させた条件で試験を行っている。
【００３９】
さらに別の実験として、実際のコンポスト化プラントの外界条件等を考慮して任意の温度上昇パターンを設定し、この温度上昇パターンに基づいて反応容器１１の温度を強制的に調節することもできる。このような実験では、実プラントの環境条件を考慮したシミュレーションが可能になる。
【００４０】
以下、反応容器１１へのガス供給の制御について説明する。反応容器１１に供給されるガスの温度や流量は、ガス源６０や成分添加装置６２の制御によって適宜調節される。例えば、反応容器１１に供給する空気等に含まれる水分量を調節するとともに、ガス分析装置７０で排気ガス中の水分量を計測することにより、発酵物質ＣＯから発生した水分を計測することができる。同様にして、酸素の吸収量、アンモニアの発生量等を監視することができる。反応容器１１に供給するガスは、パルス状に増減させることができる。これにより、実際のコンポスト化プラント等で外気を定期的に供給して換気を行う場合のシミュレーションが可能になる。
【００４１】
反応容器１１に供給するガスの温度は、気体温度追従手段によって実現される気体温度追従モードと、気体温度保持手段によって実現される気体温度保持モードと、気体温度強制手段によって実現される気体温度強制モードとを含む３つのモードで管理される。これらの動作モードは、主制御装置９０にプログラムされており、オペレータの指示に従い、これらモードを単独で或いは適宜組み合わせて反応容器１１の温度管理を行うことができる。
【００４２】
気体温度追従モードでは、反応容器１１中の発酵物質ＣＯ温度計測結果に従って反応容器１１に供給するガスの温度を逐次変化させる。また、気体温度保持モードでは、予め指定した時刻、期間において反応容器１１に供給するガスの温度を所望の温度値に保持する。さらに、気体温度強制モードでは、予め指定した時刻ｔ1から時刻ｔ2までの間に、反応容器１１に供給するガスの温度を温度Ｔ1から温度Ｔ2に徐々に所望の率で変化させる。
【００４３】
以上の気体温度追従モードでは、熱の漏洩が無くなり擬似断熱の効果を高めることができる。これにより、反応容器１１内における熱収支を正確に測定することができる。また、気体温度保持モードや気体温度強制モードでは、供給ガスの温度を一定値にしたり所望の温度に時事刻々変化させることができるので、実際のコンポスト化プラント等の外気条件等を考慮して任意の温度上昇パターンを設定することができる。このような実験では、実プラント等の環境条件を考慮したシミュレーションが可能になる。
【００４４】
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、外側容器１３の温度を調節するため、ヒータ１３ａとともにペルチエ素子やウォータジャケットを外側容器１３の周囲に設けることができる。この場合、外側容器１３のさらに自在な温度調節が可能になり、反応容器１１を自在に温度制御することができる。
【００４５】
【発明の効果】
請求項１記載の小型試験装置によれば、反応容器と外側容器との間に気体層を介在させているので、この気体層がバッファとなって反応容器が周囲温度の強い作用を受けることを防止できる。また、上記装置では、第２温度計を外側容器の本体に埋め込んでいるので、反応容器に熱的な影響を与える熱源としての外側容器本体の温度を精密に計測しつつ外側容器本体の温度を調節することができる。すなわち上記装置においては、外側容器が反応容器に与える熱的な影響をソフトかつ正確に制御することができる。
【００４６】
また、請求項２記載の小型試験装置によれば、反応容器からの熱の流出やこれへの熱の流入を無視できる程度に低減することができるので、断熱効果が高く安定した擬似断熱系を提供することができる。
【００４７】
また、請求項３記載の小型試験装置によれば、反応容器を予め別の処理装置で適当に殺菌処理したり、反応容器の簡易な交換や廃棄が可能になり、小型試験装置を用いた試験の作業性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態に係る小型試験装置の全体構造を説明する図である。
【図２】図１の小型試験装置を構成する試験装置本体の詳細な構造を説明する図である。
【図３】図１の小型試験装置を用いた温度制御の例を説明する図である。
【符号の説明】
１０      試験装置本体
１１      反応容器
１３      外側容器
１３ａ    ヒータ
１３ｂ    本体
１５      封止部材
１５ａ    サンプリング窓
１７      底板部材
１９ａ    入口部
１９ｂ    出口部
２０      電子天秤
３０      第１温度計
３２      温度計駆動装置
４０      ヒータ駆動装置
５０      第２温度計
５２      温度計駆動装置
６０      ガス源
６２      成分添加装置
７０      ガス分析装置
９０      主制御装置
ＡＲ      空気層
ＣＯ      発酵物質
【図１】
0004617008.tif 000002
【図２】
0004617008.tif 000003
【図３】
0004617008.tif 000004