(57)【要約】【課題】固形物を多く含む原料を用いて化学反応を行う場合にも、サンプリングが良好に行える反応装置を提供する。【解決手段】本考案の反応装置１は、固形物を含む原料を貯留し化学反応させる反応槽２と、反応槽２に接続されて、反応槽２から原料のサンプルを取り出すサンプル取出管３とを備える反応装置１であって、サンプル取出管３に接続されて、サンプル取出管３内を滅菌する蒸気を発生する蒸気発生装置４と、反応槽２に接続されて、反応槽２内を加圧することでサンプル取出管３からサンプルを圧送するための気体を供給する気体供給源５とが設けられている。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
固形物を含む原料を貯留し化学反応させる反応槽と、
前記反応槽に接続されて、前記反応槽から前記原料のサンプルを取り出すサンプル取出管とを備える反応装置であって、
前記サンプル取出管に接続されて、前記サンプル取出管内を滅菌する蒸気を発生する蒸気発生装置と、
前記反応槽に接続されて、前記反応槽内を加圧することで前記サンプル取出管からサンプルを圧送するための気体を供給する気体供給源とが設けられていることを特徴とする反応装置。
【請求項２】
蒸気発生装置は蒸気送入管を介してサンプル取出管に接続され、
気体供給源は気体送入管を介して反応槽に接続され、
前記蒸気送入管と前記気体送入管とを接続する接続管が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
サンプル取出管と、蒸気送入管と、気体送入管とに開閉弁をそれぞれ設けたことを特徴とする請求項２に記載の反応装置。
【請求項４】
接続管に開閉弁を設けたことを特徴とする請求項２または３に記載の反応装置。
【請求項５】
原料は、廃棄物由来の紙類、厨芥類および草木類のうち少なくとも一つを含み、
化学反応は、発酵および糖化のうち少なくとも一つであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の反応装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、バイオマスの反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、温室効果ガスによる地球温暖化が問題となる中、その対応策として化石資源に替わりバイオマス資源の利活用の取り組みが進められている。バイオマス資源はカーボンニュートラルであることから、温室効果ガスの排出量削減に効果的であることが知られている。
【０００３】
現在、実用的なバイオマス資源として、一般廃棄物や産業廃棄物が注目されている。中でも産業廃棄物の中に多く含まれる食品廃棄物の活用方法が求められている。これらの廃棄物の排出量は年間を通じて変動が小さいため、バイオマス資源としての収量も安定する。また、これらの廃棄物の収集インフラが既に整備されているため、バイオマス資源の収集のコストが低い。したがって、これらの廃棄物は、優れたバイオマス資源であるといえる。
【０００４】
このような廃棄物由来のバイオマス資源は、発酵させてバイオガスを得る原料として用いられたり（例えば特許文献１）、糖化・発酵させてセルロース系エタノールを製造するために用いられたりする（例えば特許文献２）。これらの廃棄物は原料として反応槽内に貯留されて、糖化や発酵などの化学反応を起こす。このとき、反応途中に反応の進行状況を確認するために、原料の一部をサンプルとして得るサンプリングが行われる。サンプリングにおいては、反応槽にサンプル取出用の管を設けて、反応槽内の原料を一部取り出すことが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−０４５６１２号公報
【特許文献２】特開２０１０−２４６４２１号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、これらの廃棄物中には固形物が多く含まれるため、貯留される原料が高濃度のとき、反応槽内の原料は、反応が進むにつれて粘性の高いスラリーに変化し、サンプリングを行う際に管が詰まるなどの問題が生じる場合がある。
【０００７】
本考案は上記問題点を解決して、固形物を多く含む原料を用いて化学反応を行う場合にも、サンプリングが良好に行える反応装置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】
【０００８】
本考案の反応装置は、固形物を含む原料を貯留し化学反応させる反応槽と、
前記反応槽に接続されて、前記反応槽から前記原料のサンプルを取り出すサンプル取出管とを備える反応装置であって、
前記サンプル取出管に接続されて、前記サンプル取出管内を滅菌する蒸気を発生する蒸気発生装置と、
前記反応槽に接続されて、前記反応槽内を加圧することで前記サンプル取出管からサンプルを圧送するための気体を供給する気体供給源とが設けられていることを特徴とする。
【０００９】
また、蒸気発生装置は蒸気送入管を介してサンプル取出管に接続され、
気体供給源は気体送入管を介して反応槽に接続され、
前記蒸気送入管と前記気体送入管とを接続する接続管が設けられていることが好ましい。
【００１０】
また、サンプル取出管と、蒸気送入管と、気体送入管とに開閉弁をそれぞれ設けるとよく、さらには、接続管にも開閉弁を設けるとよい。
そして、本考案に係る反応装置は、原料に、廃棄物由来の紙類、厨芥類および草木類のうち少なくとも一つを含み、発酵および糖化のうち少なくとも一つの化学反応が行われる場合に用いられるのが好適である。
【考案の効果】
【００１１】
本考案の反応装置によれば、反応槽内に気体を送って圧力を上げ、サンプル取出管から、原料の一部をサンプルとして圧送して取り出すことができるため、サンプルを取り出すための管が詰まりにくい。また、柄杓等を用いて原料をすくい取ることを目的として、反応槽を大きく開口する必要もないため、反応槽内に不要な菌を侵入させることもない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本考案に係る反応装置の断面図である。
【考案を実施するための形態】
【００１３】
以下、本考案に係る反応装置の実施の形態について、図１を用いて説明する。
本考案に係る反応装置は、例えば、バイオマス資源を化学反応させて、バイオ燃料や樹脂を生産するバイオリファイナリーの施設に設けられる。すなわち、この反応装置は、化石燃料の代替となるバイオ燃料（エタンやエタノールなどのバイオガス）や、石油を原料とする合成樹脂の代替となる生分解性プラスチックの原料（乳酸やコハク酸などの有機酸）の生産において用いられる。したがって、本考案における化学反応は、具体的には、糖化、発酵および同時糖化発酵などである。
【００１４】
現在、バイオ燃料の生産には、トウモロコシ、サトウキビおよびコムギなどの食糧が原料として用いられていることから、食糧と競合しないバイオマス資源からバイオ燃料を生産することが求められている。食糧と競合しないバイオマス資源としては、例えば草木系バイオマスや木質系バイオマスが挙げられる。その具体例としては、廃木材や農産廃棄物が挙げられるが、季節による収量の変化や収集コストが高いことが現在の課題となっている。
【００１５】
本考案の反応装置は、この課題を解決するバイオマス資源として、廃棄物に由来する紙類、厨芥類などを用いる場合に適している。一般廃棄物の年間の焼却処分量は約３８００万トンで、そのうち、紙類は約１９００万トン、厨芥類は約６００万トンとも言われ、バイオマス資源としては十分な賦存量である。また、産業廃棄物にも、食品製造業などから排出された食品廃棄物が多く含まれる。これらの廃棄物は年間を通じて排出量の変動が小さく、既に自治体などによる収集のインフラが整備されていることから、収量が安定し、かつ収集コストが低いバイオマス資源である。
【００１６】
また、バイオガスや有機酸などの生成物の濃度が低いほど、回収におけるコストとエネルギーとが増加するため、用いられる原料の濃度は高い方が望ましい。しかし、紙類や厨芥類の主成分は固体のセルロースであり、原料が高濃度になればなるほど、反応途中の反応物は、流動性が乏しい粘性の高いスラリーとなる。そのため、廃棄物由来の紙類、厨芥類を同時糖化発酵させる場合には、反応時間が比較的長いこともあり、反応状況をモニタリングするサンプリングは必須の操作である。
【００１７】
サンプリングにおいては、原料が流動性に富んだ液体の場合には、反応槽のサンプリング用の管から吸引または流出させるのが一般的である。しかし、本考案のように粘性の高いスラリーを原料とする場合には、サンプリング用の管が詰まる場合がある。そのため、より大きい径の管を用いることも考えられるが、サンプリングの度に大量の反応物を失うこととなる。また、反応槽の上部を開口し、そこから柄杓等を用いて反応物をすくい取る方法も考えられるが、サンプリングの度に反応槽内に不要な菌が侵入する惧れもある。
【００１８】
したがって、本考案に係る反応装置は、従来のサンプリング方法では適用が困難であった、固形物を含む原料を用いた場合においても、容易でかつ不要な菌による汚染の惧れがないサンプリング操作を行うことができる。
【００１９】
以下、本考案の反応装置について、具体的に説明する。図１に示すように、本考案の反応装置１は、主として、固形物を含む原料を貯留し化学反応させる反応槽２と、反応槽２に接続されて、反応槽２から原料のサンプルを取り出すサンプル取出管３と、サンプル取出管３に接続されて、サンプル取出管３内を滅菌する蒸気を発生する蒸気発生装置４と、反応槽２に接続されて、反応槽２内を加圧することでサンプル取出管３からサンプルを圧送するための気体を供給する気体供給源５とで構成されている。
【００２０】
反応槽２は、図１においては、円筒形状である。反応槽２には、原料を投入する投入口２１と、反応後の反応槽２内の内容物を排出する排出口２２とが設けられている。図１においては、投入口２１には投入管６を介して原料供給源（図示せず）が、排出口２２には排出管７を介して排出槽（図示せず）がそれぞれ接続されている。また、本実施の形態においては、原料をスラリーとして貯留するため、反応槽２には、溶液供給口２３が設けられ、溶液供給口２３には溶液供給管８を介して溶液供給源（図示せず）が接続されている。投入管６には第１開閉弁６ａが、排出管７には第２開閉弁７ａが、溶液供給管８には第３開閉弁８ａがそれぞれ設けられている。図１においては、投入口２１は反応槽２の上部に、排出口２２は反応槽２の底部に、溶液供給口２３は反応槽２の側面の上部側にそれぞれ開口されている。
【００２１】
反応槽２には、図１に示すように、貯留された原料を攪拌する攪拌機９が内部に設けられていることが好ましい。攪拌機９は、回転軸であるシャフト９ａと、シャフト９ａの下端部に設けられたインペラ９ｂと、シャフト９ａの上部に設けられて、シャフト９ａを回転駆動するモーター９ｃとで構成される。
【００２２】
なお、反応槽２の外周面に、反応槽２内の原料の状態を確認できるのぞき窓１０が設けられていてもよい。
また、反応槽２には、図１に示すように、サンプルを取り出すためのサンプル取出口２４と、滅菌されて清澄な気体が送入される気体送入口２５と、反応槽２内の気体を排気する排気口２６とが設けられる。サンプル取出口２４には、サンプル取出管３が、気体送入口２５には、気体送入管５ａを介して気体供給源５が、排気口２６には、排気管１１がそれぞれ接続される。図１においては、サンプル取出口２４は反応槽２の側面の底部側に、気体送入口２５および排気口２６は反応槽２の上部にそれぞれ設けられている。
【００２３】
サンプル取出管３は、具体的には、図１においては、反応槽２のサンプル取出口２４から延びる取出管主部３ａと、取出管主部３ａに連通して接続される取出管副部３ｂとで構成されている。また、取出管主部３ａには第４開閉弁３ｃが、取出管副部３ｂには第５開閉弁３ｄがそれぞれ設けられている。図１においては、取出管主部３ａは水平方向に延び、取出管副部３ｂは垂直方向に延び、取出管主部３ａと取出管副部３ｂとは第１接続部３ｅにておよそ直角を成すように設けられている。なお、取り出すサンプルの量を最小にするため、サンプル取出管３の径は比較的細い方がよい。
【００２４】
サンプル取出管３には、図１に示すように、サンプル取出管３内を滅菌する蒸気発生装置４が蒸気送入管４ａを介して設けられている。
蒸気送入管４ａは、具体的には、取出管主部３ａと取出管副部３ｂとの第１接続部３ｅに連通して接続される。また、蒸気送入管４ａは、蒸気発生装置４に接続される蒸気送入管主部４ｂと、蒸気送入管主部４ｂに連通して接続され、サンプル取出管３の第１接続部３ｅにも接続される蒸気送入管副部４ｃとで構成される。図１においては、蒸気送入管主部４ｂと蒸気送入管副部４ｃとが、第２接続部４ｄにておよそ直角を成すように設けられている。蒸気送入管副部４ｃには、蒸気を吹き込む第１吹込口４ｅと、第１吹込口４ｅよりもサンプル取出管３側に位置する第６開閉弁４ｆとがそれぞれ設けられている。蒸気発生装置４から発生される蒸気には、温度が１２０℃〜１７０℃のものが好適である。なお、蒸気発生装置４の代わりに、サンプル取出管３内を滅菌可能であるもの、例えば、次亜塩素酸や消毒液を用いた洗浄装置や、サンプル取出管３を直接的に加熱する加熱装置などを用いてもよい。
【００２５】
気体送入管５ａは、その一方端部が反応槽２の気体送入口２５に接続され、他方側端部は気体供給源５に接続されている。気体送入管５ａには、滅菌手段５ｂと、滅菌手段５ｂよりも反応槽２側に位置する気体を吹き込む第２吹込口５ｃと、第２吹込口５ｃよりも反応槽２側に位置する第７開閉弁５ｄとがそれぞれ設けられている。
【００２６】
気体供給源５としては、本実施の形態においては、ガスボンベが用いられるが、特に限定されない。気体供給源５からは、酸素、二酸化炭素、窒素および不活性ガスのうち少なくとも一種を含む気体（例えば空気でもよい。）が供給される。例えば、セルロース系バイオマス資源を用いた発酵の場合には、酸素を用いると嫌気性が保てない場合があるので、二酸化炭素や窒素および不活性ガスが用いられることが望ましい。
【００２７】
滅菌手段５ｂとしては、例えば、滅菌フィルタ、紫外線照射装置および加熱装置などが挙げられるが、特に限定されない。本実施の形態においては、滅菌手段５ｂには滅菌フィルタが用いられる。滅菌フィルタは、気体に含まれる微生物の大きさ（およそ１μｍ程度）よりも小さい孔径（好ましくは０．２μｍ）のものであることがよい。
【００２８】
また、本実施の形態においては、反応装置１には、気体送入管５ａとサンプル取出管３とを接続するために、接続管１２が設けられている。本実施の形態においては、気体送入管５ａとサンプル取出管３とが、蒸気送入管４ａを介して接続されるように構成されている。すなわち、図１においては、接続管１２は、気体送入管５ａと、蒸気送入管４ａの蒸気送入管主部４ｂと蒸気送入管副部４ｃとの第２接続部４ｄに連通している。接続管１２には、第８開閉弁１２ａが設けられている。
【００２９】
また、排気管１１は、反応槽２内に発生した気体を排気するために設けられる。特に、本実施の形態のように、反応装置１で同時糖化発酵を行う場合には、副産物として発生するガスを排気するために必要である。排気管１１には、逆止弁である第９開閉弁１１ａが設けられている。そのため、第９開閉弁１１ａは、反応槽２内の圧力が所定の圧力以下においては、開かないようになっている。
【００３０】
以下、これらの構成を備える反応装置１を用いたサンプリング操作の手順について説明する。
前提として、反応槽２内は、原料供給源から投入管６を介して投入された原料と、溶液供給源から溶液供給管８を介して供給された溶液とでできたスラリーが貯留された状態である。このとき、反応槽２内には、当然、サンプリング取出口２４よりも高い位置まで、スラリーが入っている。反応槽２内にスラリーが所定時間貯留されて化学反応、本実施の形態では同時糖化発酵が起こる。なお、本実施の形態においては、同時糖化発酵は、回分培養、半回分培養および連続培養のいずれでもよい。したがって、原料の供給は、各種の培養において、適切なタイミングで行われる。
【００３１】
まず、原料を貯留中の反応装置１において、第４開閉弁３ｃ、第７開閉弁５ｄ、第８開閉弁１２ａおよび第９開閉弁１１ａをそれぞれ閉め、第５開閉弁３ｄと第６開閉弁４ｆとを開け、蒸気送入管４ａおよびサンプル取出管３間を開通させる。蒸気発生装置から供給された蒸気を蒸気送入管４ａの第１吹込口４ｅから、サンプル取出管３へ送入し、サンプル取出管３内を滅菌する。
【００３２】
次に、第４開閉弁３ｃと第７開閉弁５ｄとを開け、第６開閉弁４ｆを閉め、気体送入管５ａおよび気体送入口２５間と、サンプル取出管３およびサンプル取出口２４間とを開通させる。なお、第８開閉弁１２ａおよび第９開閉弁１１ａは閉めたまま、第５開閉弁３ｄは開けたままである。気体供給源５から供給された気体は、滅菌手段５ｂで滅菌されて清澄な気体となる。この清澄な気体は、気体送入管５ａを介して、反応槽２へ送入され、反応槽２内の圧力が高くなる。圧力が高くなることによって、サンプル取出管３から反応槽２内の原料の一部が押し出され（圧送され）、容器１３に納められる。このとき、反応槽２内の圧力は、反応物の粘度によって適宜設定されればよいが、反応槽２の耐圧範囲以下であることが望ましい。
【００３３】
また、万一、サンプル取出口２４やサンプル取出管３が原料の固形物やスラリーによって塞がれてしまった場合には、以下の操作を行うとよい。
まず、第４開閉弁３ｃ、第７開閉弁５ｄ、第８開閉弁１２ａおよび第９開閉弁１１ａをそれぞれ閉め、第５開閉弁３ｄと第６開閉弁４ｆとを開けて、蒸気送入管４ａおよびサンプル取出管３間を開通させる。蒸気発生装置４から供給された蒸気を蒸気送入管４ａの第１吹込口４ｅから、サンプル取出管３へ送入し、サンプル取出管３内を滅菌する。
【００３４】
次に、第４開閉弁３ｃ、第８開閉弁１２ａおよび第９開閉弁１１ａを開け、第５開閉弁３ｄを閉めて、蒸気送入管４ａおよびサンプル取出管３の取出管主部３ａ間と、取出管主部３ａおよびサンプル取出口２４間とを開通させる。なお、第６開閉弁４ｆは開けたまま、第７開閉弁５ｄは閉めたままである。滅菌手段５ｂで滅菌されて清澄にされた、気体供給源５からの気体を、気体送入管５ａおよび接続管１２を介して蒸気送入管４ａの第１吹込口４ｅからサンプル取出管３の取出管主部３ａへ吹き込み、サンプル取出管３やサンプル取出口２４を塞いでいるスラリーを反応槽２内へ押し戻す（圧送する）。
【００３５】
このような反応装置１を用いることによって、反応槽２内に気体を送って圧力を上げ、サンプル取出管３から、原料の一部をサンプルとして圧送して取り出すことができるため、サンプル取出管３が詰まりにくい。また、柄杓等を用いて原料をすくい取ることを目的として、反応槽２を大きく開口する必要もないため、反応槽２内に不要な菌を侵入させることもない。
【００３６】
そして、反応途中で、サンプリングによってしか知り得ない情報（例えば反応生成物の濃度など）を得ることができるため、反応の進行状態を正確に把握することができる。また、反応を終えるタイミングも適切に予測することができる。
【００３７】
万一、サンプル取出管３が詰まっても、上述のように、接続管１２を備えることによって、気体供給源５からの気体を、気体送入管５ａおよび接続管１２を介して蒸気送入管４ａの第１吹込口４ｅからサンプル取出管３の取出管主部３ａへ吹き込むことができるため、詰まりを解消することができる。
【００３８】
以下、反応装置１を用いて、廃棄物由来のセルロース系バイオマス資源を原料として、サンプリング操作を行った実施例を示す。実施例においては、０．２ＭＰａまで耐圧可能な仕様の反応槽２内に、原料の濃度が２５％となるように溶液を供給して得られたスラリーを貯留し、同時糖化発酵させた。反応中、反応槽２内は３５℃〜４０℃の範囲の温度で、０．１ＭＰａ（大気圧程度）の圧力に保たれ、総反応時間は１２０時間であった。気体供給源５からは、０．１５ＭＰａの空気を供給し、孔径が０．２μｍの滅菌フィルタ（滅菌手段５ｂ）により滅菌されて反応槽２内に供給された。蒸気発生装置４からはおよそ温度１５０℃で圧力０．５ＭＰａの蒸気がサンプル取出管３へ送られ、サンプル取出管３内を滅菌した。上述した手順にて、サンプリング操作を８〜１６時間間隔で行った。いずれのサンプリング操作においてもサンプル取出管３に原料が詰まることはなく、サンプリングを良好に行うことができた。
［変形例］
実施の形態において、蒸気発生装置４には、バイオリファイナリー設備に既に設けられているものを流用しても構わない。
【００３９】
実施の形態において、気体供給源５に用いられる気体には、例えばエタノール発酵の過程において生成される二酸化炭素を集めて用いてもよい。
実施の形態において、原料を反応装置１に投入する前に、糖化や発酵しやすくする前処理や、発酵に適さない成分を除去または低減する処理を行ってもよい。
【００４０】
実施の形態において、特に廃棄物由来のバイオマス資源を原料として用いた場合に適するような構成を示したが、食糧由来など他のバイオマス資源を原料として用いてもよいことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４１】
１      反応装置
２      反応槽
３      サンプル取出管
３ａ    取出管主部
３ｂ    取出管副部
３ｃ    第４開閉弁
３ｄ    第５開閉弁
３ｅ    第１接続部
４      蒸気発生装置
４ａ    蒸気送入管
４ｂ    蒸気送入管主部
４ｃ    蒸気送入管副部
４ｄ    第２接続部
４ｅ    第１吹込口
４ｆ    第６開閉弁
５      気体供給源
５ａ    気体送入管
５ｂ    滅菌手段
５ｃ    第２吹込口
５ｄ    第７開閉弁
１２      接続管
１２ａ    第８開閉弁
【図１】
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