(57)【要約】 【課題】   水熱反応処理手段により、多種の粒子状物質、特に有機性固体粒子の分解を水以外の化学物質を多量に使用することなく効率的にしかも環境に配慮した物質変性・再利用が可能としたものである。【解決手段】 少なくともスラリー貯槽、加圧送液機、加熱部、冷却器、調圧器及び受槽よりなり、これら各機器を円筒管で接続された流動型の水熱反応処理装置であって、該加熱器内に傾斜角５〜３０°の下降斜度を持つ円筒管で構成された水熱処理反応器を設置することを特徴とする水熱反応処理装置及び水熱反応処理方法。  【選択図】 図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともスラリー貯槽、加圧送液機、加熱部、冷却器、調圧器及び受槽よりなり、これら各機器を円筒管で接続された流動型の水熱反応処理装置であって、該加熱部内に傾斜角５〜３０°の下降斜度を持つ円筒管で構成された水熱処理反応器を設置することを特徴とする水熱反応処理装置。
【請求項２】
水熱処理反応器は内径が５ｍｍ以上の円筒管であって、かつ曲線部の曲率半径が５０ｍｍ以上の螺旋形状であることを特徴とする請求項１記載の水熱反応処理装置。
【請求項３】
粒子状固形物の水熱反応処理方法であって、長径が４ｍｍ以下の粒子状固形物を水スラリーとしてスラリー貯槽より供給し、少なくとも加圧送液機、加熱部、冷却器、調圧器及び受槽が円筒管で接続された流動型の水熱反応処理装置に圧入し、該加熱部内に装置された傾斜角５〜３０°の下降斜度を持つ水熱処理反応器にて水熱処理することを特徴とする水熱反応処理方法。
【請求項４】
粒子状固形物の水スラリーが、該粒子状固形物と水又は高分子水溶液の混合物であることを特徴とする請求項３記載の水熱反応処理方法。
【請求項５】
粒子状固形物が有機高分子であることを特徴とする請求項３又は４記載の水熱反応処理方法。
【請求項６】
粒子状固形物が植物体、種子、魚介、肉食、畜骨又はそれらの変性物の破砕物であることを特徴とする請求項３又は４記載の水熱反応処理方法。
【請求項７】
粒子状固形物の水スラリーをスラリー貯槽内にて攪拌し、均一なスラリー濃度を維持しながら該スラリーを水熱反応処理器に圧入することを特徴とする請求項３又は４に記載の水熱反応処理方法。
【請求項８】
粒子状固形物の重量が全スラリー重量の５〜５０％であることを特徴とする請求項３〜７の何れかに記載の水熱反応処理方法。
【請求項９】
粒子状固形物の水スラリーの１時間当たりの圧入量が、水熱処理反応器容量の３０〜４００％であることを特徴とする請求項３〜８の何れかに記載の水熱反応処理方法。
【請求項１０】
水熱処理反応が３７０℃以下、及び２３ＭＰａ以下で行われることを特徴とする請求項３に記載の水熱反応処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子状固形物の水熱反応を効率よく行うための装置及び該装置による効率的な水熱反応処理方法を提供するものである。詳しくは特定の下降斜度を持つ円筒管で構成された水熱処理反応器を流路内に備えた流動型の水熱反応処理装置、並びに、常温大気圧下でスラリーに調整された粒子状固形物を当該水熱反応処理器に連続的に注入し、上記水熱処理反応器において流動下において加圧加熱処理を施すことにより、効率的に水熱反応処理を行って生成物を回収する装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加圧された水は１００℃以上でも液体として利用することができ、各種物質の変性処理媒体として有用である。このように加圧加熱された液体状の水による処理を、以下「水熱反応処理」と称する。例えば、蛋白質のような水溶性高分子は水熱反応処理により低分子化、或いはアミノ酸まで加水分解することが既に知られている。このような現象は、特に臨界温度以下、及び臨界圧力以下で活用すれば、非酸化処理のため化学的に安全で、消費するエネルギーも多大でなく、かつ被処理物質を過度に分解して価値を減じることがないので有用物を効率的に回収再利用できるなど、産業上の応用が期待される。
【０００３】
水熱反応処理は処理対象が液体である場合には流動型の処理が原理的に可能であり、装置の小型化、効率化に寄与できる。一方、固形物に対して水熱反応処理を行おうとすると、小型化の難しいバッチ処理を適用せざるを得ず、効率化・実用化の面では不満足状況にあった。また、従来超臨界水または亜臨界水を用いる連続処理装置及びこれによる有機物スラリーの加水分解方法も知られている（特許文献１参照）が、難分解物質の効率的な水熱反応処理に適用するには、より適切な水熱反応処理装置及び処理方法が必要となっていた。
【特許文献１】特開２００５−０３４８０８号公報
【特許文献２】特開２０００−３０９６６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記課題を解決すべく本発明者らは種々検討した結果、特定の下降斜度を持つ円筒管で構成された水熱処理反応器を流路内に備えた流動型の水熱反応処理装置を使用して特定な水熱反応処理条件で水熱反応処理を行うことにより効率的処理が可能になることを見出し、本発明に到達した。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
すなわち、本発明の要旨は、少なくともスラリー貯槽、加圧送液機、加熱部、冷却器、調圧器及び受槽よりなり、これら各機器を円筒管で接続された流動型の水熱反応処理装置であって、該加熱部内に傾斜角５〜３０°の下降斜度を持つ円筒管で構成された水熱処理反応器を設置することを特徴とする水熱反応処理装置に存する。
【０００６】
本発明の他の要旨は、粒子状固形物の水熱反応処理方法であって、長径が４ｍｍ以下の粒子状固形物を水スラリーとしてスラリー貯槽より供給し、少なくとも加圧送液機、加熱部、冷却器、調圧器部及び受槽が円筒管で接続された流動型の水熱反応処理装置に圧入し、該加熱部内に装置された傾斜角５〜３０°の下降斜度を持つ水熱処理反応器にて水熱処理することを特徴とする水熱反応処理方法に存する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、多種の粒子状物質、特に有機性固体粒子の分解を水以外の化学物質を多量に使用することなく効率的に行えるので、環境に配慮した物質変性・再利用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の実施例の水熱反応処理装置の模式図であり、また図２は本発明の他の実施例の水熱反応処理装置の模式図である。
【０００９】
図１において、１はスラリー貯槽、２は加圧送液機、３は加熱部、３-１は水熱処理反応器、４は冷却器、５は調圧器、６は受槽であり、これら各機器は円筒管７によって接続された水熱反応処理装置である。
【００１０】
スラリー貯槽１は、被処理物質である粒子状固形物を水スラリーとして安定的に保持する容器である。当該容器の形状は任意であるが、槽内にて該スラリーを均一に保持するための攪拌機能を有することが望ましい。
【００１１】
粒子状固形物の水スラリーが均一に保たれるためには、粒子状固形物の大きさは長径で最大４ｍｍ、好ましくは３ｍｍ以下、特に好ましくは２ｍｍ以下が良い。径が大きすぎるとスラリーすることが難しく、流路の閉塞の原因となる。また粒子径が小さくすることで水熱反応処理への悪影響はないが、固形物を微少粒子化するための工程が必要となるため不経済・非効率である。
【００１２】
このような粒子固形物としては、プラスチックのような人工の有機高分子や、植物体、種子、魚介、食肉、畜骨又はそれらの変性物のような天然物が特に好ましい。
【００１３】
粒子状固形物の水スラリーを均一に保つ方法として、水中に少量の水溶性高分子物質を添加することができる。高分子物質は粘度を増加させて当該粒子状固形物の沈降或いは浮上速度を低下させる効果があり、また、該粒子状固形物同士が凝集して大粒子化することを防ぐ機能も有する。更にスラリーを均一に保持するために、スラリー貯槽１内を温調することも効果的である。 
【００１４】
加圧送液機２は、粒子状固形物の水スラリーをスラリー貯槽１より加熱部３に装置されている水熱処理反応器３-１に向けて、加圧下に挿入（以下、圧入と称す）する機器である。送液には任意の形式・形状のポンプを使用することができるが、ポンプによる脈動を低減することが好ましい。これには既知の機器或いは方法を適用できる。例えば複数のプランジャー型ポンプを設置して位相をずらして運転する或いはポンプ出口にダンパーを設置する等の方法が採用できる。
【００１５】
加熱部３は、水熱反応処理を行う機器である。当該加熱部３内に設置された水熱反応処理器３-１(その詳細構造は後述）に圧入された粒子状固形物の水スラリーはこの部位で加熱されることで流動下に水熱反応処理される。加熱方法は任意であり、電熱、燃焼熱、熱媒加熱、高周波加熱などを用いることができる。
【００１６】
水熱反応処理器３-１は、円筒管で構成されており当該円筒管内を粒子状固形物の水スラリーが均一な固形物濃度を保ったまま流動できる管径を持つことが必要である。この円筒管の内径は４〜５０ｍｍであることが好ましく、特に５〜３０ｍｍが好ましい。この場合径が小さすぎるとスラリーの流量が大きくできず非効率的であり、また流路が閉塞するなど不都合が起きやすい。一方、径が大きすぎると加熱効率が損なわれやすく、水熱反応処理が完結しなくなる。  
【００１７】
水熱反応処理器３-１を構成する円筒管は、なだらかな下降傾斜を持つことが好ましい。これにより、粒子状固形物は自重によって流路の前進方向への流動が促進され、水熱反応処理を効率的に行うことができる。下降傾斜としては３〜４５°が好ましくは、特に５〜３０°が好ましい。斜度が小さすぎると粒子状固形物の淀みが発生して流路閉塞の原因となり、斜度が大きすぎると粒子状固形物沈降がスラリー流速を上回るために水熱反応処理の効率が低下し好ましくない。
【００１８】
当該水熱反応処理器３-１を構成する円筒管は、直線状に傾斜させた構造でも良いが、螺旋状にして傾斜させた構造にすることにより反応器としての空間効率を高めることができると共に加熱効率を向上させることができる。螺旋の曲率は厳密に一定である必要はなく直線部分を含んでいてもよいが、円筒管の任意の曲線部分で曲率半径が５０ｍｍ以上のであることが好ましく、特に６０ｍｍ以上が好ましい。この曲率半径が小さすぎると流路の閉塞の原因となる。
【００１９】
ここで、加圧送液機２より圧入される粒子状固形物の重量は全スラリー重量の５〜５０％が好ましい。当該スラリーが流動状態を維持するためには分散液である水の重量よりも大きくなってはならないので、最大で５０％である。また粒子状固形物の重量が全スラリー重量に比べて少なすぎると、加熱部での熱エネルギーの大半がスラリー中の水の加熱のために消費されてしまい非効率である。
【００２０】
また水熱反応処理器３-１に圧入される粒子状固形物の水スラリーの１時間当たりの圧入量が当該水熱反応処理器容量の３０〜４００％に設定することが好ましい。反応器内のスラリーの処理時間は現実的には１５分〜３時間程度となるよう調整することが好ましい。従って、スラリーの供給速度は水熱反応処理器の容量の４倍から１／３倍程度が最適である。
【００２１】
また、水熱反応処理器３-１内で粒子状固形物の水スラリーが常に流動状態を維持させるために、水の臨界温度より低い３７０℃以下、水の臨界圧より低い２３ＭＰａ以下に設定することが好ましい。このような各数値を採用することにより水熱反応処理器３-１内でもスラリー中の水は液体状態に維持される。
【００２２】
冷却器４は、加熱部３内に設置された水熱反応処理器３-１で水熱反応処理を経た粒子状固形物の水スラリーを常温における水の沸点（１００℃）以下まで除熱する機器である。任意の形状・方式の熱交換器を使用することができる。当該冷却器４にて１００℃以下に除熱された粒子状固形物の水スラリーは調圧器５に送られる。
【００２３】
調圧器５は、流路内の液体圧を調整して常圧（大気圧）まで減じる機器である。これは既存の減圧弁等を使用することができる。
【００２４】
受槽６は、水熱反応処理を経て１００℃以下に除熱された粒子状固形物の水スラリーを貯留・回収する機器である。調圧器５の出口或いは冷却器４と調圧器５との間に設置することができる。
【００２５】
このようにして得られた粒子状固形物の水スラリーの水熱反応処理物は、そのまま或いは濾過・分離等の既存の手法による追加処理を経て最終形態となる。
【００２６】
図２は、本発明の他の実施例であり、ポンプ９より高圧水を予熱器１０に送り、当該予熱器１０で高圧・高温になった高圧熱水は管１０を通して加圧送液機２より送出された粒子状固形物の水スラリーに補助的に高圧熱水を供給すると共に、これらの送液はスタティクミキサー８によって均一に攪拌されて加熱部３に送られる。
【実施例１】
【００２７】
図２において、市販の高圧プランジャーポンプ２基を、半周期の位相で交互吐出するように配置して加圧送液機２を構成した。当該加圧送液機２の吐出側に内径６．４ｍｍのステンレス製の管７を接続した。
また、内径６．４ｍｍのステンレス製の円筒管を用いて、巻径１３６ｍｍ、巻数２２の正円状螺旋管とし、当該螺旋管の軸方向高さは４７０ｍｍ、螺旋管の傾斜角が８．４°である水熱処理反応器３-１を製作した。当該製作された水熱処理反応器３-１を電気炉内に設置して加熱部３を構成した。
【００２８】
同様に巻径１３６ｍｍ、巻数２０の螺旋管を製作し、別の電気炉内に設置して予熱器１０を構成した。当該予熱器１０の流入側に市販の高速液体クロマトグラフ用高圧ポンプ９に接続すると共に、当該予熱器１０の流出側に内径６．４ｍｍのステンレス製の管１１を接続した。
また、内径６．４ｍｍの円筒Ｔ接手を使用して、当該接手の一方側にステンレス製の管７の他端を、当該接手の二方側にステンレス製の管１１の他端を、当該接手の三方側をスタティクミキサー８の流入側にそれぞれ接続した。
更に、水熱処理反応器３-１出口側には、冷却器４を構成する内径６．４ｍｍのステンレス製の管の流入側に接続し、当該管の流出側を調圧器５を介して受槽６に接続した。
【００２９】
豚由来不溶性コラーゲン粒子（平均径０．５ｍｍ、分子量１０万以上）２００ｇと水８００ｇとを含む懸濁液を調整して１０Ｌアルミ製貯槽１に入れ、原料スラリーとした。水熱処理反応器３-１を２４０℃に保ち、スラリーを２０ｍＬ／分、予熱水２０ｍＬ／分で供給しながら、圧力１２ＭＰａで水熱処理を行った。
【００３０】
受槽６で得られた処理駅液は均一で固形分はなく、溶解分をゲル浸透クロマトグラフィーで分析したところ、分子量５０００の化合物のみ検出された。これは、不溶性コラーゲンが水中無触媒でコラーゲンペプチドに全変換されたことを示している。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施例の水熱反応処理装置の模式図。
【図２】本発明の他の実施例の水熱反応処理装置の模式図。
【符号の説明】
【００３２】
１      スラリー貯槽
２      加圧送液機
３      加熱部
３-１   水熱処理反応器
４      冷却器
５      調圧器
６      受槽
７      円筒管
８      スタティクミキサー
９      ポンプ
１０    予熱器
１１    管
【図１】
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【図２】
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