目次
4

巻頭言

技術への飽くなき追求
6

取締役兼執行役員 産業事業本部長

蒸留塔インターナルと蒸留技術の進歩
15

吉川 孝

論文 1
高橋 謙之

論文 2

木質バイオマスを原料としたエタノール製造―商業設備における運転条件最適化―
加藤 綾子・水野 秀明

21

技術紹介 1

製糖工場におけるモラセス・バガスからの燃料用エタノール製造技術
早川 智基・鈴木 健治・佐藤 正則

28

技術紹介 2

下水汚泥燃料化／低温炭化
34

上田 厚志

製品紹介 1

インクラインドディスクドライヤ
37

渡辺 健司

製品紹介 2

脱蝋フィルタ42

製品紹介 346

コーヒーブレイク 月島茶房

日比 賢一

40ton ／日 スラグバス式酸素燃焼溶融炉

上村 敏雄・松浦 敏郎

塩の話47

会社概要・編集後記

No.14 2010

CONTENTS
4

Foreword

6

Paper1KIKKAWA Takashi, BOARD MEMBER,EXECUTIVE OFFICER
GENERAL MANAGER,INDUSTRIAL BUSINESS DIVISION

Progress of Tower Internals and Distillation Technology
15

TAKAHASHI Kaneyuki

Paper2Ethanol production from lignocellulosic biomass– determination of optimal conditions for practical operations at the commercial plant–
KATO Ayako / MIZUNO Hideaki

21

Technology Introduction1

Fuel ethanol production technology from molasses and bagasse in the sugar factory
HAYAKAWA Tomoki / SUZUKI Kenji / SATO Masanori

28

Technology Introduction2

34

Product1

Bio-fuel conversion technology / Low temperature carbonization
表紙の写真

Inclined Disc Dryer
37

Product2

42

Product3

UEDA Atsushi

WATANABE Kenji

Dewaxing filter

HIBI Kenichi

40 ton/day Slag-Bath Melting Furnace with Oxygen Burner
KAMIMURA Toshio / MATSUURA Toshio

46

Coffee Break47

Corporate Profile / Editor’s Note

北海道南西部に位置する、洞爺湖の秋の風景

TSK 技報 2010 no.14

3

巻 頭 言技術への飽くなき追求

地球規模で抱える問題の解去に築いたドキュメント、経験、知識、エンジニアリング手法も技術力決のための技術である。まの一部であるが、間違いなく技術を実現する技術者一人一人の力がた、インフラ整 備が進んで大きな部分を占めるであろう。つまり、技術者一人一人の成長が月島いない中国への水処理・汚機械の技術力を一層発展させることを意味する。個々人が積み上げ

泥処理事業進出は中国国てきた経験、知識、能力に加え、先に述べた情熱こそが技術者の「力」

家の環境保全というニーズ

であり、月島機械の技術力はそれによって強くもなり、弱くもなる。強いに合致している。これらは、技術力こそが、お客様の利益や社会貢献にも繋がり、未来へ技術を月島機械の100 余年は、技術の追求の歴史である。製糖分野に

月島機械の技術を用いて、紡いでいくことになる。そのために、様々な技術者成長の場を企画し、始まり、化学工業全般、そして環境事業、エネルギー事業と、時代

大きな社会貢献が期待でき

実行していくことが私を含めた経営層の使命と考えている。

の変遷に合わせて会社の軸足を替えつつも、各々の時代で磨き、るものであり、お客様も月島培ってきた蒸留、晶析、乾燥、ろ過といった単位操作技術をそれぞ

機械も便益を享受できるもの

経営環境は競争が厳しく、技術革新のスピードは著しく速い。限れの分野に適用し、技術で生きてきた会社である。それは、明治・だと確信している。今後は、納入した設備から経験、知見を積み重られたリソース（人、モノ、金、時間）の中で高度化・複雑化した技

大正の日本の近代化、第二次大戦後復興期、高度経済成長時代

ね、当社技術に磨きをかけ、更なる改善・改良を行い、技術の完成

術開発をしなくてはならず、過去と単純に比することはできないが、と、日本の技術力が日進月歩で発展し、欧米に追いつき追い越せと、度を追求する姿勢が大事になる。それは、品質で言えば高機能化、技術者への負担が大きいのも事実であろう。しかし、既存技術から国全体で「技術」というものを追い求めていた時期に符合する。

高効率化であり、また更なるコストダウンである。従前の市場が縮新事業・新市場への転換を図っている今だからこそ、既存技術をそしてその「技術」を磨き、培い、支えてきたのが、日本の技術者

小し、新事業・新市場に活路を見いだしている国内の同業他社や新分野に適応させること、一から新しい商品を作り上げることも可能

であり、月島機械の技術者である。月島機械が今後も技術で生きて海外水メジャーも同様の考えで躍起になって、同じ土俵に上がってである。そのような技術者としての誇りと気概を持って、この難局に行くためには、技術を支える技術者が育つことが必須条件である。

くる。それら競合の中でも技術的に一歩先んじるためには、現状に負けずに取り組んでもらいたい。技術者自身の日々の業務、努力が、留まらず、既存技術の更なる研鑽と、新たな技術の開発を続けてい会社の利益、お客様の利益に貢献し、さらには日本はもちろんのこと、

かなければならない。

中東、アジア諸国の産業振興、インフラ整備の一端に自分が寄与

そもそも月島機械が求めるべき技術とは、どのようなものだろうか。

するという自負を持って頂きたいと思うのである。

それは、月島機械の企業理念が示すとおりである。
【月島機械

企業理念】

一、わが社は最良の技術をもって産業の発展と環境保全に寄与し、社会に貢献します
一、わが社は市場のニーズを先取りし、最良の商品とサービスを顧客に提供します
一、わが社は創意と活力によって発展し、豊かで働きがいのある企業をめざします吉川 孝
取締役兼執行役員
産業事業本部長

4 TSK 技報 2010 no.14

このように技術の世界というものは、一旦成果を出したとしても、長期の安寧を許してくれない厳しい世界である。そのため、月島機

一方、技術者だけが日々努力し、技術力を向上させようとしても、そ械の技術者には日々の努力と、それを続ける情熱を持ち続けて欲し

れだけでは技術の発展につながらない。やはり多くのお客様に商品をいと願う。

買っていただき、使っていただくことで、様々な技術の発展のヒントが会社の技術というものは、ご承知の通り、ある日突然向上するもの

見えてくる。そのためには、全社をあげた営業・協力体制が必要であではない。毎日、毎 JOBの努力の積み重ねが技術を少しずつ構築しる。新商品が上市されたら、それを一気に市場へ拡販する体制を作ていく。それは、まるで薄膜を張り合わせるかのように、一枚一枚は脆らなければならないし、受注を海外に求めてシフトをするのであれば、弱な姿であるが、たゆまぬ積み重ねが、最終的に強固な技術へ発展

従来の仕事のやり方では通じないであろうから、社内全体が新たな

つまり、1、2 項目が示すとおり、お客様の期待・要求に応える当社すると考える。時には、天才的な閃きから生まれたと見えるものがある

業務手法を見いださなければならない。それには技術者のみならず、技術を商品という形にして、顧客に提供することが求められる。それかもしれないが、それすらも日々の努力と、熱意がその閃きを生み出し

営業部門、スタッフ部門においても、月島機械の商品を売り込む、技には、いち早くお客様のニーズや、抱える課題を察知し、それを当ていることは、過去の天才・偉人の言葉が教えてくれる。月島機械が術者を支援する、といったことに技術者に負けない情熱を持ち、日々社技術で実現する必要がある。いくら素晴らしい技術を持っていた

現在、技術の会社として生き残っているのも、先人の技術者達が、日々の努力をして変化についていかなければならない。

としても、市場に求められていない、世間から一歩遅れている技術の努力を続けてくれたからこそであることを忘れてはならない。月島機であったり、お客様の期待にそぐわない技術では採用していただけ

械は、過去に経営をゆるがす大きな失敗や、受注に結びつかなかっ最後になるが、月島機械の技術や技術者について日々思うところず、結果として、社会貢献も果たせなくなる。これは優れた技術かた巨額な開発投資をしたこともあった。収益面で見れば失敗と見られを、拙文ではあるが述べさせていただいた。繰り返しになるが、月ら生まれた商品にもあてはまる。技術的にはニーズに合致し、お客るこれらのことも、技術的にみれば最先端の技術や経験・知識を蓄

島機械は技術の会社であり、技術の成長無くしては企業の存続は様の要望を満たしていても、商品の品質が粗悪であったり、市場価

積できたこととして、現在の月島機械の技術の一部に繋がっている。

ありえない。現在、大きな事業の転換期にあるが、技術者の方々に格に比して勝負できないものでは、やはり見向きもされないのである。

「受注の是
そこには、
「なんとか技術を完成させ、商品を引き渡す」、

は、月島機械を背負っているという誇りを持って、また次の10 年、次現在注力している汚泥炭化設備、バイオマス事業、過給式流動非を見極めるまでの精一杯の技術的検証を行う」、と言った当時の技の100 年に渡る技術の系譜を繋ぐ役割を持つことを、本稿より思量

焼却炉をはじめとした新型機器、プロセスの開発は、地球温暖化

術者の責任感と情熱、そして努力があった。

していたただければ幸いである。

問題・創エネルギー・省エネルギーというお客様のみならず国家・「企業は人なり」、現在の月島機械の技術力を推し量るとしたら、過TSK 技報 2010 no.14

5

論文

1

ることで、ガス側の抵抗を下げ、30%以上圧損の低下が可能となり、高2 蒸留装置の基礎知識

負荷領域まで安定した性能が維持されるようになった。1）一方、ハイパ

蒸留塔インターナルと蒸留技術の進歩
Progress of Tower Internals and Distillation Technology

2.1 蒸留塔インターナルの分類とその変遷

フォーマンストレイではUOP 社、KOCH-GLITSCH 社、SULZER 社な

蒸留の連続操作は19 世紀後半、石炭ガラを使用した充填塔で始まったとされるが、その後のシーブトレイやラシヒリング、19 世紀末に開発されたバブルキャップトレイの普及により発展した。1950 年代に入り石油化学の発達に合わせ、安価で効率のよい各種バルブトレイがTsukishima Kikai began to be engaged in the distillation technology from the 1930’s, pro-1970 年代には第 3 世代と呼ばれる高性能不規則充填物、金網製や一にする工夫がなされている。
また、ULTRAFRACトレイはシリンダー

金属板製の規則充填物が開発され、低圧損の特長を活かし、真空操内で液を蒸気に同伴させることで気液接触させるタイプのトレイで従来作の蒸留塔を中心に需要を伸ばして来た。

型より50%以上処理能力が増加する。
詳細情報は各種専門書 5,6）やメーカのカタログを利用いただきたい。

oped, Tsukishima Kikai delivered distillation plants to many customers such as synthetic

開発されている。表 1にこれらの蒸留塔インターナルの分類とその変図 2にコンベンショナルトレイの形状がわかる写真・図、およびトレイ

fiber, plastics, fine chemicals and other fields.

遷を示す。

BOPAK is used in many distillation towers and its performance is evaluated as excellent.

産業事業本部
プラント計画部
プロセス第1グループ

主な改善点はダウンカマーを吊り下げ式にして、ダウンカマー下も1990 年代以降ではトレイも規則充填物もより高負荷対応の商品がpacking, named ROMBOPAK from KUHNI (Present SULZER CHEMTECH). ROM-

TAKAHASHI Kaneyuki

20%から最大 50%増加することができる。

viding column stills for alcohol. Since 1950, during which petrochemical industries devel-

In 1985, Tsukishima Kikai introduced the technology of high performance structured

高橋謙之

これらのトレイは分離性能は従来トレイと同程度であるが処理量を気液接触可能としたこと、気液の分散を良くし、トレイ上の液流れを均開発され、実用化された。

Abstract

どから各種トレイが提案されている。2,3,4）

上の気液接触の模式図などを紹介する。また、図 3にハイパフォーマ

規則充填物の高負荷対応商品として、ロンボパック S 型、メラパッ
ク Plus 型がある。図 1にロンボパックの従来型であるM 型と改良されンストレイの写真や図を示す。同様に、図 4に各種代表的な充填物の形状がわかる写真を、表 2に金属充填物の特性を示す。

たS 型のエレメント形状を示すが、従来型より流線的な形状に改良す

Recently, Tsukishima Kikai delivered the distillation plant for biomass ethanol production
and solvent purification, and the special tray for gas purification facility.
This paper describes the selection procedure and performance evaluation of tower internals, and outline of recent distillation technology, especially economic evaluation of the

表 1 蒸留塔インターナルの変遷
Table1 History of Tower Internals

energy-saving system in the distillation plant based on knowledge and experience accumulated over the years.
月島機械が最初に蒸留技術に取り組んだのはアルコール蒸留機を納めた 1930年代である。1950年
以降、石油化学工業の発達とともに、月島機械は合成繊維、合成樹脂、
ファインケミカルなどの分野で多くの会社に蒸留設備を納入している。1985年にはクーニー社（現ス ル ザーケ ム テック社）
から高性能規則充填物の「ロンボパック」
を技術導入した。ロンボパックは多くの蒸留塔に使用され、その性能は高く評価されている。最近では、バイオエタノール製造や溶剤精製用蒸留設備、ガス精製設備用特殊トレイを納入している。本稿では長年培ってきた知見や経験から蒸留塔インターナ ルの選定方法と性能評価、および最近の蒸留技術、特に蒸留設備の省エネシステムの概要と経済性について説明する。
キーワード：蒸留塔インターナ ル、トレ イ、不規則充填物、規則充填物、ロン ボ パック、省エネ型蒸留シ ステ ム
Keyword ：Tower internal, tray, dumped packing, structured packing, ROMBOPAK 、energy-saving distillation
system1 はじめに事例が豊富にあり原理が簡単で気液平衡関係を測定出来れば、プロセ
スシミュレータを使用して設計できることがあげられる。一方、欠点としては蒸留は2 成分以上の混合液から各成分の沸点差を利用して分離・

エネルギ多消費型であるとされている点である。しかし、蒸留はリボイラ

精製する技術である。石油を原料とする化成品製造プロセスには分離・に熱を与えると蒸留塔内の気体と液体は気液接触装置（トレイや充填物）

精製工程があり、主として蒸留塔がその役割を担っている。

の中で蒸発と凝縮を自動的に繰り返しながら、塔頂より低沸点に富む気体

このように、蒸留操作は石油精製、石油化学工業では欠かすことの出と塔底に高沸点に富む液体に分離されていくことから、与えた熱はロス無来ない単位操作である。また、蒸留はフロンや半導体ガス、空気分離なく、有効に分離操作に利用されている優れた単位操作であるともいえる。

どのガス精製、金属チタンや超高純度シリコン精製などの金属精製、医本稿では月島機械がこれまで扱ってきた蒸留装置、蒸留塔、塔インター

薬・食品から塗料・半導体など様々な分野で使用される溶剤・溶媒の回収・ナルで得た知見や経験などから蒸留塔インターナル（トレイと充填物）の精製、廃液からの揮発性有効成分回収・有害物質の除去など多方面

選定方法と性能評価および、最近の蒸留技術、特に蒸留設備の省エネに利用されている。蒸留が多用される理由は技術が成熟していること、システムの設備概要と経済性について説明する。

6 TSK 技報 2010 no.14

TSK 技報 2010 no.14

7

論文 1

Progress of Tower Internals and distillation Technology

蒸留塔インターナルと蒸留技術の進歩

2.2.1 操作圧力による分類
表 3に蒸留方式の操作圧力による分類を示す。
2.2.2 蒸留方式よる分類
表 4に蒸留方式の目的による分類を示す。この表の塩効果蒸留で説明した塩化カルシウム添加による塩酸 - 水系気液平衡データの変化
を図 5に示す。また異圧蒸留で説明した操作圧力による共沸組成の変化の例を図 6-1にエタノール - 水系、図 6-2にTHF（テトラヒドロフラン）-水系についてそれぞれ示す。

表 3 蒸留方式の操作圧力による分類
Table3 Classiﬁcation by operating pressure of distillation method

図 5 HCL-H2O-CaCL2 気液平衡図
Fig.5 Vapor-Liquid Equilibrium of HCL-H2O-CaCL2

図 4 金属充填物
Fig.4 Metal Packing

表 2 金属充填物特性
Table2 Characteristicｓ of Metal Packing

表 4 蒸留方式の目的による分類
Table4 Classiﬁcation by purpose of distillation method
図 2 コンベンショナルトレイ
Fig.2 Conventional Tray

図 6-1 エタノール - 水系気液平衡図
Fig.6-1 Vapor-Liquid Equilibrium of Ethanol−H2O

2.2 蒸留方式分類
蒸留操作で分離・精製する場合、原料条件、各成分の物性・気液
平衡関係などから蒸留方式や操作圧力を決める必要がある。気液平衡関係とは互いに平衡である気相と液相の組成および圧力、温度との間の関係をいうが、この気液平衡データは溶液の種類によって異なり、ある種の溶液では液相とそれに平衡な気相の組成が等しくなることが
図 3 ハイパフォーマンストレイ
Fig.3 High Performance Trayある。このような混合物を共沸混合物といい、通常の蒸留では分離が

図 6-2 THF- 水系気液平衡図
Fig.6-2 Vapor-Liquid Equilibrium of THF-H2O

困難となる。以下にこのような混合液を分離する蒸留方式も含め、通常行なわれている蒸留方式の分類と概要についてまとめた。

8 TSK 技報 2010 no.14

TSK 技報 2010 no.14

9

論文 1

Progress of Tower Internals and distillation Technology

蒸留塔インターナルと蒸留技術の進歩

3.1 トレイと充填物の性能比較

3 充填物とトレイの選定
塔インターナルをトレイ、あるいは充填物のどちらを選択するかはその長所・短所など特性を理解し、プロセスの要求条件を吟味して採3.2 処理能力比較

表 5に一般的なトレイ、不規則充填物、規則充填物の特性比較の処理能力を比較するため、代表的なトレイ、規則充填物、不規則充概要を示す。また、トレイと不規則充填物、規則充填物の気液分散

填物のフローパラメータとキャパシティパラメータの関係を図 8に示す。
ト

比較を図 7に示す。

レイについてはコンベンショナルトレイの塔内蒸気速度を求める時使用
また、スリット
されるFairの式のフラディング蒸気速度係数 7）を採用する。

用する必要がある。

トレイはKUHNI 社のデータから推定して求めた値である。
規則充填物はKUHNI 社のロンボパック6M、９M、S4M 型のデー
表 5トレイ、不規則充填物、規則充填物特性比較
Table5 Characteristic comparison table of Tray, Dumped Packing and Structured packing

タを、不規則充填物はIMTP#25、#40のデータをそれぞれ採用し、比較した。
キャパシティパラメータ（Cs）は下記の（1）式で表される。ただし、、ρG はガス密度［kg/m3］、ρL は液密度［kg/UG は空塔速度［m/ｓ］
である。
m 3］

（1）

図 8 キャパシティパラメータとフローパラメータの関係
Fig.8 Relation between Capacity parameter and Flow parameter3.3 充填物の性能比較
充填物の性能を表わすものとして、比表面積 ［a m2/m3］（充填物型

また、フローパラメータは（2）式で表される。ただし、Lは液負荷量［kg/m2・h］、Gはガス負荷量［kg/m2・h］
である。

式）
をパラメータとして・ NTSM（充填高さ当たりの理論段数）［-/m］、あるいはHETP（理論の関係
段当たりの充填高さ）［ｍ］とF 値［Pa0.5］

（2）

の関係
・圧力損失
［Pa/m］とF 値［Pa0.5］・キャパシティパラメータ Cｓ［m/s］とフローパラメータ［-］の関係があり、各メーカのカタログに図や表で示されている。なお、F 値は（3）

この値はL/Gと液密度が一定であればガス密度に大きく依存され式で定義され、ガス負荷を表わす運転因子である。

る。すなわち、減圧であればガス密度は小さくなり、この値も小さくなる。

（3）

逆に加圧になれば、この値は大きくなる。また、還流比が小さい場合、濃縮部ではL/G 比が小さくなり、この値は小さくなる。図 8に示したとおり、フローパラメータの値が 0.01に近づくほど高真空・低液負荷領域

ここでは、充填物の性能評価を行うために提案されている２つの指標式で表されるN 値である。
について説明する。8）第 1の指標は（4）になり、0.1に近づくほど加圧・高液負荷領域になり、その中間が低真空〜常圧・中液負荷領域と考えられる。

（4）

図 8の通常の蒸留塔に採用されるトレイ（段間隔 500mm）と規則充填物（6M）、不規則充填物（IMTP#25）のキャパシティパラメータを比較するとフローパラメータ0.1 以下の領域では規則充填物 > 不規則充

Ｎ値は総合的な性能値を表し、無次元で高性能なほど数値は大きくな

填物＞トレイの順で、0.1 以上の領域では逆にトレイ > 不規則 > 規則のる。
また、一般的にはこのＮ値はＦ値のような処理能力ファクタに対しプロッ

順になっている。すなわち、充填物の使用領域は常圧〜減圧系、特にトされるべきであるが、充填物の型式によりフラディングのＦ値が異なる

許容圧損が小さくする必要のある高真空領域で優位となり、トレイは常ことから同じ基準で比較するため、フラディングのＦ値（Ｆmax）と運転時

圧〜加圧系で優位となる。また、規則充填物と不規則充填物の選定のF 値の比に対してプロットしている。

区分として古くは液の偏流などのため、大口径塔には不規則充填物は使用されなかったが、第 3、４世代の不規則充填物では大型塔での実（5）績もあり、高液負荷領域で使用される場合、固形物や重合で閉塞が懸念される系、2 液相を形成する系などでは不規則充填物の方にメリッ

N 値はXが１に近づくと限りなく0になる。
（フラディングポイントでのΔトがある。いずれにしても、インターナル選定、型式選定は表 5で示し

Pは無限大の値になるため） また、ΔPとF2 がほぼ比例するF 値領域

た特性や、分離性能、許容圧損などの仕様、実績、設備コストを考慮

では一定の値を示し、液負荷が小さくなる低 F 値領域では充填物の濡して、ケースバイケースで行う必要がある。

れが不十分になり、NTSMが低下するため、小さくなる。
図 9に代表的な規則充填物でのN 値とF/Fmaxの関係を表す。ここに使用した値はクロロベンゼン / エチルベンゼン系テストシステム
70〜 100mbarでメーカのカタログや発表されている資料から得たもの

図 7 塔インターナルの気液分散
Fig.7 Vapor/Liquid distribution for column internal

10 TSK 技報 2010 no.14

である。
ただし、比較のためにプロットしたIMTPのデータ、
トレイのデー
タはテストシステム、圧力条件が違うため、参考データとする。

TSK 技報 2010 no.14

11

論文 1

Progress of Tower Internals and distillation Technology

蒸留塔インターナルと蒸留技術の進歩

なお、このN 値は減圧操作で、許容圧損が重要視される場合の充填

表 7 脱水システム比較
Table7 Comparison table of Dehydration syｓtem

4 省エネ型蒸留システム

物の性能評価に利用できる。
第2の指標は圧損が重要でなく、比較的液負荷の大きな常圧や加圧系での充填物の評価を行う場合に使用され、（6）式で表されるNTSM*Cｓ

蒸留設備に加えられるエネルギーを有益に回収する、あるいは節約する方策を表 6に示す。

である。1/NTSM＝HETPは充填高さに比例し、１/Fあるいは1/Csは塔断面積に比例する。これより、充填量はNTSMとCｓの乗じた値に反表 6 蒸留設備における省エネルギー方策
Table6 Energy-saving procedure in distillation plant

比例する。この値は無次元にはならないが滞留時間（τ）の逆数として説
明できる。
（6）
この値が大きいほど塔充填容積は小さくなる。図 10にNTSM・Csの値と比表面積（a）の関係を表す。
ただし、ここで使用した値は図 9で採用したシステムの値と同じとし、
NTSMはF 値 1.5での値としている。

4.1 プロセス見直し
従来、蒸留で分離していた有機液を晶析プロセスで分離・精製すS4M,6M,9Mの比較でもわかるとおり、液負荷の大きい系では充填物性

る、あるいは水と共沸組成を形成するアルコール水溶液の脱水に膜を能は比表面積に比例している。
（表 2 参照）

利用するなど、他の分離システムと組み合わることで、省エネ化を図る
ことができる。以下に、今後発展すると考えられるシステムを紹介する。
4.1.1 晶析との組み合わせ
月島機械では連続溶融精製装置（4C システム）
をPDCB,PXなどの精製設備として納入している。この技術では不純物との沸点差が小さ
く固液平衡で不純物と共晶体を形成する系では蒸留で分離するより非常に少ないエネルギーで精製できる。蒸留では、多大な還流比を必要とするが晶析では還流比は僅かで、かつ蒸発潜熱に比べ結晶化熱は1/3 以下のためである。

図 11 脱水システムフローシート
Fig.11 Flow sheet of dehydration system

図 12 省エネ型蒸留システムフローシート
Fig.12 Flow sheet of energy saving type distillation system

しかしながら、晶析法では共晶点近傍までしか不純物を濃縮できな
い、あるいは非常に低温度まで冷却する場合がある。
また、固溶体系を形成する不純物が含まれて、精製できないなどのPetlyukらが提案した主塔と側塔の結合システムであった。通常 2 塔

問題もある。このような場合、蒸留と晶析を組み合わせ、沸点差のある

必要な分離操作を１塔で行うことでの省エネ効果で、リボイラ負荷の蒸発装置での効用缶と同様、高圧側の蒸留塔で発生した蒸気を低固溶体を形成する不純物は晶析前に蒸留で分離する。通常レベルの約 30%が削減可能となる。
他社の実績であるが現在では国内で20セッ圧側の蒸留塔リボイラの熱源に利用することで約 50%のエネルギ削

冷却温度まで晶析させた残渣液中の不純物を蒸留で濃縮・分離し、ト以上稼動しているとのことである。

減効果がある。しかし、熱量が同等であること、最大運転負荷時でもリ回収液は晶析原料と混合することで、製品純度と回収率の向上、最小不純物残渣量を実現させることができる。現状、蒸留で分離・精製
図 9 N 値とF/Fmax.の関係
Fig.9 Relation between N and F/Fmax

している製品の中にも晶析と組み合わせることで製品純度のアップと省

ボイラで一定以上の温度差が維持できる圧力条件で設計する必要が

4.2 プラント設計の考慮
1980 年代より真空蒸留分野でトレイや不規則充填物を規則充填物

内で温度レベルの違う蒸留塔があれば、高温の蒸留塔の塔頂蒸気をに取り替えることで処理能力アップや還流比の削減による省エネ効果

低温側の蒸留塔リボイラの熱源に利用することも可能である。ただし、4.1.2 脱水システム

を行なって来た。最近では規則充填物を更なる高負荷対応型規則充

運転立ち上げ時や処理負荷の差が出るケースも考慮して、予備のリボ

填物に交換して、処理能力を増加させるケースがある。

イラを設置しておく必要はある。

には実績からPSA（圧力スイング吸着）設備を使用している。しかし、最月島機械で最近納入した事例は既設塔充填物メラパック250Yをロ

近ではゼオライト膜を使用した透過気化法による脱水システムも実用化

ンボパック S4Mに交換し、分離性能は維持し、処理量アップを図ることされている。ここでは、ベンゼンを使用した共沸蒸留法とPSA 法、膜分であった。交換後の評価では分離性能は同等で、処理量は1.3 倍以発電するシステムである。凝縮温度が 100℃以上であればシステムと離法の設備概要とエネルギ消費量比較を表 7に、PSA 法と膜分離法の上になっている。今後も充填物だけでなく、トレイでも高性能・高負荷

しては成り立つが、発電効率が悪く、大型の蒸留設備でも回収できる

概略フローを図 11に示す。この検討結果からエネルギ消費量比較で対応型トレイへの更新で能力増強を図る事例が多くなると予測される。

電力と設備コストから減価償却に10 年以上必要であり、現状では本は膜分離法が優位であることがわかる。設備費用や膜のメンテナンス

また、今後充填物やトレイは一層、高性能・低圧損の理想系に近費用なども考慮する必要はあるが、膜分離による脱水システムは今後さづいていくものが開発されると考える。

らに発展していくものと考える。
4.1.3 塔垂直分割型蒸留システム

12 TSK 技報 2010 no.14ある。また、直接的な効用システムではないが、工場全体の蒸留設備

エネ効果を同時に実現できるものがあると考える。
月島機械が納入したバイオエタノール設備での無水エタノール製造

図 10 NTSM＊Cs と比表面積（a）の関係
Fig.10 Relation between NTSM＊Cst and Speciﬁc surface area（a）4.3.1 多重効用方式

4.3.2 バイナリー発電方式
コンデンサでの凝縮熱で低沸点冷媒を気化させ、タービンを廻して方式を採用するメリットはないと考える。
4.3.3 蒸気ヒートポンプ方式
コンデンサでの凝縮熱回収を加圧水や熱媒体で行い、これを熱水

9）4.3 エネルギ回収

蒸留塔のフィード部上下を垂直長手方向に隔壁で仕切り、3 成分の蒸留塔で使用される熱を回収・再利用する方法の代表的な例を図

分離を１つの塔で行えるようにしたものである。このシステムの原型は12に示す。
ここでは、経済性比較や実用化のための問題点などを示す。

と熱交換して、低圧蒸気を発生させ、さらに蒸気コンプレッサやブロワで圧縮して、蒸留塔リボイラの熱源に再利用する方式である。

TSK 技報 2010 no.14

13

論文 1

蒸留塔インターナルと蒸留技術の進歩

論文
表 8の条件の場合、回収できる蒸気圧力は0.2MPaAで、リボイラ

5 おわりにに使用可能な蒸気圧力は0.65〜 0.7MPaAとなり、コンプレッサ圧縮比
として3.5 程度は必要になる。この時のコンプレッサ動力は約 100ｋW

蒸留塔に使用されるトレイや充填物の変遷と規則充填物の選定・になる。システムは多少複雑になるが、安全上の問題はない。ただし、性能評価方法について、発表されている資料などを参考にしてまとめ減価償却に3〜 5 年は必要と考える。

た。なお、ロンボパックを製造していたKUHNI 社はSULZER 社に吸4.3.4 直接蒸気圧縮方式

収され、メラパックに統合されていくとのことである。優れた規則充填物

蒸留塔で発生する有機蒸気を直接コンプレッサやブロワで圧縮し、2
木質バイオマスを原料としたエタノール製造―商業設備における運転条件最適化―であっただけに、大変残念なことである。また、蒸留システムの省エネ

昇温・昇圧した有機蒸気をリボイラの熱源として再利用する方式であ化についても実用化されている方式、検討されている方式についてそ

Ethanol production from lignocellulosic biomass

る。塔頂 / 塔底温度差が非常に小さい場合、圧縮比は小さくなり、動の効果を検証し、課題をまとめた。今後、蒸留塔や蒸留設備を計画、– determination of optimal conditions for practical operations at the commercial plant–

力も小さくなる。蒸気ヒートポンプ方式に比較し、減価償却に要する年

設計していく上で、少しでも参考になれば幸甚である。

数も短くなり、有効であるが、直接有機蒸気をコンプレッサやブロワに導入するため、特にシール部の構造や安全性への懸念があり、国内で最後に本稿作成にあたり、トレイの写真など資料を提供して頂いた蒸留トレイ製造株式会社殿に深く感謝する。

は採用された事例は少ないとのことである。

Abstract

なお、バイナリー発電方式、蒸気ヒートポンプ方式との比較検討を行

Tsukishima Kikai has built the first commercial plant of ethanol production from ligno-

うため、月島機械で計画中のPDCB 設備のデータを使用し、経済性評
価を行なった結果を表 8に示す。

cellulosic biomass in the world. This facility can treat 55 ton of material waste house wood

参考文献
10）

4.3.5 内部熱交換型蒸留塔（HIDiC）

HIDiCは回収部より操作圧力の高い濃縮部と回収部からなる熱交換可能な蒸留設備である。回収部出口蒸気を断熱圧縮して濃縮部に導入し、高温側の濃縮部から低温側の回収部に熱交換させ、リボイラ負荷を約 30%削減することを目標に、1990 年代より、産業技術総合研究所と企業 3 社が独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）より委託を受け研究開発が行われている。2000 年以降パイ
ロットプラントによる確認も行われ、実用化可能な段階にある。しかし、
現状まだ、商業プラントには採用されていない。

per day and produce 1,400kL ethanol per year. In this paper, we explain three main steps

1）KUHNI 社ホームページ、
http://www.kuhni.ch/pages/uope.html（2010 年7月現在）

to produce ethanol, that is, dilute-acid hydrolysis, detoxification, and fermentation. At first,

2）UOP 社ホームページ、
https://www.uop.com/lightolefins/5061.html/

waste house wood is hydrolysed with dilute sulfuric acid catalyst and some sugars dirived（2010 年7月現在）

from hemicellulose are recovered. Recovered sugar syrup is detoxified under weak alkaline

3）KOCH-GLITSCH 社ホームページ、
http://www.koch-glitsch.com/

condition, where toxicity in hydrolysates(mainly emerged by furfural and 5-hydroxymeth-masstransfer/pages/Products.aspx（2010 年7月現在）
4）SULZER CHEMTECH 社ホームページ、
http://www.sulzerchemtech.com/
en/desktopdefault.aspx/tabid-145（2010 年7月現在）
5）宮原中、善積茂、
タワーインターナル概説、
トレイ・パッキング、分離技術会、

P1-24（2005）

加藤 綾子

ylfurfural) is reduced. Detoxified sugar syrup is fermented by ethanologenic Escherichia

KATO Ayako

coli KO11.

産業事業本部
バイオ推進室6）田村勝典、蒸留トレの基礎【5】、化学装置、7月号P99-105（2008）

indicates that sugars from hemicellulose were efficiently recovered. At the detoxification

7）J.R.Fair,Petro./Chem.Eng.,33（10）,45（1961）

process, absorbance at 280nm of hydrolysates, an indicator of toxicity, was decreased by

8）L.Fischer,U.Buhlmann,R.Melcher,CHARACTERISATION OF HIGH
表 8 熱回収型蒸留システム経済性比較
Table8 Economic coｍpaｒison table of heat recovery type distillation system

Recovered sugar syrup at the hydrolysis process consists of 25~30% glucose, which

PERFORMANCE STRUCTURED PACKING,Trans IChemE. Part（A）

30~50% to initial value, keeping >95% sugar recovery. Detoxified hydrolysates contain

81;79-84,16（2003）

hexose and pentose sugars. KO11 can consume both of them but uses hexose preferably9）原田陽一、
塔垂直分割型蒸留システム、実用蒸留技術、分離技術会P148-160

because of catabolite repression. We adapted the ‘microaeration’ condition to the commer-（2008）

cial fermentation so as KO11 to consume both hexose and pentose sugars completely.

10）中岩勝、ほか「HIDiC 技術開発の展開」、分離技術,36、No.4、P2-25（2006）

月島機械は世界初の木質バイオマスからのエタノール生産用商業設備を建設した。設備規模は、原料（建設廃木材）処理量 55ton/日、エタノール生産量 1,400kL/ 年である。本論文ではエタノールを生産するための主要な 3つの工程（希硫酸加水分解、中和（Detoxiﬁcation）、発酵）について説明する。まず、原料を希硫酸触媒で加水分解し、ヘミセルロース由来の糖を回収する。得られた糖液は弱アルカリ性下で Detoxiﬁcationを行い、糖液の発酵阻害性（主にフルフラールと 5-ヒドロキシメチルフルフラールに

水野 秀明

よる）
を低減させる。その後、遺伝子組換え大腸菌 KO11でアルコール発酵を行い、エタノールを得る。

MIZUNO Hideaki

加水分解工程では、得られた糖液中の単糖に占めるグルコースの割合は 25 〜 30%であり、ヘミセルロー

産業事業本部
バイオ推進室ス由来の糖のみを効率よく回収できた。中和工程では、糖の回収率 95%で ABS280（波長 280nmでの吸光度、阻害物の指標）
を 30〜 50%除去することができた。中和後の糖液はヘキソース・ペントースを含んでおり、
KO11はどちらも発酵可能であるが、カタボライト抑制の影響でヘキソースの方を先に消費する。
微通気条件を採用することでヘキソース・ペントース両方からエタノールを生産することが出来た。
キーワード：リグ ノセ ル ロース、希硫酸加水分解、Detoxiﬁcation 、ア ル コール発酵、大腸菌 KO11
Keyword ：Lignocellulose, Dilute acid hydrolysis, Detoxiﬁcation, Alcohol fermentation, E. coli KO11

14 TSK 技報 2010 no.14

TSK 技報 2010 no.14

15

論文 2

Ethanol production from lignocellulosic biomass – determination of optimal conditions for practical operations at the commercial plant–

木質バイオマスを原料としたエタノール製造―商業設備における運転条件最適化―

2 プロセス概要

1 はじめにS が大きくなれば加水分解がより進む一方で、硫酸は単糖をさらに加水分解糖液の中和に消石灰を用いると、触媒である硫酸が溶解度分解する反応まで触媒し、様々な有機酸・フラン類が生成される。その低い硫酸カルシウムとなって析出するため、塩の分離が可能である。

自動車燃料の燃焼に伴い発生するCO2 の削減策として、バイオエ

BJK 殿に納入したバイオエタノール製造設備の概略フローを図 2の結果、Sに対して単糖回収率は、あるピークポイントを持つ。
セルロー

そのほかにも酸性糖液には様々な有機酸が溶解しているが（図 4 参

タノールのガソリンへの添加が世界的に進んできた。わが国では1996に示す。エタノールの元となる糖質原料には建設廃木材を用い、希ス・ヘミセルロースから単糖・有機酸・フラン類が生成される関係を照）、有機酸のカルシウム塩は比較的溶解度が低いため、硫酸カルシ

年、揮発油等の品質の確保等に関する法律（品確法）によりエタノー

硫酸加水分解によりヘミセルロース由来の糖を得た後、遺伝子組換

図 4に示す。

ウムと同様に浸透圧寄与成分を減らすことができる。結果的に、他のルのガソリンへの添加が 3%まで認められ、エタノール3%添加ガソリン

え大腸菌 KO11 株を用いてアルコール発酵させエタノールを得るといパイロットスケールにおける月島機械の研究実績から、S が 3.0 〜 3.3（E3）の販売が 2007 年より大阪府で始まった。また、米国では石油依うプロセスである。建設廃木材の組成例を図 3に示す。主にセルロー

でヘミセルロースからの単糖回収率が最大となることが分かっている1）。

存からの脱却という観点からもバイオエタノールの需要が急激に高まっスに由来するグルカンが 4 割以上を占め、ヘミセルロース由来の糖とヘミセルロース加水分解物は固液分離を行い、未利用のセルロース・ており、ここ数年でバイオエタノールの生産量が急増している。

しては多い順にマンナン＞キシラン＞ガラクタン・アラビナン、となっ

リグニンと糖液（加水分解液）に分離する。糖液は次の中和工程へ送ている。この組成は、建材に用いられることの多い針葉樹（スギなど）られ、セルロース・リグニンはボイラー燃料となる。

現在、バイオエタノール生産量は米国が世界第一位、ついで二位がブラジルとなっているが、この二大バイオエタノール生産国ではエタ
ノール原料にトウモロコシやサトウキビを用いている。これらの原料か

アルカリ源を使用する場合と比べて発酵工程において糖濃度を高められ、発酵時にエタノール濃度を高めることができる。

2.3 発酵工程
加水分解・中和工程を経て得られた糖液は、遺伝子組換え大腸菌
KO11 株を用いてアルコール発酵させる。
木質バイオマスからのエタノーの糖組成に近い。

ル製造において大きなネックとなっていたのが、ペントース（炭素数 5の以下、設備の各工程について説明する。

らのエタノール製造は伝統的なアルコール醸造の応用であり、技術的単糖）の利用である。ヘミセルロースの加水分解で得られる単糖にはキには容易である反面、食料や家畜飼料と競合する原料であるというデ

シロース・アラビノースといったペントースが含まれるが、一般にアルコー

メリットがある。

ル発酵に用いられる酵母はペントースを利用してエタノールを作ることそこで注目されているのが木質バイオマスである。木質バイオマスができない。そこで、ペントースを利用可能である大腸菌 Escherichia

は多糖であるセルロース、ヘミセルロースが乾物中の約 7 割を占めていcoli に、アルコール発酵性細菌であるZymomonas mobilis の遺伝子るが、この多糖はヒトでは消化できないため食糧と競合しない。セルロー

これによりヘキソース（炭を組み込んだ微生物 KO11 株が開発された 5）。
素数 6の単糖、グルコース・マンノースなど）
だけでなくペントースからも、

スはグルコースのみから成る多糖、ヘミセルロースはキシロース・マン
ノースなど複数種の糖から成る多糖で、セルロース、ヘミセルロースの図 2 建設廃木材からのエタノール製造設備フロー
Fig.2 Process ﬂow of bioethanol production from waste house wood

加水分解を行えば、アルコール発酵の可能な単糖を得ることができる。

発酵によりエタノールを生産することが可能となった。
図 4 希硫酸加水分解によるセルロース・ヘミセルロースからの生成物
Fig.4 Compounds generated from cellulose and hemicellulose hydrolysis
catalyzed by dilute sulfuric acid2006 年、月島機械は大阪府堺市に世界初の木質バイオマスからエ

しかし、このような様々な単糖を含む糖液の発酵における大きな問題
として、カタボライト抑制がある。
カタボライト抑制とは、複数種の糖（炭タノールを製造する商業設備を建設し、試運転を開始した（図 1）。この素源）の存在下において、グルコース以外の糖の消費が抑えられる現設備の規模を表 1に示した。本論文では、木質バイオマスからバイオ象である。これは、容易に利用できるグルコースの存在下で他の炭素源の消費に必要な一連の酵素生産を抑制し、無駄なエネルギーを使エタノールを製造する技術について概説し、商業設備（バイオエタノー

2.2 中和（Detoxiﬁcation）
工程

ル・ジャパン・関西株式会社殿、以下 BJK）
における実績を報告する。

ヘミセルロース加水分解によって得られた糖液は、糖以外にも様々わないようにする、という微生物の適応機構である。KO11においても、
ヘミセルロース加水分解糖液を発酵させた時に、ヘキソースの消費な化合物を含んでいる。この中には微生物発酵の阻害となるような毒性後にペントースが消費されるという現象が確認された。これを解決するの強い化合物も含まれており、その代表がフルフラールおよび 5- ヒドロ

ために、酵母による一般的なアルコール発酵は無通気で行うところをご

キシメチルフルフラールである（図 4 参照）。いずれも、単糖が硫酸触

くわずかに通気を行うことで、発酵後半でのペントース消費能を落とさ媒によって脱水反応を起こし生成するフルアルデヒドである。
フルフラー

ずに高い発酵率を得られることがラボスケールで確認されている6）。

ルと5- ヒドロキシメチルフルフラールは、両者が共存すると各々単独

図 3 建設廃木材の組成例
Fig.3 Typical composition of waste house woodの毒性の合算を超えた毒性を示す負の相乗効果があることが、遺伝子

3 設備運転実績

組換え大腸菌 KO11 株において調べられている2）。KO11を用いてア
ルコール発酵させるには、これらの化合物をある程度除去する必要が

2.1 加水分解工程
図 1 世界初の木質系バイオエタノール商業設備（バイオエタノール・ジャパン・関西株式会社殿）
Fig.1 The ﬁrst commercial plant for bioethanol production from lignocellulosic
biomass

3.1 原料と加水分解工程ある。中和工程では、硫酸酸性の糖液の中和を行うと同時に毒性化合

商業設備にて受け入れた原料（建設廃木材）の水分を約半年間にわ物の除去を目的として、糖液を弱アルカリ性にして一定時間滞留させる

たり測定した。その結果を表 2に示す。原料が廃棄物であるため、水分建設廃木材は粉砕・異物除去の後、希硫酸を含浸させる。これを（Detoxiﬁcation）。アルカリ源に消石灰を用いるDetoxiﬁcation 効果の変動があることが分かる。原料水分が変動すると、加水分解時の硫プラグスクリューフィーダーで加圧反応器に連続的に送り込み、ヘミについては古くから「Over-liming」の名で知られていたが、他のアルカ酸濃度が変動するため、前述のSeverity（反応強度）が変動すること

セルロースの加水分解を行う。加水分解反応の強度 Severity（S）は、

リ源（KOHやNaOHなど）でも同様の毒性低減効果があることが調べになる。反応強度が強くなると、ヘミセルロースだけでなくセルロースも加触媒である硫酸濃度、反応温度、および反応時間から下式で表す 1）。

られている3, 4）。一般的なDetoxiﬁcation 条件は、温度 40〜 80℃程度、水分解され始めるため、回収される単糖に占めるグルコースの割合が高pH8.5〜 10.5 程度、滞留時間は最大 2 時間程度である。

くなる。そこで、単糖に占めるグルコースの割合（Glucose Ratio to total

表 1 商業設備規模
Table1 Capacity of the bioethanol plant式（1）

商業設備ではアルカリ源に消石灰を使用しているが、消石灰による

sugar、以下 GR）
を、実際に行われた加水分解の強度の指標とした。

Detoxiﬁcation が他のアルカリ源より優れる点として、塩に由来する浸T：反応温度（℃）

透圧の低減がある。高浸透圧は微生物の生育の阻害となるため、糖C ：硫酸濃度（%）

以外に浸透圧寄与成分が多く含まれると、発酵時に糖濃度を上げられ

t ：反応時間（分）ない。糖濃度が濃いと発酵終了時のエタノール濃度が薄くなるため、

表 2 原料水分の測定結果
Table2 Water content of waste house wood

後段の蒸留工程においてエタノールの精製コストが上がってしまう。

16 TSK 技報 2010 no.14

TSK 技報 2010 no.14

17

論文 2

Ethanol production from lignocellulosic biomass – determination of optimal conditions for practical operations at the commercial plant–

木質バイオマスを原料としたエタノール製造―商業設備における運転条件最適化―

3.2 中和（Detoxiﬁcation）
工程

式（1）に示されるように、反応温度は指数関数的に反応強度に影響

温側（原料水分 18.5%時の想定 Severity=3.45）では原料水分が比較するため、高温で反応させた方が原料水分の変動（＝触媒濃度の変的低くてもGR が 20%程度であり、セルロースの加水分解は進行しない

加水分解糖液に含まれる毒性化合物フルフラールと5- ヒドロキシメ

動）を受け易い。反応時間を一定とし、反応温度を変えた場合の原料

反面ヘミセルロースからの単糖回収も悪いという結果になった。また、チルフルフラールは、ともに波長 280nm 付近で吸光度のピークを持つ

水分と得られる糖液のグルコース割合 GRの関係を図 5に示す。最適

最適加水分解強度はS=3.5 付近であり、パイロットスケールでの最適ことが知られており、Detoxiﬁcationを行うとこれらの化合物の減少に温度条件（原料水分 18.5%時の想定 Severity=3.51）では、GR がおお条件よりやや高めであったが、得られる糖液の単糖組成はパイロットデー

伴って280nmの吸光度も低下する7）。商業設備では、加水分解糖液

むね25〜 30%程度であったのに対し、高温側（原料水分 18.5%時の想タとほぼ一致した。最適加水分解条件で得られた糖液の単糖組成はを測定して簡易および中和後糖液の280nmにおける吸光度（ABS280）

定 Severity=3.65）では最大でGRが 45%にまで上昇した。
ヘミセルロー

図 6のとおりであった。

的にこれら二種類の化合物の濃度を把握し、Detoxiﬁcation 条件の最スだけでなくセルロースもかなり分解されていることが分かる。一方、低適化を図った。
加水分解によって得られた糖液のABS280 分析データは表 3のとおりである。KO11によってアルコール発酵可能な糖液のABS280 は、中和条件や発酵条件にもよるが、おおむねABS280 ＜450である。しかし、Detoxiﬁcationが過度に行われると糖が分解してしまうため、ABS280 の低減と糖回収の両方を考慮して最適ポイントを決める必要がある。表3のABS280 の範囲では、加水分解糖液のABS280を30〜 50%程度低減させれば KO11による発酵が可能となる。

表 3 Detoxiﬁcation 前の加水分解糖液のABS280 分析結果
Table3 ABS280 of hemicellulose hydrolysates before detoxiﬁcation

Detoxiﬁcationの温度と滞留時間を一定にし、pHのみを変動させ（2）より算出した。
て、ABS280 の低減効果を調べた。ABS280 減少率は式
図 5 反応温度により加水分解強度 Sを変動させた時の原料水分と糖組成の関係（Severityは、式（1）の硫酸濃度の項に原料水分が 18.5%の場合の想定濃度を代入した）
Fig.5 Relationship between glucose ratio to total sugar in hydrolysate and water content of waste house woodat diﬀerent temperature hydrolysis(Severity at each temperature was calculated, substituting assumed sulfuric acid concentration at 18.5% of
substrate water content for C at eq.(1).)

式（2）
ABSb：Detoxiﬁcation 前の糖液のABS280
ABSa：Detoxiﬁcation 後の糖液のABS280
ABS280 減少率とpHには図 7のように指数関数的な関係があり、pHを上げるとABS280 が大きく減少した。この時の中和前後での糖回収率は平均 95%であり、ほとんど糖を失うことなくDetoxiﬁcation が可能であった。

図 8 KO11による加水分解糖液の発酵結果（◆：高 ABS280、○：通常 ABS280）（A）
発酵収率の経時変化（B）
ヘキソースの経時変化（グルコース・ガラクトース・マンノースの合計初期濃度を100とした）（C）
ペントースの経時変化（キシロース・アラビノースの合計初期濃度を100とした）
Fig.8 Fermentation of hydrolysate with KO11 ( ◆：high ABS280, ○：normal ABS280)(A)Fermentation yield(B)Remained hexose ratio to initial hexose(C)Remained pentose ratio to initial pentose

3.3 発酵工程
商業設備でのKO11によるアルコール発酵は、200m3 規模の発酵槽で行った。
ペントースもヘキソースも1gの糖からの理論上のアルコール収量は
図 6 最適条件で得られるヘミセルロース加水分解液の単糖組成
Fig.6 Sugar composition of hemicellulose hydrolysate at optimal hydrolysis condition

0.51gである。

図 7 DetoxiﬁcationのpHとABS280 減少率の関係
Fig.7 Relation between decrease of ABS280 and pH under detoxiﬁcation

18 TSK 技報 2010 no.14

ペントース発酵 ： 3C5H10O5 → 5C2H5OH + 5CO2
ヘキソース発酵 ： C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2

TSK 技報 2010 no.14

19

論文 2

木質バイオマスを原料としたエタノール製造―商業設備における運転条件最適化―

技術紹介
ただし、糖はKO11の菌体増殖のための炭素源としても使われるため、実際のアルコール収量は0.48g/g-sugar 程度となる。アルコール発酵の収率は、0.51g/g-sugarを100%とした時のアルコール生成量として算出した。
発酵の経時変化の例を図 8に示した。高 ABS280 時の発酵と、通常
ABS280 の発酵の2 回の結果を示している。ヘキソースの方が消費速
度が速く、ペントースよりも先に完全に消費された。一方 ペントースの消費はヘキソースに比べて消費速度は緩やかであった。これまでの知
見では、ヘキソース（グルコース・マンノース・ガラクトース）が消費された後、ペントース（キシロース・アラビノース）が消費されることが知られているが、それとほぼ同様な結果となった。また、ABS280 が高いと発酵が遅く、最終の発酵収率も低めであった。

参考文献
1）佐藤正則：木質系バイオマスからのエタノール製造技術、
TSK 技報、第3号、pp.3439(2005)
fermentation of ethanologenic Escherichia coli, Biotechnology andBioengineering, Vol. 65, No. 1, pp.24-33(1999)
3）Persson, P., et al: Effect of different forms of alkali treatment on specificfermentation inhibitors and on the fermentability of lignocellulose
hydrolysates for production of fuel ethanol, Vol. 50, No. 19, pp.5318-

Fuel ethanol production technology from molasses and bagassein the sugar factory5325(2002)
4）Alriksson, B., et al: Optimal conditions for alkaline detoxification of diluteacid lignocellulose hydrolysates, Vol. 129-132, pp.599-611(2006)
5）Ingram, L. O., et al: Enteric bacterial catalysts for fuel ethanol production,
Biotechnology Progress, Vol. 15, No. 5, pp.855-866(1999)
6）Okuda, N., et al: Microaeration enhances productivity of bioethanol from

菌汚染が引き起こす問題には、エタノールの収率を低下させる以外にhydrolysate of waste wood using ethanologenic Escherichia coli KO11,

製（蒸留）において不純物除去が難しくなってしまうという問題がある。

製糖工場におけるモラセス・バガスからの燃料用エタノール製造技術

2）Zaldivar, J., et al: Effect of selected aldehydes on the growth and

発酵工程における大きな問題として、雑菌汚染が挙げられる。雑も、発泡など液性状が変化することによる問題、およびエタノールの精

1

Abstract

Journal of Bioscience and Bioengineering, Vol. 103, No. 4, pp.350-

Each country has been developing the technology and business opportunity for alter-

357(2007)
7）Martinez, A., et al: Use of UV absorbance to monitor furans in dilute acidnative energy using biomass for global warming issue. This project was entrusted as

商業設備では、一般的に行われる各種滅菌操作（蒸気による缶体・

hydrolysates of biomass, Biotechnology Progress, Vol. 16, No. 4, pp.637-“THE MODEL PROJECT FOR ETHANOL PRODUCTION FROM MOLASSES AND

配管殺菌やCIP、除菌フィルターによる通気エアーの除菌など）に加え、

641(2000)BAGASSE IN THE SUGAR FACTORY IN THAILAND” by New Energy and Industrial

KO11 が発酵可能な範囲内で糖液のABS280を比較的高めに管理しTechnology Development Organization (NEDO). This project aimed to design, supply ofて万一の雑菌混入の際にも雑菌の増殖を抑制する効果を狙った。そequipment and supervision for construction and operation of ethanol plant from molassesの結果、雑菌が検出限界以下の状態で半年以上連続して安定したアand bagasse generated in sugar factory, and spread Japanese technology in Thailand andルコール発酵を行うことが出来た。

早川 智基

surrounding countries. This plant was constructed in Thai Roong Ruang Energy (TRE)

HAYAKAWA Tomoki

next to Saraburi Sugar Mill of Thai Roong Ruang group (TRR) which is major sugar mill

4 今後の展開

企画・開発本部
研究開発部 バイオ開発グループ

group in Thailand. This plant consists of molasses ethanol fermentation process using
agglomerate yeast, bagasse ethanol process using dilute sulfuric acid hydrolysate and KO11

今回納入した設備では、木質バイオマスに含まれる糖質のうちヘミ(gene modified microorganism) fermentation and ethanol refining process using evapora-

セルロース分のみを利用してエタノールを製造しており、セルロース分

tion, distillation and dehydration. The system was first trial for combining 1st and 2nd gen-は未利用である。今後はセルロースも利用する技術の確立が望まれる。

eration fuel ethanol production technologies.

セルロースはヘミセルロースよりも構造が強固であるため、セルロースの希硫酸加水分解を行う場合にはヘミセルロースよりも高い

地球温暖化対策として世界各国でバ イオ マ スを利用した代替エ ネ ル ギーの技術開発や事業化がSeverityでの反応となる。
結果的に反応の最適点が狭く、ヘミセルロー

検討されている。本プロジェクトは、2004 年に独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構

ス加水分解と比べると糖回収率が低くなってしまう。現在は、加水分解（NEDO）
により公募されたモデル事業に応募、採択された「製糖工場におけるモラセス・バガスエタノー
ル製造モデル事業」である。本プロジェクトは、製糖工場で発生するモラセス（廃糖蜜）とバガスを原料

触媒として生体触媒である酵素を用いる方法（酵素法）が主流となっている。当社は、セルロース加水分解酵素（セルラーゼ）を産生する糸状菌 Acremonium cellulolyticus を独立行政法人産業技術総合研究所と共同保有しており、セルラーゼ生産技術の開発および、そのセル
ラーゼを用いたセルロースの糖化発酵技術の開発を行ってきた（2004

として燃料用のエタノールを製造する設備の計画、設計、機器供給、運転指導を行い、日本固有の技術

鈴木 健治

をタイおよび周辺国に普及させていくことが目的である。実際に納入したサイトは、タイの大手砂糖グルー

SUZUKI Kenji

プのひとつである TRRグループのサラブリ工場内の TRE 社である。この製造技術はモラセスを凝集性

企画・開発本部
研究開発部 バイオ開発グループ

ル発酵する工程および両工程からのエタノール発酵液からエタノールを濃縮、蒸留および脱水する精製

酵母により発酵する工程、バガスを希硫酸で加水分解し糖分を回収して組替え大腸菌 KO11でエタノー
工程からなる。本プロセスは、第１世代と第２世代のエタノール製造技術を組み合わせた新しいプロセス〜 2007 年環境省委託事業、
2008・2009 年環境省補助事業）。
セルロー

モデルとしての取り組みであった。

ス加水分解に酵素法を適用したエタノール生産の最大の課題のひと

キーワード：モラセス、バガス、燃料エタノール、希硫酸加水分解、酵母、大腸菌 KO11、発酵
Keyword ：Molasses, Bagasse, Fuel ethanol, Dilute acid hydrolysis, Yeast, E.coli KO11, Fermentation

つは、酵素コストの低減である。A. cellulolyticus によるセルラーゼのオンサイト生産プロセスを確立することで、市販の酵素メーカーから酵素を購入するよりも安価にエタノール生産が可能となる。
セルロースの加水分解によって得られる糖はグルコースであり、通常のアルコール発酵に用いられる酵母で発酵可能である。ペントースを含むヘミセルロース由来の糖の発酵にはKO11 株を用い、グルコースのみの発酵には酵母を用いる、この両プロセスを組み合わせることで、木質バイオマス中の糖質すべてをエタノール変換可能となる。現在は、2014 年の実用化を目指し、A. cellulolyticus のセルラーゼ生産性向上とアルコール発酵（同時糖化発酵）の最適化を進めている。

20 TSK 技報 2010 no.14

佐藤正則
SATO Masanori
企画・開発本部
研究開発部

TSK 技報 2010 no.14

21

技術紹介 1

Fuel ethanol production from molasses and bagasse in the sugar factory

製糖工場におけるモラセス・バガスからの燃料用エタノール製造技術

らの第二世代エタノールの実用化が強く望まれている。このような

1 はじめに背景の中で第一世代のモラセスエタノールと第二世代のバガス
地球温暖化対策への取り組みは、1997 年に採択された京都

エタノールの両プロセスを実証／商業化できたことは今後の燃料議定書（COP3）を契機に石油代替 エネルギーの技術開発や利用エタノール市場の拡大や第二世代 エタノールの発展に寄与で用拡大への計画策定が国内外で進められてきた。月島機械は独きるものと期待されている。

立行政法人 新 エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）
が 2004 年に公募した「国際 エネルギー消費効率化等 モデル事

2 モラセス・バガスエタノール技術業」に丸紅（株）、サッポロビール（株）とともに「製糖工場におけるモラセス・バガスエタノール製造事業」を提案した。FS 調査
後、NEDO 内の評価を経て最終的にモデル事業として設備化を

2.1 プロセス概要
モラセス・バガスエタノール製造プロセスの概略フローを図 1実施した。ここではモデル事業としてタイ国 Thai Roong Ruangに示す。本設備の能力は次のとおりである。

Energy（TRE）社に納入した燃料用エタノール製造にかかわる

2.1.1 設備能力

技術および設備概要について紹介する。モデル事業は基本的に（1）原料

日本固有の技術を海外移転することで、移転先国内での同技術

1）モラセス： 400 t/d（発酵性糖分 50%として）の普及とそれに伴うエネルギーの消費効率化が主目的であり、最2）バガス ： 130 t/d（水分 50%として）近ではCO2 削減と温暖化対策の推進も視野に入れた政府間のプ
ロジェクトである。当時タイ国内では燃料用エタノール利用の政図 3 凝集性酵母を用いた繰り返し回分法
Fig.3 Repeated batch fermentation process using agglomerate yeast

表 1 発酵方式の比較
Table1 Comparison of fermentation process（2）製品
1）燃料用エタノール 生産量策がすでに進められており、ガソリンに10%混合する目的でモラ

モラセスエタノール： 33,000 KL/yセス（廃糖蜜）やキャッサバからのエタノール製造の事業許可がバガスエタノール： 3,000 KL/y

出され、各事業者のＰＪが動き出し始めている段階であった。モラ合計： 36,000 KL/yセスやキャッサバからのエタノール製造技術は米国のトウモロコ

2）製品品質

シ原料に代表される第一世代の燃料エタノールとしてすでに技術

図 2 製糖工場の概略収支（25,000TCD）
Fig.2 Production balance in 25,000TCD sugar mill

タイの燃料用規格（表 2）

確立されていた。第一世代のエタノールは食料となる糖質を原料（3）稼働日数として製造することから食料との競合という問題があり、最近の家

300d/y

畜飼料用のトウモロコシの高騰時以降は非食料系バイオマスか

2.1.2 製糖工場でのモラセス、バガスの発生量

こで使用する凝集性酵母は、エタノールなどの各種成分に耐性を納入先であるThai Roong Ruang（TRR）
グループの25,000TCD

持ち、高い酵母濃度で発酵することができる。他の発酵法との比較

規模の製糖工場でのサトウキビからのモラセス、バガスのバランス

を表 1に示す。この発酵法は酵母濃度が高いために発酵液あたりを図 2に示す。同工場規模では年間（シーズン）約 250 万トンのサトの生産速度が高く、設備をコンパクトにすることができる。酵母を繰ウキビからモラセスが約 12.5 万トン、余剰バガスが 6〜15 万トン発

り返し使用するために廃棄酵母量を減少させることができ、連続法

生する。これらを原料としてエタノール製造を実施した。

に比べてモラセスの性状に合わせた運転条件が取りやすい。またト
ラブル後の再立ち上げも容易である。発酵操作としては最初に種2.2 モラセス発酵技術

酵母を培養し、希釈したモラセスと混合してエタノール発酵を約 20

本工程は日本で開発された凝集性酵母を用いた繰り返し回分

時間おこなう。発酵終了後は静置して酵母を凝集、沈降させて上発酵法を、サッポロビール㈱がエンジニアリングしたものである。

清の発酵液のみを回収し、沈降分離した酵母には新たな糖液を添

（1）
モラセス

加して次の発酵を行う。この操作により9 〜 11 vol％のエタノールをモラセスは製糖工場で砂糖の結晶（原糖）を取り出した後の分

約 1日サイクルで繰り返し生産することが可能である。酵母は8 〜

離母液であり、約 50%の発酵性糖分を含む粘稠な糖液である。残12 回程度繰り返し使用された後、系外に排出しバガス発酵の栄養りの成分は約 20%の水分とサトウキビ由来の有機分や灰分である。

源として一部利用される。

モラセスの代表的な用途は発酵用の糖質源であるが、一部家畜飼料などへの利用もある。発酵用の糖質源に用いる場合は発酵プ

2.3 バガスエタノール技術

ロセスによっては不純物除去の前処理をする場合もあるが、エタ

（1）
バガス

ノール発酵の場合はそのまま希釈して用いている。この不純物およ

図 1 モラセス・バガスエタノールプロセス
Fig.1 Molasses & bagasse ethanol process

び糖濃度組成によって発酵方式が選定される。今回適用した凝集

具体的にはサトウキビの茎および髄（外皮の内側にある繊維：
ピス）

性酵母を用いる繰り返し回分法は比較的変動のある原料に対応での部分であり、葉が含まれることもある。製糖工場では圧搾工程おきる技術である。

よび抽出工程を経てサトウキビから糖液（ケーンジュース）を回収（2）凝集性酵母を用いた繰り返し回分法する。この工程から排出される残滓がバガスであり、図 4に示すよを
本設備に適用した凝集性酵母（Saccharomyces cerevisiae ）用いる繰り返し回分発酵プロセスの操作概念図を図 3に示す。こ22 TSK 技報 2010 no.14

バガスとはサトウキビから糖液を回収した後の残滓のことである。

うに元のサトウキビの形状は留めておらず、数十 mmの繊維状物
質とピスといわれる粉体状物質の混合物である。

TSK 技報 2010 no.14

23

技術紹介 1

Fuel ethanol production from molasses and bagasse in the sugar factory

製糖工場におけるモラセス・バガスからの燃料用エタノール製造技術

バガスはバガスヤードに貯留された後、ボイラ燃料として使用され、（0.4 〜 0.6MPaG）に加温、加圧される。加水分解機は横置きスク

原糖および洗糖工程の熱源となる。しかし、図 2に示すように一部は余剰となり、これらは農地還元など低付加価値利用されているのが現状である。
バガスは草本系バイオマスに分類され、化学組成としてはグルカン（主にセルロース）45%、グルカン以外の糖（主にヘミセルロー
ス）25%、リグニン・灰分 30%で構成される。このうちヘミセルローている。このKO11をタイ国内で安定して発酵成績を得ることが運で操業される。脱水されたエタノールは製品貯槽に貯められて燃リューであり、いわゆるパンディア型と呼ばれるパルプのダイジェス

転上重要であった。そのために①コンタミ（雑菌汚染）を防止する料用エタノールとして出荷される。

ターに近い構造であり、入口から出口まで搬送される間、上述の反ための適切な殺菌の実施、② KO11の十分な増殖管理、③栄養

応雰囲気にバガスを保持する。加水分解機中ではバガスのヘミ

素の濃度管理、の3 点が操作、管理上重要であった。

セルロース部分がキシロースを主成分とする単糖に変換され、不溶性固形物から水相へと移行する。
加水分解機は激しい腐食環境に曝されるため、耐食性の高い

スは図１に示す希硫酸加水分解とKO11 発酵により、エタノールへ

高級材料を採用している。また、加水分解機内で発生し、様々なトの変換が可能である。

ラブルを引き起こす炭化物塊の生成を抑制するための構造、機構を備えている。

モラセスエタノール設備、バガスエタノール設備および濃縮・蒸留・脱水設備の写真を図 5，
6，
7に示す。

コンタミ防止に関しては、各送液ライン、タンク類の殺菌および培地の殺菌が重要である。これらは培養および発酵開始前の培地を無菌採取してプレートで培養チェックすることで各培地のコンタミ管理をおこなった。
KO11の増殖管理指標としては、菌体濃度を示す濁度（OD）や培養中のCO2 発生量、糖濃度の減少、エタノール濃度の上昇があり、これらの経時変化から総合的に判断して運転管理した。

（4）糖回収、中和、石膏分離技術

栄養素はモラセス発酵工程からのYMおよび濃縮工程より排出

加水分解物は硫酸酸性のスラリーであり、この糖液中に含まれされ液肥となる濃縮液（Liquid Fertilizer：LF）
を添加することを検る単糖を発酵によりエタノール変換するためには、まず残渣と糖液討した。当初 YMのみを使用する計画であったが、モラセスの性を分離し、分離ろ液（糖液）を中和する必要がある。

状変動に起因する窒素濃度の増減があり、栄養素として単独使用

残渣と糖液の分離は水平ベルトフィルタにより行われる。同機のすることが難しかった。このためLFを基本的に使用する方法に変

ケーキ洗浄機能により、ケーキ付着液中の単糖をより少ない洗浄

更し、LF 単独、LF＋YMの混合または補助栄養源を添加する組み

液量で高効率に回収することができる。洗浄液量を少なくすること合わせで栄養素量を確保することで発酵の安定性を確認した。

図 5 モラセスエタノール設備
Fig.5 Molasses ethanol plant

で糖濃度の低下を最小限にし、蒸留工程での蒸気使用量の低減
図 4 バガスFig.4 Photo of bagasse

（2）
前処理技術

を図った。

2.4 濃縮・蒸留・脱水技術

水平ベルトフィルタで回収された糖液は硫酸酸性であるため、こ本設備ではモラセスから得られる発酵液とバガスの加水分解液

れを発酵に供するためには中和を行い、中性にする必要がある。

より得られる発酵液を合わせて濃縮、蒸留、脱水操作を行い、設製糖工場から排出されるバガスには、農地から持ち込まれた土

中和はアルカリとして消石灰を用いて行われる。中和は酸性糖液

備の簡素化、熱エネルギーの削減を行っている。

砂、石、破損した農機具の破片などの異物が含まれる。これらをと消石灰スラリーを混合することにより行われるが、この工程では（1）濃縮工程除去するため、前処理として洗浄工程を設けている。この工程は温度、滞留時間、pHを厳密に管理し、かつ弱アルカリ性になるまモラセス発酵の上清液とバガスの加水分解により得られた糖液

バガスをスラリー化し、異物を比重差分離するバガスウオッシャー

で消石灰を加えている。この操作は、単なる中和だけでなく、糖液からのバガス発酵液は、あわせて濃縮工程に供給される。濃縮工と、異物除去後のバガススラリーを脱水するバガスドレーナーでのDetoxiﬁcation（解毒）を目的として行われる。酸性糖液の中には程は４重効用缶を採用しており、使用する熱源も製糖工場の低圧構成される。

リグニンや糖の過分解物が含まれており、中には発酵で用いる微蒸気を使用しエネルギーの有効利用を考慮した設備となっている。

バガスはヤードでの保管状況、保管時間により性状が変化し、生物の生育阻害を引き起こす物質もある。これらの物質を一定温

エタノールは各缶からベーパーとして回収、凝縮させて約 20％の

例えば短期間保管したものはしっかりした繊維状のもので比重が度、時間で弱アルカリ性に保持することにより糖液から除去する。

エタノール溶液として次工程の蒸留塔に供給される。濃縮された

小さいが、長期間保管したものは一部腐敗しており、繊維が湿っ中和工程では硫酸と消石灰の反応により石膏が発生する。石膏

発酵残液は全固形物（TS）濃度として約 30％となり、サトウキビ畑た塊状のものとなり比重も大きくなる。この腐敗したバガスは運転

は配管や発酵槽内に滞留、沈殿して殺菌不良を招くため中和後の液体肥料として利用され、余剰分はメタン発酵処理してエネル

当初、フィーダーの閉塞や異物との分離効率の悪化を招いたが、に速やかに分離する必要がある。石膏分離工程は沈降分離を基ギー回収が行われている。蒸留塔の前工程で発酵液を濃縮するこ

各機器の改良によりバガス性状の変動を許容しつつ安定した操本プロセスとして沈降濃縮した石膏スラリーをバスケット型の竪型とでエタノール以外のほとんどの有機物は濃縮物側に含まれ、蒸業が可能となった。

遠心分離機で分離し、ケーキとして系外に排出する。遠心分離ろ留塔に供給されるエタノール溶液には着色成分、固形物、高沸点

液は沈降分離上澄液とともに発酵工程に送られる。

の有機物質を含まない。そのため蒸留塔の汚れは少なく、洗浄は

なお、類似技術としてはバガスパルプ製造におけるバガス洗浄工程があげられるが、これと比較して本技術はピスの回収率が高いこという特徴を有する。これは、バガスパルプではピスは不要部不要となる。また、蒸留塔下部からの廃液は着色のない比較的クリ（5）培養、発酵、廃酵母利用技術

アな廃水であり機器洗浄等にリサイクルすることが可能である。

分（短繊維なのでパルプ原料として適さない）
であるのに対し、エタ

バガスエタノール発酵で用いる微生物 KO11 は米国より技術

ノール製造では原料となり得る、という目的の違いから生じた差違導入したキシロースを代表とするC5 糖および C6 糖をエタノール

蒸留ではエタノールの共沸点近くの約 90％まで濃縮し、不純物であるが、エタノール製造に適した洗浄工程として差別化技術を変換できる組替え大腸菌である。草本系 バイオマスの代表であであるフーゼル油の除去を中段からおこなっている。蒸留塔の型確立することができた。
（3）加水分解技術
加水分解手法としては希硫酸加水分解を用いている。洗浄、脱（2）蒸留工程るバガスはヘミセルロース中の C5 糖の割合が高くKO11 の特長

式はグリッドトレイ方式の棚段塔で0.1MPaGの加圧下で運転してを活かせるものであり、KO11による発酵は当プロセスの中心技

いる。

術である。

（3）脱水工程本プロセスではKO11をフラスコ培養後、培養槽にて増殖させ燃料用エタノールは、水分を5,000ppm 以下にする必要があり水されたバガスはプラグスクリューフィーダに供給され、ここで圧縮る。KO11は増殖後発酵槽に植菌して加水分解液中の糖をエタ

モレキュラーシーブを使用した吸着方式で脱水をおこなっている。

されプラグを形成しながら連続的に加水分解機に投入される。加ノール変換する。その際に栄養源としてモラセス発酵で廃棄され運転方法は蒸留塔からのアルコール蒸気を２塔ある吸着塔に供給

水分解機の入口部にて希硫酸と蒸気を直接供給し、150 〜 165℃

る酵母（Yeast Mud:YM）を利用するようにプロセス条件を設計しして1 塔を吸着、他の1 塔を脱着させて切り替えを行いながら連続

24 TSK 技報 2010 no.14

図 6 バガスエタノール設備
Fig.6 Bagasse ethanol plant

図 7 濃縮・蒸留・脱水設備
Fig.7 Evaporation, distillation and dehydration plant

TSK 技報 2010 no.14

25

技術紹介 1

Fuel ethanol production from molasses and bagasse in the sugar factory

製糖工場におけるモラセス・バガスからの燃料用エタノール製造技術

3 運転結果4 まとめと今後の展望

モラセスエタノール、バガスエタノール設備での原料変動によモラセスエタノール技術は第一世代のエタノール技術ではあるる収量への影響、操作上のミスによる損失などを運転指導により改が、日本独自の凝集性酵母を用いた繰り返し回分法を導入し、今善し、製品品質を満足する燃料用エタノールを生産できるようにし後の普及が期待される。特にブラジル、東南アジアのような砂糖て引き渡しを終了した。生産量に関して、モラセスエタノールは原の産出国では必ず副産物としてモラセスが発生しており、エタノー

料中の糖分や不純物の影響により変動はあるが、100KL/d 以上をルへの利用は産業として欠かせないものである。また製糖工場サイ確認している。バガスエタノールに関しては嵩比重、水分の変動

トでエタノール生産を行うことは発酵廃液を液体肥料として畑に還の影響を受けたため、糖収量を確保できる運転に重点を置いた。

元することができ、ミネラルの再利用につながる循環型社会としてまたバガスエタノール発酵に関しては、プラント内で発生するYMのメリットもある。一方、モラセスエタノールコストの大半を占めるを栄養源として使用する都合上、発生量やスケジュールに合わせ

原料モラセスの価格は、砂糖市場に影響されて変動するためにエ
図 9 バガス水分の変動
Fig.9 Trend of bagasse moistureての運転となった。

タノール販売価格によっては逆ざやになるケースもある。従って第二世代となる余剰バガスを原料としたエタノール製造は原料価格

3.1 原料の性状変化に影響されない安定した収益源として期待される。今回の設備は

（1）
モラセス

ヘミセルロースのみを利用するものであり、残渣に含まれるセルロー

モラセスの年間変動の例を図 8に示す。受け入れているモラセ
スの溶解固形物濃度（Brixで測定）、糖濃度はサトウキビを受け

3.2 設備性能

スは利用していない。このセルロース分に現在技術開発している（1）
エタノールまたは糖収量

酵素法エタノールプロセスを適用することで、一連のバガスエタノー

入れているクラッシングシーズン（12月より翌年 4月初め）では糖濃

モラセスエタノール：250〜 275

L/t- モラセス

ル技術は完成する。近い将来、酵素法プロセスでの提案ができる度は上昇するが、モラセス保管期間であるオフシーズン（4月より

バガス 糖収量 ：170〜 240kg- 糖 /t- 乾燥バガス

ように技術開発を鋭意進めている。

11月頃）は低下傾向にある。相対的には不純物が上昇し、発酵収（エタノール換算：85〜120 L/t- 乾燥バガス）

率の低下や製品品質への影響が見られた。これらは運転技術のモラセスについては原料中の糖濃度によりエタノール収量は変習得によりモラセスの変動、発酵成績から希釈量の調整、窒素源

動するが、計画範囲内にあった。バガスに関しては水分変動、異の添加量または繰り返し数での調整等により、年間を通して安定操物でのロスもあり収量幅はあったが、系内で発生する栄養源を主

本プロジェクトは新エネルギー・産 業 技 術 総 合 開 発 機 構

成分としてコンタミ対策の実施により、発酵収率は初期計画を満足（NEDO）のモデル事業として委託され、丸紅（株）、サッポロビー

するものであった。

ル（株）と月島機械の3 社で協力実施したものである。ここに記して業ができるまでオペレーターの技量は向上した。

5 謝辞

感謝の意を表します。

（2）
バガス
バガス水分の年間変動の例を図 9に示す。バガスは製糖工場のバガスヤードから搬出した後、バガスエタノールのヤードで受け入れているため、雨などの影響を受けて想定 50%水分に対して±10（2）製品品質
本プロセスより製造したエタノール製品は、タイ国内の品質規格に対して表 2に示すように満足する品質が得られた。

ポイント程度の幅がある。希硫酸分解をおこなうために運転中の水分値を測定し、硫酸の添加比を調整しながら運転をおこなった。また、嵩比重はクラッシングシーズンのフレッシュなバガスは軽い傾向にあり、ハンドリングする上でも搬送性を考慮しながら運転調整をお
こなった。

参考文献
1) 平成16年度調査報告「製糖工場におけるモラセス・バガスエタノール製造モデル事業

表 2 製品品質
Table2 Product quality

実施可能性調査（タイ）」
平成16年12月 独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構
2）アルコール発酵（酵母）、
発酵ハンドブック,pp43-48（2001）
3）Alfredo Martinez et al., Biotechnology and Bioengineering , vol.69, No.5,
20004）佐藤正則：木質系バイオマスからのエタノール製造技術、
TSK 技報、第3 号、
pp.34-39（2005）

図 8 モラセスの品質変動
Fig.8 Trend of molasses quality
TSAI : Total Suger as Invent

26 TSK 技報 2010 no.14

TSK 技報 2010 no.14

27

技術紹介

2

下水汚泥の燃料利用が普及するためには、燃料利用先の長期

3 低温炭化燃料化技術の概要

安定的な確保が欠かせない。表 2に示すように、現在取り組みが

下水汚泥燃料化／低温炭化Bio-fuel conversion technology / Low temperature carbonization

進められている事例において、燃料利用先の中心は石炭火力発

下水汚泥は脱水した後でも水分が 80%程度含まれており、その電所である。石炭は他の化石燃料と比較して埋蔵量が豊富であままでは燃料価値が無いことから、水分を低減させる等の加工をる上、エネルギー資源の乏しい日本にあってはエネルギーセキュリ

加えて燃料としての価値を高め、有価物として取り扱う必要がある。

ティーの観点からも、今後とも不可欠なエネルギー資源と位置づけ

下水汚泥燃料化技術に求められる要素として、「高発熱量」、「低られている。そのため、石炭火力発電所が長期安定的な燃料利

自然発火性」、「低臭気」があげられるが、これらを同時に満足でき

用先として大きな期待が寄せられている。

る既存技術はなかった。
燃料化技術は 乾燥 と 炭化 に大別される。乾燥方式は、得らAbstract

れる燃料化物の発熱量が高く、技術的にもシンプルであるが、汚表 1 下水汚泥の処理および処分状況（2006 年度 汚泥発生時乾燥重量ベース）
Table1 Treatment Amount, Disposal % and Final Applications of Sewage Sludge

上田 厚志
UEDA Atsushi

泥特有の不快臭が残留する上、湿潤すると乾燥前の汚泥に戻る

Tsukishima Kikai has developed “low temperature carbonization technology” that con-など、取扱いに十分な注意が必要となる。一方、高温炭化方式は、

verts sewage sludge into a coal substitute bio-fuel, in collaboration with J-POWER Co., Ltd.

炭化温度が 600 〜 800℃と高温のため、燃料化物の臭気は低減さ

and METAWATER Co., Ltd. The developed technology, “low temperature carbonization,”

れているが、発熱量が低く石炭混焼燃料としては適していない。月makes the calorific value of the bio-fuel above equal to raw sludge and raises the value

島機械が開発した低温炭化燃料化技術は、250 〜 350℃程度のof sewage sluge as a substitutable fuel for coal. In addition, the bio-fuel can be handled

低温域で炭化を行うことで炭化物の高発熱量化を図っている。さらwithout special measures because of low odor and lower spontaneous combustibility. Also,に、炭化前造粒および炭化炉への蒸気添加により自然発火性の抑“low temperature carbonization” reduces greenhouse gases, and makes recycling system of

制および臭気低減を実現し、石炭混焼用燃料としての適用性を飛sewage sludge sustainable in the long term.

躍的に高めることを可能にした技術である。本技術は、2006 年度
から地方共同法人日本下水道事業団と共同研究を実施し、2007

水環境事業本部
ソリューション技術部
熱技術第２グループ

月島機械では、下水汚泥を燃料化する技術である 低温炭化 を電源開発（株）及びメタウォーター（株）と共同で開発した。低温炭化は、下水汚泥燃料物に求められる要素である、高発熱量、低臭気、低自然発火

表 2 全国の下水汚泥燃料化への取り組み状況
Table2 Latest Trend of Bio-Fuel Conversion Technology in Japan

性を同時に達成できる技術であり、温室効果ガス削減に寄与し、長期安定的なリサイクルを可能とする。

年度技術評価委員会による評価が完了している3）。
低温炭化燃料化システムのプロセスフロー例を図 2に示す。まず、脱水汚泥を熱風乾燥機により水分 20 〜 30％程度まで乾燥す

本稿では、低温炭化で製造された炭化物の特徴とシステムの安定性、導入実績を紹介する。

る。次に造粒機で約φ5 〜 10mm×15mmLに成形した後、250 〜

キーワード：汚泥燃料化、低温炭化、温室効果ガス削減、下水汚泥有効利用、石炭混焼燃料
Keyword ：Bio-fuel conversion technology, Low temperature carbonization, Reduction of greenhouse gases,
Eﬀective utilization of sewage sludge, Substitutable fuel for coal

350℃で外熱キルン型炭化炉により約 60 分間炭化する。炭化炉からの熱分解ガスおよび乾燥排ガスは再燃炉にて高温で燃焼処理
後、熱交換器で熱回収され、排煙処理塔にて酸性成分を中和処理した後、大気解放される。詳細については、TSK 技報 NO.8を参照されたい。

1 はじめに2 全国の下水汚泥燃料化への取り組み

低炭素社会の形成へ向け様々な取組みが行われている中、2009

下水汚泥の有効利用先は、表 1に示すように、建築資材利用と年 6月にバイオマス活用推進基本法が制定されるなど、バイオマス

農緑地利用がほとんどで、下水汚泥の全発生量（乾燥重量 ベー

資源に寄せられる期待は大きい。
バイオマス資源は、カーボンニュース）に占める割合はそれぞれ約 59%と約 15%となっている。これら

トラルなエネルギー源として位置づけられており、温室効果ガスの建築資材利用や農緑地利用は、今後市場の拡大は期待できない削減に寄与できる上、循環型社会の構築にも貢献する。なかでも下上、景気の動向にも影響されやすいことから、新たな手法による長水汚泥は、下水道普及率が全国平均で70%を超え、都市部にい期安定的な有効利用を望む声がここ数年、非常に高まっている。

たっては100%近い地域も多いことから、集積性が極めて高い上、性こうした背景から注目を集めているのが、下水汚泥の燃料利用

状の安定性にも優れており、有効利用しやすいバイオマスである。

である。国内では、油温減圧乾燥方式で製造された油乾燥燃料

こうした背景から、月島機械では、下水汚泥から高付加価値なをJ-POWER 松浦火力発電所（長崎県松浦市、100 万 kW×2 基）

燃料化物を製造する技術である「低温炭化燃料化技術」を電源で混焼した事例が初となる。J-POWERでは2003 年 8月から松浦

開発（株）（以下、J-POWERと称す）およびメタウォーター（株）と共火力発電所において実機混焼試験を実施し、2006 年 4月より本格同開発した。低温炭化燃料化技術の概要についてはTSK 技報
1）

混焼運用を行っている 。表 2 および図 1に示すように、現在、全NO.8にて報告済みであり 、本稿ではその後の実証試験で蓄積さ国では7 つの都市で下水汚泥を燃料利用する取り組みを実施中、れたデータおよび炭化物の安全性に関して報告する。また、導入もしくは実施の準備段階にあり、月島機械が事業契約を締結した

実績として広島市西部水資源再生センター下水汚泥燃料化事業

広島市西部水資源再生センター下水汚泥燃料化事業では、2014について紹介する。

年 4月より本格稼働予定である（詳細は6 章参照）。

28 TSK 技報 2010 no.14

図 2 プロセスフロー例
Fig.2 Process ﬂowchart (example).

2）

図 1 燃料製造元と利用先の所在地
Fig.1 Bio-Fuel Conversion Plant locations and users.

TSK 技報 2010 no.14

29

技術紹介 2

Bio-fuel conversion technology / Lower temperature carbonization

下水汚泥燃料化／低温炭化表 3 実証試験設備の運転実績
Table3 Operation Data of Demonstration Test Facility

4 低温炭化燃料化技術における炭化物
4.1 実証試験設備の運転実績

搬時における安全性を定量的に推定する評価手法を採用した。
なお、これら評価手法については、日本下水道事業団より発行されているのマニュアル 5）を参照されたい。

2006 年 12月より約 3 年間にわたり月島機械環境プロセス開発セ

4.3.1 通気式発熱特性試験

ンター内に設置した実証試験設備を用いて各種試験を実施した。

通気式発熱特性試験とは、図 5に示すように、密閉可能な試

運転実績の概要を表 3および以下に示す。

験容器（10L）に炭化物を充填し、恒温器内にセットして所定の1）試験設備仕様
・処理能力

温度雰囲気において容器底部から所定の流量の空気を通気さ：脱水汚泥 3ton/日

せて、炭化物の発熱温度や酸素消費量を測定する試験である。

・システムフロー：図 2 参照
2）試験汚泥られたデータをもとに発熱シミュレーションを実施し、貯留時や運当試験では、7L 程度の試料を用いるため、試料を有姿の状態：未消化汚泥（10 処理場）
、消化汚泥（5 処理場）

3）汚泥処理量 ：脱水汚泥 461ton

で試験することが可能であり、造粒物でも適正に評価することが4）総運転時間 ：169日（立上・立下含まず）できる。

図 5 通気式発熱特性試験装置（概略図）
Fig.5 Schematic diagram of spontaneous combustion test equipment.

試験条件として雰囲気温度（恒温器内温度）105℃、通気量
4.2 炭化物の組成と発熱量

200mL/minとした場合の測定結果例を図 6に示す。試験初期

これまでに蓄積された複数の処理場、季節のデータについて、は炭化物の昇温に時間を要しているが、約 10 時間経過したとこ

H/C*1と可燃分残存率 *2 の関係を整理した。代表として酸素の残ろで雰囲気温度よりも炭化物の温度が高くなっており、発熱反応

存率について図 3に示す。酸素は、炭化の進行に伴い徐々に減少
するが、その減少傾向は、処理場や季節の違いがあってもある一が起きていることがわかる。
図 3 H/Cと酸素残存率の関係
Fig.3 Relationship between H/C and residual oxygen [% ].

次に、未消化汚泥と消化汚泥について通気式発熱特性試験

定のバンド幅におさまる。このことから、原料に含まれる酸素の量がを実施し自然発火性について評価を行った例を紹介する。H/C

わかれば、処理したい炭化度を設定することで、炭化物に含まれと通気式発熱特性試験によって測定された温度上昇速度との関る酸素を推定することが可能である。例えば、炭化温度 250℃、炭係を図 7に示す。ここで、温度上昇速度とは、炭化物の温度が4）

化時間 1 時間とした場合、H/C=1.4 程度になるので 、図 3より酸所定の温度となった際の温度上昇速度を意味し、図 6において、素の残存率は65%程度となる。原料 1kg（DS）に200gの酸素が含温度カーブの接線の傾きに相当する。この数値が大きいほど自然まれていたとすると、炭化後には約 130gになると推定できる。その発火性が強いと判断できる。図 7より、温度上昇速度は、未消化他の可燃分成分（炭素、水素、窒素、硫黄、塩素）についても同様

汚泥、消化汚泥ともに炭化度の低い H/C=1.2 〜 1.6 の領域におに整理することができるため、原料の可燃分組成がわかれば、これいて低い値を示し、H/C の低下（炭化の進行）に伴い増加する。

らのデータベースを基に炭化物の可燃分組成を推定することが可

そして、H/C=0.7 〜 0.9 の領域でピークを迎えた後、今度は減少能である。

に転じる。このような特異な性質を示すのは、炭化物の表面に存

また、図 4に示すように、可燃分発熱量 *3 についても同様に、H/Cと一定の相関が認められる。従って、原料の可燃分発熱量がわ
かれば、処理したい炭化度を設定し、これらのデータベースに基づ在する酸化されやすい不安定な活性点の生成・分解に起因する
図 4 H/Cと可燃分発熱量の関係
Fig.4 Relationship between H/C and caloriﬁc value per organic weight.

き、炭化物の可燃分発熱量を推定することが可能である。

し、今回の試験では、未消化汚泥と消化汚泥についてそれぞれ
4.3 炭化物の安全性る場合を除き、炭化度に応じた可燃分残存率や可燃分発熱量の炭化物は空気中の酸素と酸化反応し発熱する性質（自然発火挙動に対する処理場の違いや季節変動の影響はわずかであると性）をもっている。発熱の程度は微弱であるが、炭化物の製造条件*1 H/C：水素（H）と炭素（C）の原子数比。炭化の進行度を示す指標の一つ。
炭化が進んでいるほど値は小さい。
*2 可燃分残存率 ： 脱水汚泥に含まれる可燃分の量を100%とした際の、炭化処理後に炭化物に残存している割合。
*3 可燃分発熱量：可燃分 1kg 当たりの発熱量。

30 TSK 技報 2010 no.14

加するが、ある一定の炭化度以上では分解反応が勝り、活性点
合、未消化汚泥の方が自然発火性が低くなる傾向がある。ただ

では若干の傾向の違いが認められる。ただし、試験を実施した処考えられる。

と考えられる。つまり、活性点は、炭化の進行に伴い生成され増は減少すると考えられる。消化汚泥と未消化汚泥を比較した場

なお、図 3および図 4 からわかるように、未消化汚泥と消化汚泥
理場数を考慮すると、消化工程のように原料性状が大幅に変性す

図 6 通気式発熱特性試験結果例
Fig.6 Result of spontateous conbustion test.

1 点ずつの試験結果であり、検討対象となる汚泥毎に確認テストが必要である。
4.3.2 発熱シミュレーション

や貯留条件によっては発火に至るケースも想定されるため、炭化物

発熱シミュレーションとは、通気式発熱特性試験結果から炭化の自然発火性については十分な事前調査が必要である。炭化物

物の発熱特性を解析し、熱物性値等を設定して、発熱と放熱のの安全性を評価するには、
この自然発火性を適正に評価し、さらに、バランスから求まる貯蔵設備内の炭化物の熱挙動について、コ

実際に炭化物をハンドリングするケースを想定して安全性を定量

ンピュータにより解析し、発火の有無又は発火に至るまでの時間

評価することが重要である。

を推定する評価手法である。

自然発火性の測定方法としては、高感度熱量測定（C80）や示

通気式発熱特性試験で得られたデータから、炭化物の安全性

差走査熱量測定（DSC）等を用いる方法があるが、いずれも試料を定量評価するために発熱シミュレーションを実施した例を紹介

量としては数 g 以下のため造粒物は粉砕する必要があり、低温する。シミュレーションに用いたデータは、図 7 の①（未消化汚泥）

炭化燃料化技術で採用している造粒の効果を適正に評価するこおよび②（消化汚泥）に示した炭化物によるものである。炭化物をとができない。そこで、試料を粉砕する必要のない「通気式発熱

ハンドリングするケースとして図 8に示すような貯留槽を想定し、特性試験」を採用した。そして、通気式発熱特性試験によって得表 4に示す初期条件を設定した。

図 7 H/Cと通気式発熱特性試験における温度上昇速度の関係
Fig.7 Relationship between H/C and increasing temp.
of Bio-Fuel in spontaneous combustion test.

表 4 シミュレーション条件
Table4 Calculation condition

TSK 技報 2010 no.14

31

技術紹介 2

Bio-fuel conversion technology / Lower temperature carbonization

下水汚泥燃料化／低温炭化貯留槽では直径が細くなるほど、単位容積あたりの表面積が大

6 2 低温炭化燃料化技術の導入事例きくなるため放熱しやすくなる。表 5に示すように、未消化汚泥では2009 年 3月、月島機械は、電源開発（株）、メタウォーター（株）、

直径が 2mφ以下、消化汚泥では1mφ以下になると、熱暴走（発火）に至らなかった。直径を3mφまで広げた場合でも、熱暴走に至月島テクノメンテサービス（株）と共同で「広島市西部水資源再生

る期間は未消化汚泥で5 〜 6 ヶ月、消化汚泥で約 2 週間であり、センター下水汚泥燃料化事業」（以下、「本事業」）の事業契約を実際の貯留期間は数日程度であること、雰囲気温度が 30℃一定と広島市と締結し、2012 年 4月の供用開始に向け現在、設計・建設

厳しい条件であることを考慮すると、安全に取り扱うことが可能であを進めている。図 10に施設外観図、図 11に事業形態を示す。本ると判断される。なお、3mφ×12mの貯留槽容積は約 85m3 であり、事業は、日本初となる下水汚泥の低温炭化燃料化技術を用い、施これは脱水汚泥発生量 100ton/日規模の処理場において、製造された炭化物を2日貯留するのに十分な容量である。

図 8 貯留槽モデル
Fig.8 Model of storage tank

設の設計・施工・維持管理・運営・燃料化物販売・石炭火力発
図 10 燃料化施設外観図
Fig.10 View of Bio-Fuel Conversion Plant.

電所での混焼利用まで一貫体制で実施する、下水汚泥燃料化リサイクル事業である。
以下に、事業の概要を紹介する。

5 システムの安定稼働性について

1）事業場所
5.1 安定稼働性にかかわる課題とその対策
下水汚泥の燃料化技術では、燃料化物という製品を製造する

表 5 シミュレーション結果
Table5 Calculation Result

広島市西部水資源再生センター内（広島市西区扇一丁目）
2）事業規模立場であることから、システムとして高い稼働率が要求される。し・施設公称能力：50ton/日×2 系列

たがって、燃料化技術に潜在する課題を的確に把握し、システム

・計画汚泥処理量：557,725ton/20 年の設計に反映させることが重要となる。そこで、低温炭化燃料化シ・計画燃料化物生成量：89,794ton/20 年

ステムでは、下水汚泥や他のバイオマス等の熱処理技術で培っ3）事業期間た経験・知見をもとに実証試験設備を製作し、様々な汚泥にて繰・設計施工 ：2009 年 3月〜 2012 年 3月

り返し試験を実施した。その結果として、表 6に示す主要課題を抽・維持管理 ：2012 年 4月〜 2032 年 3月

出し、その対応策を整理した。
課題に共通しているのは、タールやダスト類の付着・堆積である。

DBO（Design Build Operate）方式。施設の設計・施工・維特にタールは、冷えて凝固すると強固な付着となるので注意を要する。タール対策としては、タール発生後、速やかに燃焼処理することが最も効果的である。乾燥汚泥の付着に関しては、付着に配慮

図 11 事業形態
Fig.11 Business structure.

4）事業形態
持管理・運営・燃料化物の販売業務を一括して契約。
表 6 下水汚泥の燃料化技術における主要課題と対応策
Table6 Problem and Solution in Bio-Fuel Conversion System

した搬送機器類の選定を行うだけでなく、乾燥機容量を適切に設

5）燃料化事業導入効果①下水汚泥の資源化促進
広島市内の平成 19 年度汚泥発生量の約 46%をバイオマス

定することで乾燥機の安定運転を達成し、乾燥汚泥水分を一定に燃料に転換可能。

維持することが重要である。また、熱交換器等へのダスト付着に対②温室効果ガスの削減

しては、閉塞が発生しないよう構造上配慮するとともに、定期的な燃料化施設の廃熱を温水として最大限回収し、下水処理場

清掃にて対応する必要がある。

内の消化槽加温に供給することで廃熱の有効利用を図り、温水供給により得られた消化ガスを燃料化施設で利用することで、

5.2 １ヶ月運転の結果について化石燃料使用量 ゼロ を達成し、温室効果ガスの大幅な削減

前述した課題に対する対応策を講じた上で、2009 年 2〜 3月にが図られている。汚泥焼却方式から燃料化方式への転換によりかけて、実証試験設備にて１ヶ月間運転を実施した。原料は、未下水処理場で約 9,700t/ 年、燃料化物をJ-POWER 竹原火力

消化汚泥を使用した。1ヶ月運転の結果、図 9に示すように、定格発電所（広島県竹原市）
で混焼利用することで約 6,400t/ 年、合能力以上の運転を維持できており、タールやダストの付着等による計約 16,100t/ 年のCO2 削減が見込まれる。これは、一般家庭

処理量の低下は認められなかったことから、実施した対応策は有

約 3,100 世帯 / 年のCO2 排出量に相当する削減効果である。

参考文献
1）上田厚志 ：下水汚泥燃料化技術の開発、
TSK 技報NO.8（2008年10月）
2）椎屋光昭：下水汚泥を活用した石炭火力発電所のCO2 削減の取組み事例と今後の展望、新都市（2010 年5月号）
3）
日本下水道事業団技術開発部：下水汚泥固形燃料化システムの技術評価に関する報告書（2008年3月）
4）上田厚志ほか：「石炭火力発電所に適した下水汚泥燃料化技術の開発（第2 報その①）」
第45回下水道研究発表会講演集
5）
日本下水道事業団技術開発部：下水汚泥固形燃料発熱特性評価試験マニュアル（2008 年3月）

効であったと考える。
なお、当システムを構成する乾燥機や炭化炉等の各機器は、

7 おわりに下水処理場や産業界で広く一般的に使われている機器の組合せ
バイオマスエネルギー資源である下水汚泥燃料の石炭火力発であるが、実機の設計にあたっては、前述のように機器と機器を結電所での混焼利用は、地球温暖化防止対策や循環型社会の実現

ぶガスラインやマテハンラインに特に注意する必要がある。

の手段として大きな期待が寄せられている。今後もさらなる技術改
良を加えシステムの最適化を図り、下水汚泥燃料化システムの普及促進に向けて積極的に取り組んでいきたい。
図 9 1 ヶ月運転の運転データ
Fig.9 One-month test operation data.

32 TSK 技報 2010 no.14

TSK 技報 2010 no.14

33

製品紹介

1

2.2 軸シール構造
ケーシングと回転シャフトとのシール機構は特殊グランド方式が標準

インクラインドディスクドライヤである。汚泥乾燥機の初期の軸シールはグランドパッキンのみで対応していたため、運転条件や汚泥性状により漏れを完全に防止することができなかった。汚泥は供給側の条件で液状になる性質があり汚泥漏

Inclined Disc Dryer

れは供給側軸シールで発生するが、乾燥した処理物が堆積する排出側軸シールでは漏れは発生しない。
そこで、パッキンメーカーの協力を得て、グランドパッキンを改良したシール方式とし、日常メンテナンスのなかでグリースを定期的に補給することでシール性を向上させた、特殊グランド方式を採用している。

Abstract

図 2 代表的なフロー図
Fig.2 Typical ﬂow of Inclined Disc Dryer

2.3 加熱構造
The Inclined Disc Dryer is evaluated highly in the dryer field.
This dryer is equipped with a special inclined disc, which enables stable operation andsuitable performance, and has been applied in over 150 plants of both domestic and overseas customers.
In this paper, features of the Inclined Disc Dryer are described, including the mechanism,
drying characteristic, application and recent requests of customers.

回転シャフト、およびディスクにはシャフト端部にあるロータリージョイ
ントを通してスチームが供給される。
脱水ケーキは、供給口より連続的に供給され、ディスクによる撹拌とインクラインドディスクドライヤが汚泥乾燥機として評価を得た理由

ディスク、シャフトおよびケーシングジャケットからの伝熱で乾燥され、そは、水分域ごとに性状が変化する汚泥の特性と、その性状変化に対しの後端部の出口より排出される。

ディスク傾斜させたことにより、安定して乾燥性能が発揮できる点であ出口には、乾燥機内部の充てん量を調整するためオーバーフロー用の堰板が設置されている。この堰板の高さを調整し、滞留時間と有効

渡辺 健司
WATANABE Kenji
産業事業本部
プラント計画部
産業機械グループ

インクラインドディスクドライヤは乾燥機分野で高く評価されています。
この乾燥機は特殊な傾斜したディスクを装備しています。そして、この特殊な傾斜したディスクで安定した運転と良好な性能を達成しています。
本稿では、この乾燥機は国内及び海外の顧客で約 150のプラントで使用されています。
インクラインドディスクドライヤの構造、乾燥特性、適用分野と最近の客先ニーズを続けて紹介します。

伝熱面積を変えることで、乾燥品水分を調整することができる。

1970 年代より、環境保全のニーズの高まりによって、余剰汚泥の減容化が求められるとともに臭気対策が必要となり、市場から密閉型
間接加熱方式の汚泥乾燥機が要望された。

た少量のキャリアガスに同伴されて排気口より排出される。
インクラインドディスクドライヤの概略構造図を図 1に記載する。

DT 型を開発し、河川スラッジ、
メッキ排水汚泥、上水汚泥等へ適用した。
しかし、DT 型乾燥機は実用機としては滞留時間の調整が難しく、さ付着抑制機能を持たせたことが非常に有効であった。
本ドライヤは汚泥の乾燥において特に大きなメリッ
トを生む乾燥装置である。

3.1 汚泥の性状変化と挙動
図 3に示すように汚泥は水分域ごとにまったく異なった性状を示す。
いわば、一つの乾燥機内で異なる数種の物質を処理しているイメージになる。

日では月島機械の主力商品の一つとして下水処理、排水処理を中心に高い評価を得ている。さらに近年ではこの実績が評価されて中国の下水汚泥にも適用されている。
図 3 汚泥の性状変化
Fig.3 Property change of the sludge

インクラインドディスクドライヤの構造、適用分野と最近の客先ニーズを本稿で述べる。
図 1 概略構造図
Fig.1 Conﬁguration of Inclined Disc Dryer

月島機械は、当時保有していた乾燥機で処理できない高粘着性物質
対応として、高速回転かき取リパドルを有する円筒ジャケッ
ト付乾燥機る。撹拌、混合、そして乾燥材料と伝熱面の間での摺動作用等による脱水ケーキより蒸発したベーパーは、キャリアガス入口より導入されキーワード：間接加熱乾燥、インクラインドディスク、下水汚泥、乾燥特性
Keyword：Indirect heat drying, Inclined disc, Sewage sludge, Drying characteristic

1 緒言

3 乾燥特性2 インクラインドディスクドライヤの構造について
2.1 乾燥機の分類

インクラインドディスクドライヤは間接加熱のため直接加熱方式にでは非常に大きな塊状となり、ディスク間に大きな塊が入り込んだ状態

比べて排気量が少ない、熱効率が高い、温度コントロールが容易であとなる。この領域では塊の表面が堅く、内部が柔らかい状態となりディスクに対して汚泥が滑りやすい状態となる。

らに動力も大きいという弱点があった。一方、従来から月島機械の主力

乾燥装置には大きく分けて熱風を直接原料に接触させて乾燥させるタる等の特長を有している。また容積当たりの伝熱面積が大きくとれ、さ乾燥機の一つである、
スチームチューブドライヤ（STD）を適用した場合、イプ（直接加熱乾燥）と、蒸気等の熱媒で加熱された金属壁を介した伝らに製品の撹拌・揺動効果を上げることで高い伝熱係数と、容積あたりの熱移動の高効率化を達成している。

乾燥対象物が転動されることで、こぶし大のボールのようになる。その熱で原料を加熱し乾燥させるタイプ（間接加熱乾燥）の二種類がある。

結果、内部まで均―に乾燥できず、汚泥水分を目的水分まで乾燥でき

インクラインドディスクドライヤは、回転軸内部およびジャケット内

図 3に示すように脱水汚泥は85〜 80% W.B. 程度から65% W.
B. 程度では非常にやわらかい塊状となる。また65〜 50% W.B. 程度

水分が 50% W.B.より低減するにつれ塊はしだいに小さくなり、出口水分
30% W.B. 程度ではφ30mm 位のボール状となる。
（W.B.＝Wet Base）

インクラインドディスクドライヤを適用した代表的なフロー図を図2

3.2 水分領域と機能特性なかった。このような従来の乾燥機に見られる欠点を解決するために、部に供給されるスチームにより、ケーシング内に供給された原料に熱をインクラインドディスクドライヤの開発に着手し、種々の汚泥による乾加えて、乾燥操作を行う間接加熱型乾燥機である。加熱ジャケット付

大きな特徴としてディスクを傾斜取り付けさせたことで、乾燥機内で燥伝熱特性、ディスクの傾き、切り欠き角度、回転数、排出機構等をの固定ケーシングとケーシング内部には設置された２本ないし4 本の傾の処理物の動きが良くなり、乾燥効率がアップするとともに付着抑制効

確認し、商品として完成させた。

斜したディスク（インクラインドディスク）を取付けた回転軸を有するた果も得られたことが挙げられる。各ゾーンのケーキ特性とインクラインド

め材料撹拌型乾燥機でもある。

ディスクドライヤの機能の具体的効果は次のとおりである。

これまでに国内、海外をあわせて１５０台以上の納入実績がある。今34 TSK 技報 2010 no.14に記載する。

TSK 技報 2010 no.14

35

製品紹介 1 インクラインドディスクドライヤ①水分 85〜 65% W.B.の柔らかい塊状ゾーン
上部から見た時のシャフトおよびディスクの位置関係は次の様になる。

4.2 汚泥減容化の試算

製品紹介

下水汚泥等の有機汚泥は有効利用として、肥料、溶融スラグ化によ

2る建設資材、セメント原料等が考えられているが、リサイクル先の確保、処理コスト等の問題があり、減容化対策が重要な課題となっている。
たとえば50t/Dの汚泥を80% W.B. → 40% W.B.に乾燥した場合、脱蝋フィルタDewaxing filter

イニシャル、維持管理の比較も必要であるが、約 67%の減容化が可能であり、産廃費および CO2 削減に貢献できる。
図 4 シャフト／ディスクの位置関係
Fig.4 Relations of the shaft / disc position

Abstract

上図の様にディスク間に入り込んだ柔らかい塊に相手側のディスクが入For lubricant base oil producing plant, dewaxing filter is applied to separate wax crystals

り込んでくることで汚泥が解砕され、ディスク表面から一部剥離する。こin lubricant raw material. Dewaxing filter belongs to multi compartment type drum filterのときディスクに接触している汚泥面は膜状でほぼ全面接触している。

among vacuum rotary drum filters. Dewaxing filter is required vapor tight design, low

相手側のディスクが汚泥中に入り込んでくることで汚泥の動きが押さ

temperature resistance up to minus 40 degree C, large filtration area of about 51 to 112m2,

えられ、汚泥の動きが止まったような状態でディスクが 180°
回転する

8000 hours of continuous long operation without trouble, and other requirements. Dewax-とディスクが破線の様な向きとなり、ディスク面に対して処理物の剥図 5 汚泥の減容化
Fig.5 Reduction of the volume sludge

離・更新が進む。このためディスク間の汚泥の動きと熱伝導が格段

ing filter is composed of the following functional zones such as for cake formation, cakewashing, drying, purging, and cake discharge by blow-back. Tsukishima Kikai has suppliedに良くなり、乾燥効率が向上する。また剥離、更新により、ディスク
面での焼き付きを防ぐことができる。
②水分 65〜 50% W.B. 程度の大塊ゾーン
この水分域では大塊がディスク間に挟まった状態になっており、大塊

4.3 適用可能分野、実績について
下水道分野は汚泥乾燥機としての実績であるが、民間向けでは多岐にわたっている。

の表面が堅く滑りやすくなっている。ただし、前述した高水分領域と

適用物質としては磁性酸化鉄、ABS 樹脂、
硫酸バリウム、加工澱粉、

同様に、大塊に相手側のディスクが入り込むことで汚泥の動きを乱コーンスターチ、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、石油汚泥し、さらにインクラインドディスクによる剥離・更新効果でディスク等がある。

間に挟まった汚泥が抜けやすくなり、良好な撹拌状況が維持される。
③水分 50% W.B.より低水分ゾーン
この水分域の処理物の付着性は少ない。乾燥機内で撹拌され乾燥

日比 賢一

a total of about 65 sets of dewaxing filters since providing the first dewaxing filter in 1967.

HIBI Kenichi

Dewaxing filter is composed of drum, filter tank and its hood, automatic valve system, cake

産業事業本部
プラント計画部
産業機械グループ

washing system, cake discharge system and other items.
脱蝋フィルタは潤滑油基油製造プラントにおいて、潤滑油原料油に含まれる蝋分を除去する目的で使用される。脱蝋フィルタは真空式回転ドラム型ろ過機のうち、多室ドラム型ろ過機に属する。脱蝋の用途から、脱蝋フィルタにはガス密閉仕様、-40℃程度までの低温に耐えること、51-112m2といった大回転軸内部およびジャケット内部に供給されるスチームの代わりに冷きなろ過面積、8000hr 連続安定運転等が要求される。脱蝋フィルタは機能上、ケーキ形成区間、ケー

却水を通水してディスクドライヤを冷却機として、使用するケースがあり、キ洗浄区間、脱液区間、パージ区間、ブローバック区間からなる。1967 年に１号機を納入して以来、現在まで65 基近くの脱蝋フィルタが納入されている。脱蝋フィルタはドラム、液槽とフード、自動バルブ、ケー

樹脂、炭酸カリ、グラニュー糖や吸水性ポリマなどに実績がある。

キ洗浄装置、ケーキ排出装置等から構成される。

が進むことと、破砕効果で乾燥汚泥塊のサイズは小さくなる。
出口水分が 30% W.B.ではφ30mm 位のボール状となる。

5 まとめ

4 市場ニーズへの対応

応を中心に紹介した。インクラインドディスクドライヤは種々のトラブル

4.1 汚泥を絶乾状態まで乾燥する工夫の経験から改善が加えられ、高い乾燥性能と耐久性を備えた高機能な乾燥汚泥をそのまま直接溶融する、または乾燥汚泥を肥料や土質改良材として利用する場合、10% W.B. 以下のほぼ絶乾状態まで乾燥する必要がある。
一般に汚泥乾燥の場合、30〜 40% W.B. 以下が減率乾燥区間のため乾燥速度が著しく遅くなる。さらに汚泥性状は砂状になり、ディスク

キーワード：脱蝋フィルタ、
ドラムフィルタ、潤滑油、MEK 脱蝋法
Keyword：Dewaxing ﬁlter, Drum ﬁlter, Lubrication oil, MEK dewaxing process

今回、インクラインドディスクドライヤの特性とお客様ニーズへの対乾燥機であると言える。

1 はじめに汚泥はバイオマス由来の燃料、資源としてその価値が高まってきてお脱蝋フィルタは石油精製プラントにおいて、潤滑油原料油に含まれり乾燥工程が果たす重要性、必要性も増している。さらに、地球温暖化

る蝋分（Wax 分）を除去する目的で使用される、大型のろ過機である。

など環境問題が注目されている中で、今後は中国など新興国を中心に海

分類上は連続式多室回転ドラム型に属し、文字どおり脱蝋用途の専外市場へ、日本国内の実績をベースに展開できると考えられる。

用機である。専用機であるがゆえに、月島機械内でも比較的馴染みの少ない単体機械といえるかも知れない。

シャフトが著しく摩耗する。そのためインクラインドディスクドライヤの従って、今後の市場を見据えてインクラインドディスクドライヤをブ適用が難しくなり、むしろスチームチューブドライヤの適用が望ましい。

ラッシュアップする必要があり、高い性能を維持しながら磨耗対策、駆1960 年に月島機械は米国アイムコ社とフィルタ技術全般で技術提このようなニーズに対応するため、インクラインドディスクドライヤと動部、シール部などの構造検討や製作技術の改善をはかり、乾燥機単携し、翌 1961年にアイムコ社の脱蝋フィルタの開発が完了した。このスチームチューブドライヤを組み合わせることで最良のプロセスを組み体の見直しを含めて、プロセス、運転維持管理等の総合的に優れた技術をベースに月島機械でテキサコの溶剤脱蝋プロセス仕様に合致す技術を確立していく。

るよう、改良機を作りテキサコに認定された 1)。1966 年に国内某社から上げることが可能である。
たとえば、H 社向けに納入した汚泥乾燥設備のように、前段の水分40% W.B.までインクラインドディスクドライヤを適用し、40% W.B.〜

今後もお客様とともに、技術の研鑚とコストダウンに励み、お客様に満足していただける製品を提供し続ける所存である。

脱蝋フィルタ１号機を受注し、現在まで約 65 基の納入実績を有している。
本稿では、このような歴史の古い脱蝋フィルタが石油精製プラントのほぼ絶乾までをスチームチューブドライヤで乾燥する。粒度の要求があ中でどのように使われているか、また同フィルタの構造・特長について紹るならば、そのあとに破砕機を設置するという方法もある。

介したい。図 1に月島機械、工場にて製作途中であった、脱蝋フィルタ

汚泥乾燥実績の豊富なインクラインドディスクドライヤに他の乾燥機を組み合せる等多様なニーズに対応する必要があると考える。

36 TSK 技報 2010 no.14の外観を示す。図 2には固形物（蝋分）排出側から見た脱蝋フィルタの参考文献
1）月島機械

図 1 製作中の脱蝋フィルタ
Fig.1 Dewaxing ﬁlter under fabrication

百年の技術 ｐｐ126−131

側面図、図 3には自動バルブ側から見た同フィルタの側面図を示す。

TSK 技報 2010 no.14

37

製品紹介 2 脱蝋フィルタ

Dewaxing filter

3 脱蝋フィルタの分類と動作原理
3.1 脱蝋フィルタの分類上の位置付け
脱蝋フィルタは分類上、真空式連続ドラム型ろ過機に属する。さら⑤ブロー区間ろ過・ケーキ洗浄・脱液を終えたワックスケーキを、ブローバック機
能によりケーキ排出する区間。Flue Gasをろ過面裏側からパージし、
ブローバックされる。

にドラム型ろ過機は、月島機械で主に扱っている多室回転ドラム型と単室回転ドラム型に分類される。脱蝋フィルタはこの内、多室回転ド

上記の各区間は、固定部である液槽とのドラム位置（位相）の相対

ラム型に属し、
ドラム回転方向に30 室に分割されたろ過室を有する。

位置関係で決定する。上記各区間のドラム上の位置は、自動 バルブ

個々のろ過室は、ドラム内に装備された内部配管と自動 バルブを経由の構成部品であるブリッジの仕様により設定する。30 室に分割されたド

して、外部の真空引きラインまたはガスパージラインに接続される。動

ラムの各室は、それぞれ対応した内部配管によりバルブ側トラニオン

作原理の詳細は、次の3.2 項に述べる。

端面に配置された30 個の孔の内、対応する一つの孔に接続される。

単室ドラム型はドラム内部全体（単室）から太いろ液抜き出し管を通前述のブリッジ設定により必要な外部ラインに選択的に接続される。

してろ液およびろ過ガスを外部に真空吸引する。この単室ドラム型ろ
図 2 脱蝋フィルタ スクロール側側面図
Fig.2 Outline drawing of dewaxing ﬁlter (Scroll side view)

図 3 脱蝋フィルタ バルブ側側面図
Fig.3 Outline drawing of dewaxing ﬁlter (Valve end view)

過機はヤングフィルタが良く知られており、テレフタル酸の分離用に多く使用されている。このヤングフィルタの例で説明すると、ドラム上に多数装備された幅 100mm 程度のブリッジと呼ばれるろ過室ろ過面にケーキ形成される。ケーキ洗浄、脱液された後、ケーキ層は、ブローバッ

2 脱蝋フィルタとは

クバルブと呼ばれる、ドラム内周に摺動するブローバック装置により、

2.1 脱蝋フィルタの用途上の位置付け 2）

2.2 脱蝋フィルタに求められる特性

潤滑油としては、要求される物性面から原油の分留による重油とアス

上記のような脱蝋フィルタの用途から、脱蝋フィルタには次のようなケーキ剥離、排出される。ドラム回転につれて前述のブリッジがケーキ排出位置に装備されたブローバックバルブに達すると、同ブリッジ内に
ブローバックガスが集中的に供給され、ケーキ剥離される。

ファルトの中間の留分が適している。ほとんどの潤滑油原料油には蝋特性が求められる。

分が含まれており、常温で固まる。その蝋分を除去するため溶剤脱蝋

・MEK、
トルエンといった溶剤を使用するための、ガス密閉仕様

法や接触脱蝋法が利用されている。脱蝋フィルタは溶剤脱蝋法（MEK

・マイナス40℃程度までの低温に耐えること

脱蝋法）
で使用される。図 42）に同脱蝋法のプロセスフローを示す。

・大容量処理機として１基当たり51〜112m2といった大きなろ過面積

脱蝋フィルタは1rpm 前後のドラム回転数で使用されるが、このドラ

潤滑油原料油に、まずMEK（Methyl Ethyl Ketone）とトルエンが・上記大容量機が4〜10 基程度配置されるため、本体のコンパクト設計

ム１回転は機能的に以下の5 区間に分けられる。併せて図 5のフィル混合され、チラーで目的の温度（一般に-20 〜 -30℃）まで冷却して、・オイル回収率の観点から良好なケーキ洗浄効率

タ機能説明図を参照願いたい。

原料油中の蝋分を結晶化させる。このスラリーは脱蝋フィルタに供給さ・8000 時間連続運転に耐える機械の信頼性

れ、固形分である蝋分と、ろ液に分離される。一方、潤滑油原料を含3.2 脱蝋フィルタの動作原理①ケーキ形成区間

むろ液は溶剤分離工程を経て潤滑油基油が製造され、必要な添加剤

本体液槽に供給された原液を真空引きでピックアップろ過・ケーキ

を加えて各種潤滑油が製造される。

形成する区間。次区間であるケーキ洗浄前の予備脱液も含む。ドラ

図 5 脱蝋フィルタの機能説明
Fig.5 Operation principle of dewaxing ﬁlter

4 脱蝋フィルタの構造詳細と特長
脱蝋フィルタの構造と特長を構成要素ごとに以下に述べる。

ム浸度は最大で50%と大きい。
②ケーキ洗浄区間
冷溶剤（コールドソルベント）により、ドラム上に形成されたワックス

文字どおり脱蝋フィルタの主要構成要素である。ドラムの直径はすケーキをケーキ洗浄する区間。ケーキ形成を完了したケーキ層は、まべての型式に対して一定で、3mを超える大きさである。ドラム長さはろだ潤滑油基油としての有効成分をケーキ層中に多く含有しており、過面積に応じて4.9m 〜 9.1m
（ラインナップ上は10.6mまで）の範囲

冷溶剤によりケーキ洗浄を行うことにより、有効成分をろ液中に回で製作実績がある。製作中のドラム外観を図 6に示す。

収する。冷溶剤はスプレーノズルまたは特殊ドリップ 管から均一にろ過室はドラム表面に装備され、回転方向に30 室に区分されていケーキ上に散布される。 洗浄液としての冷溶剤は、次工程の溶剤る。各ろ過室はデビージョンバーで区画され、ろ布裏側にろ過スペース

分離装置からリサイクルされる（図４参照）。 本工程も基本的にはを確保するために樹脂製のグリッドを装着する（図７参照）。各デビージョ

真空引き工程で、ケーキ形成区間のろ液とは分割して回収すること

ンバーにはコーキングバーでろ布が押し込まれる。

も可能である。
③乾燥区間（脱液区間）
ドラム上に形成されたワックスケーキをケーキ洗浄後、しっかり脱液する区間。本工程も真空引き工程である。
④パージ区間図 4 MEK 脱蝋装置プロセスフロー
Fig.4 MEK dewaxing plant process ﬂow

38 TSK 技報 2010 no.14

4.1 ドラム

ケーキ排出は前述のようにブローバックによるが、この時にろ布が外れないように、ろ布外面にはステンレスワイヤーが螺旋状に巻きつけられている。これも脱蝋フィルタの特徴である。
個々のろ過室は、ドラム内に装備された「リードパイプ」「トレールパイプ」と呼ばれる2 組の内部配管と、後述の自動バルブを経由して、次区間のケーキブローバックに備えて、内部配管中の残留ドレンを

外部の真空引きラインまたはガスパージラインに接続される。従ってド微加圧のFlue Gasと呼ばれるイナートガスでパージする区間。これ

ラム内部自体は接液部とはならず、かつ減圧スペースでもない。

により内部配管に残留するろ液が、ブローバック時にワックス排出口に混入するのを防止する。

このような構造のため、ドラムは基本的に製缶構造であり、単室型のヤングフィルタのようにドラム内面の機械切削加工を必要としない。

TSK 技報 2010 no.14

39

製品紹介 2 脱蝋フィルタ

Dewaxing filter

表 1 脱蝋フィルタ納入実績表
Table1 Installation List of Dewaxing Filter

4.4 液槽貫通部の軸シール
ドラムは両端支持のため、液槽を貫通している。駆動側のトラニオ
ンは軸径も小さく、ドラム回転数が 1rpm 程度と小さいこともあり、グランドシールが採用されている。
一方、自動バルブ側トラニオンは内部配管を通してプロセス液およびガスの出入りがあり、非常に大口径である。月島機械の脱蝋フィル
タはバルブ側トラニオンを液槽内で支持しているのが特長である。バ
ルブ本体はメンテナンス性を考慮して、液槽の外部に設置しているが、
図 6 製作中のドラム外観
Fig.6 Outline view of drum under fabrication

図 8 液槽とフードの分割フランジ
Fig.8 Separation ﬂange between the ﬁlter tank and hood

自動 バルブ機構を大口径の伸縮 ベローズ内に収納・マウントし、外部に対してノンシールの構造が特長である。ただしウエアープレートとバルブ本体摺動部の洩れは、真空引きに対するガス洩れと、原液スラ
リーのろ液ラインへの洩れを意味するので、同摺動部は精密に仕上げられる。

4.5 ケーキ洗浄装置
ケーキ洗浄はおおむね前述 3.2 項の図 5に示す位置で行う。フード
内面に多数のケーキ洗浄ヘッダーパイプを配置し、冷溶剤をケーキ層にムラなく散布する。洗浄ヘッダーはスプレーノズルを多数取り付けたスプレータイプと、ヘッダーパイプに小孔を多数開けたドリップタイプ
図 7 ドラム上のグリッド装着状態
Fig.7 Grids on the drum

図 9 フードに装備されるサイトポート、ライトポート
Fig.9 Sight ports and light ports on the hoodの2 種類があり、適宜これらを組み合わせて最適な洗浄を行う。近年は主としてスプレータイプを使用するよう月島機械から推奨しているが、長年の使用実績からユーザーの意向が優先されている。

従って本脱蝋フィルタは、非常に大型サイズの製作が可能なことが、

4.6 ケーキ（ワックス）
排出装置
ドラムの長さが大きいため、ブローバックでドラムから剥離したケーキ

4.2 液槽とフード
ドラムは液槽とフード内に装備される。液浸が最大 50%と大きいため、層はスクロールと呼ばれるスクリューコンベヤでドラムの中央に集めら

ドラム支持シャフト（トラニオン）の貫通部は液槽側に設置されている。

れ、パイプ状のワックスブーツに排出される。スクロールは液槽のケー

従って液槽とフードの分割面は、液浸レベルよりも上部にある。

キ排出側に収納されており、ブローバックされたケーキ層は、
ドラムとはら40 年以上が経過した歴史の古い技術である。この間にドラム駆動
装置、バルブ構成部品、ケーキ洗浄装置等に種々の改良が加えられて産拠点は、自動車の生産拠点の新興国への移転に合わせて新たに生
まれつつある。今後もこれらの動向に沿って、脱蝋フィルタの新規需要も見込まれると予想している。また月島機械納入機の内、更新時期を迎える機器も多い。月島機械においても、これらの需要を取り込むべく、機器の改良、コスト低減にさらに取り組んで参りたい。

非接触のスクレーパ（デフレクターと呼ばれる）でガイドされてスクロー

液槽とフードのフランジ分割部はグランドパッキンでシールされ、分割側）を示す。フードには多数のライトポートとサイトポートが装備され、ケーすでに述べてきたように、月島機械の脱蝋フィルタは、１号機納入かきた。一方、自動車のエンジンオイルを主たる用途とする潤滑油の生大きな特長といえる。

部フランジはスイングボルトで固定される。図 8に分割部フランジ（液槽

6 おわりにル上に落下する。
図 10 バルブ側トラニオン端面
Fig.10 Trunnion of valve side

排出されたワックスケーキは次工程で加温・融解され液状になるが、キ形成状態およびケーキ排出状態の観察が容易である（図 9 参照）。メ

この一部をワックスブーツにリサイクルし、排出ケーキをスラリー状にしンテナンス時のフード開放用として油圧シリンダーを装備している。

て、次工程への搬送の助けとする。前述の図７にスクロールの装着状態が見える。

液槽のケーキ排出側にはスクリューコンベヤが装備され（前述の図

参考文献
1）岡本和夫：水平ベルトフィルタ、2 項）
当社の産業用ろ過機と変遷、
月島機械 百年の技術、pp.93（2005）
2）JX日鉱日石エネルギー株式会社HP、
http://www.noe.jx-group.co.jp/binran/
part04/chapter04/section09.html（2010 年7月現在）

７参照）、
ドラム軸方向のセンターに集められたワックス分が中央の円

5 月島機械における脱蝋フィルタの製作・納入実績

筒シュートから排出される。

1966 年に脱蝋フィルタ１号機を受注して以降、国内の石油精製会

4.3 自動バルブ社から受注を重ねるとともに、海外においては中国、韓国、シンガポー

3.2 項で述べたように、
ドラム位置（位相）に応じてろ過操作の機能

ル、ロシア、イラン等に多数納入している。最近はこれら既設機の更が切り替わる。この切替の機能を担うのが自動 バルブである。30 室に分割されたドラムの各ろ過室はそれぞれ対応した内部配管によりバル
ブ側トラニオン端面の孔に溶接・接続される（図 10 参照）
。この端面

図 11 バルブ本体
Fig.11 Valve body

新需要もでてきている。表 1に月島機械における脱蝋フィルタの製作・納入実績を示す。

にはウエアープレートと呼ばれる摺動に耐える部材が固定され、一方液槽側に固定されたバルブ本体とドラム回転に合わせて摺動・シール
される。バルブ本体に組みこまれたブリッジの設定により、前記 3.2 項で述べた、各区間に対応する外部ラインに選択的に接続される。バルブ本体は複数のスプリングによりウエアープレートに一定の力で押しつけられている。バルブ本体の外観を図 11に示す。

40 TSK 技報 2010 no.14

TSK 技報 2010 no.14

41

製品紹介

3

2 設備概要40ton ／日 スラグバス式酸素燃焼溶融炉

今回、月島環境エンジニアリングは処理量 40トン／日の灰溶融設備の他に、144トン／日の流動焼却設備、廃熱ボイラ・発電設備、同用排ガス処理設備と、これら設備の焼却・溶融工場棟を一括納入

40 ton/day Slag-Bath Melting Furnace with Oxygen Burner

している。
本溶融設備の設備全景外観を図１に、また灰溶融炉の外観を図 2
及び図 3に、フローシートを図 4に示す。

Abstract
In the past ten years or more, the country and the industrial world have been strongly promoting exhaust control and waste recycling in consideration of limited landfill sites, dioxins
and other environmental problems.
Accordingly, the treatment process of waste that was generally incineration has been changing
to melting for effective applications of melted slag or recovering valuable metals from waste.
Over twenty years, Tsukishima Kikai has been developing various ash melting systems andaccumulating experience. “Slag-bath ash melting furnace” is one type of melting furnace

上村 敏雄

using an oxygen burner that operates stably with low fuel consumption. In 2007, a second

KAMIMURA Toshio

plant was constructed in Chugoku region with a capacity of 40 ton/day, which is ten times as

月島環境エンジニアリング㈱プロポーザル本部
プロセス設計部

large as the first plant. Fly ash from industrial waste was applied for the first time to slag-bath

図１ 焼却・溶融炉棟全景
Fig.1 General view of plant

ash melting furnace. The features and actual operating result of “slag-bath ash melting furnace” are described.
過去十数年間にわたり、国及び産業界は、最終処分場のひっ迫やダイオキシン問題から産業廃棄物の排出抑制やリサイクルを強く推進している。これに伴い、廃棄物の処理プロセスは一般的な方法であった焼却から溶融スラグの有効利用や有価金属の回収を目的とした溶融へと変化してきている。
20 年以上にわたり月島機械は様々な灰溶融システムを発展させ、経験を蓄積してきた。 スラグバス式灰溶融炉 は酸素バーナを使用した溶融炉の一つの型式で低い燃料使用量で安定的に運転ができる。
2007 年に2 号機目のスラグバス式灰溶融炉が中国地方に建設された。この灰溶融炉の処理量は40Ton/日で1 号機の約 10 倍と大きく、産業廃棄物を処理した焼却飛灰をスラグバス灰溶融炉に適用するのは初めてである。スラグバス灰溶融炉の特徴及び実際の運転結果について以下に記載する。

松浦 敏郎
MATSUURA Toshio

キーワード：灰溶融炉、溶融スラグ、酸素燃焼、燃料原単位
Keyword：Melting furnace, Melted slag, Oxygen burning, Fuel consumption rate

月島環境エンジニアリング㈱プロポーザル本部
プロセス設計部

1 はじめに
この10 数年、国及び産業界は、最終処分場のひっ迫やダイオキシン問題から産業廃棄物の排出抑制やリサイクルを強く推進している。

図 2 灰溶融炉外観１（天井部）
Fig.2 External view of melting furnace (top view)

今後のリサイクル会社の目指すモデル工場として発生焼却灰の溶融処理を行うとともに、溶融スラグの有効利用が可能な設備として計画された。
月島機械では20 年以上前から焼却灰溶融炉開発に取り組み、色々

最近では地方公共団体においても、物質フロー会計や数値目標を算な溶融炉の実績を積み重ねてきた。

定・試算し、廃棄物の再資源化を推進すると共に循環型社会の構築

今回のスラグバス式酸素燃焼溶融炉は燃料原単位が低く、経済性にに向けた取り組みが進められている。
今回の納入先は大手の油系リサイクル会社で、このような社会の変化より、焼却灰を安定化処理し最終処分する従来の設備ではなく、

42 TSK 技報 2010 no.14

図 3 灰溶融炉外観 2（酸素バーナ周辺）
Fig.3 External view of melting furnace

優れ、安定運転が可能な方式で産業用溶融炉として適している。焼却
灰溶融炉として本炉は２号機目となるが、産業廃棄物焼却灰への適用は初めてであり、処理量も実績炉の約１０倍規模と大きい。

図 4 溶融設備フローシート
Fig.4 Schmatic ﬂow of ash melting system

TSK 技報 2010 no.14

43

製品紹介 3

40ton ／日 スラグバス式酸素燃焼溶融炉

40 ton/day Slag-Bath Melting Furnace with Oxygen Burner

灰供給機は炉の左右に各 2 基、合計 4 基が設けられ、焼却灰を炉

2.1 設備の仕様
表１に設備主要仕様を示す。
表１ 灰溶融炉主要仕様
Table1 Outline of melting furnace

内へ均等に分散させて投入することが可能な構造となっている。今回が非常に高濃度で、炉内温度も高いため灰供は酸性ガス（HCl、SO2）
給スクリューシャフトの劣化が予想された。このため灰供給機スクリュー
シャフトは特殊な耐熱耐酸処理を行うと共に、車輪付の可動式として容易に炉から引き抜くことができる構造とした。
（2）酸素燃焼方式と酸素バーナ
酸素燃焼方式は、空気中からゼオライトを用いて窒素ガスを吸着さ2.2 灰溶融設備のフロー
本システムは（図 4）に示すように酸素発生設備、灰溶融設備、溶融スラグ冷却設備、溶融排ガス処理設備の４つの設備から構成される。
流動焼却炉から発生する焼却灰は、焼却灰ホッパに一時貯留されせ、酸素ガスを抽出する酸素発生装置（PSA 或いはVSA）によって得られる93％程度の酸素ガスを直接使用するので、①燃料使用量、②NOｘ生成量に対する削減効果がある。

図 5 燃料原単位
Fig.5 Fuel speciﬁc consumption

空気燃焼の場合、重油 1kgを燃焼させるのに約 10m3 の空気が必た後、溶融炉側面部４箇所に設置された溶融炉灰供給ホッパへ自動要となるが、このうち79％は燃焼に不必要な窒素ガスが含まれている。

で供給される。焼却灰は、各溶融炉灰供給ホッパ下のスクリューコン

これに対して酸素燃焼では重油 1kgを燃焼させるのに必要な酸素ガス

ベヤから分配されて炉内へ投入される。溶融炉には2 基の酸素バーナ

は約 2m3 強で済む。従って余分な窒素ガスの温度上昇に使われる燃が設置されており、溶融炉内はバーナ火炎及び耐火材からの輻射熱に料を必要とせず、少ない燃料で高温を得ることができる。

より均一に1,350 〜 1,500℃に保持されている。焼却灰はこの炉内

ＮＯｘ生成量についても、酸素燃焼では窒素ガスが少ないため、高側面より投入され、十分な時間をかけて溶融された後、スパウト部（溶温処理にもかかわらずサーマルＮＯｘは非常に少なく、焼却排ガスとの融スラグ排出口）よりスラグシュートへ流下排出される。流下溶融スラ

混合ガスは排ガス規制値（100ｐｐｍ以下

グは下部水槽で瞬時に水砕化され、付属スラグ排出スクリューコンベ

いる。また、酸素燃焼で発生したガスは、赤外領域に輻射帯を持つ

O212％基準）を下回ってヤにより水砕スラグとして回収される。また水槽内の冷却水は、付属のCO2とH2Oが大半のため輻射効率が高く、スラグ溶融への熱伝達に熱交換器を介して常に循環しており、一定温度以下に保持されている。

優れている。今回は長炎形フラットフレーム酸素バーナの採用で火炎

一方、溶融排ガスは炉出口で酸素発生装置から排気される窒素リッチ

温度の高い、フラット形状長炎により、炉内を均一に高効率で加熱すガスで１次冷却された後、溶融排ガスクーラで200℃程度まで冷却し、ることができる。

図 6 スパウト部と溶融スラグ
Fig.6 Spout and Slag

バグフィルタへ通ガスされる。バグフィルタは、高濃度酸性排ガス（HCl、SO2）へ対応可能とするため、直列 2 段に設置されており、各々の入口（3）燃料原単位と使用燃料部で消石灰が添加され、酸性排ガス（HCl、SO2）の除去率向上を図っ

実績では（表 2）の通り、定格処理（40トン／日）条件下で約 65ｋている。その後、排ガスはダイオキシン分解触媒塔で無害化され、誘ｇ-OIL／ ton- 灰で運転されており、理論計算値の約 65〜70%となっが焼却灰は消石灰由来のＣａＯを多く含み、塩基度（=CａO ／ SiO2）

引ファンで煙突へ通気され焼却炉排ガスと合流後、排気される。

ている。この相違が生じた原因としては理論計算で想定している放散

高くなるため、そのままの組成で溶融処理した場合、耐火物の溶損侵熱量が実際には少ないことや産業廃棄物の焼却灰であるため灰の溶食が心配される。この塩基度改善用に、本溶融炉には塩基度改善用

生成溶融スラグは、客先設備のコンクリート二次製品工場でセメント、他数種と混合し型枠養生され製品とし、現在は拡販に向けた営業を展融熱が想定値よりも低かったことが主な原因として考えられる。

開中である。

3 設備の特長（4）塩基度改善用調整材料投入装置

砂投入装置が設置されており、客先での定期的な焼却灰分析結果により、砂投入量を調整する運転がなされている。

表 2 灰溶融炉の運転仕様
Table2 Operating condition of melting furnace（1）
灰溶融炉設備

4 試運転、商業運転概要
本システムの試運転結果を以下に示す。

5 おわりに以上、述べたようにスラグバス式酸素燃焼溶融炉は、燃料原単位が低く経済的であることや、炉の特長から安定運転が可能であることな
ど、産業廃棄物焼却灰の溶融処理用として非常に適している。一方、産業廃棄物焼却灰は硫黄分や塩素分が非常に多く、中和用の消石
灰由来のCaOも多く含まれ高塩基度になる。このため耐火物の侵食、溶損や排ガスダクト部の閉塞等、問題点も多くある。今回納入した設備の運転実績や今後発生する問題点に対する対策を貴重な改善の糧とし、より完成度の高い優れた設備にしていきたいと考えている。

今回のスラグバス式酸素燃焼溶融炉は従来よりガラス溶解炉で使われている炉形式であるが、焼却灰の溶融炉として使用されたのは、月

4.1 溶融スラグ分析結果

島機械が納入した諏訪湖流域豊田終末処理場殿向けが初めてで、今生成溶融スラグの溶出量分析結果は、日本工業規格で定められた回が２号機目となる。この方式は、酸素バーナ火炎及び炉内耐火物全溶融スラグ骨材を有効利用する際の有害物質の溶出基準値に対し面からの輻射熱で焼却灰へ熱を与えるため、直接バーナ火炎で焼却灰て、全て溶出量基準値を満足する結果が得られた。

を加熱する必要はなく、灰の飛散が起こらないため溶融灰付着による耐火物の劣化が少ないことと、炉内に大きな溶融槽を有しているため、長い滞留時間を得られることが大きな特長である。

本溶融設備は、長年ガラス溶解炉の設計及び運転技術に携わってこられた神谷牧夫様、他関係者の方々の協力により完成に至りました。
関係者の皆様に深く感謝致します。

4.2 溶融排ガス分析結果
また他社の空気燃焼バーナを使用した溶融炉に比べ、（図 5）の通り

溶融排ガス分析値の結果は、排ガス中のCO 値は非常に低くなってまた溶融スラグは溶融槽からのオーバーフローにより排出されるため、

燃料原単位
（灰１
トンを溶融させるのに必要な燃料入熱量）
は概ね１／４とおり、またNOx 値も酸素燃焼効果により高温燃焼であるが低濃度の良スラグ液面高さがほぼ安定しており、この界面部分にのみ高耐食性特なっている。また本酸素バーナは、客先製造の再生油を使用しているた

好な結果が得られた。またその他の規制有害排ガスについても全て環殊煉瓦を使用することで炉の溶損耐力を高めることができる。

め、運転燃料経費は灯油使用に比べかなり安価となっている。

境規制値を大幅に下回る良好な結果が得られた。

44 TSK 技報 2010 no.14

6 謝辞

TSK 技報 2010 no.14

45

コーヒーブレイク

会社概要
名称

前号の砂糖に引き続き、月島機械とかかわりの深い身の回りの結晶 塩 に焦点を当ててみました。少なからず月島機械の装置が納入されており、製法

月島機械株式会社 （TSUKISHIMA KIKAI CO.,LTD.）

資本金

６６億４６８０万円

取締役社長 山田 和彦

従業員数

614（グループ2,205名）名（平成22年3月末現在）

創業

売上高

単独：390億円 連結：676億円（平成22年3月期）

明治３８年８月の転換や専売の廃止などを経て必須食品、化学品として扱われています。

事業所

１ はじめに３ 塩の規格と需要

塩は太古の時代から空気や水とともに、人類が生きていくために欠塩は1997 年に塩専売制度が廃止され、2002 年に完全に自由化

かせない大切な物質であります。生きるために欠かせない塩をつくされました。それを契機に特殊製法塩や輸入塩を扱う業者は急増

る製塩の歴史は、人類の歴史とともに始まったともいえます。

しました。一方、国内の需要は停滞していますが、需要の大半はソー

海外では、内陸の岩塩や塩湖などを利用したり、高温乾燥の地域

ダ工業用です。これは塩を原料としてイオン交換膜電解法で苛性

では、海水から直接塩の結晶を得る天日製塩が行われています。

ソーダと塩素を製造することやソーダ灰を製造して各化学業界の一方、日本では、岩塩や塩湖が無いために、昔から海水を原料とし基礎原料として使用されています。
（図 2）た塩づくりが行われてきました。

２ 塩の性質と製法

4 月島機械とのかかわり

塩の性質を表 1に示します。塩の結晶の基本的な形は正六面体（サ

現在、旧来の製法をとる製塩会社は4 社あります。そこには月島機イコロ形）
で、成長する時の条件の違いよってさまざまな形に変化

械の分離機、乾燥機やサイロなどの単体機器が納入され稼動していします。塩の結晶は、ナトリウムと塩素が結びついており、その構ます。今後大きな市場拡大や増産は望めませんが、世の中に必要な造は、ナトリウムイオンと塩素（塩化物）
イオンが、それぞれ互い違

化学品を供給する設備に携わっていることは知っておいて下さい。

本社〒104-0051 東京都中央区佃2-17-15
TEL.03-5560-6511 FAX.03-5560-6591

市川事業所（工場）〒272-0127 千葉県市川市塩浜1-12
TEL.047-397-6111 FAX.047-397-3354

東京支社〒104-0051 東京都中央区佃2-17-15
TEL.03-5560-6541 FAX.03-5560-6593（研究所）〒272-0127 千葉県市川市塩浜1-12
TEL.047-359-1651 FAX.047-359-1661

大阪支社〒541-0045 大阪市中央区道修町2-6-6（塩野日生ビル）TEL.06-6229-1331 FAX.06-6229-1415（環境プロセス
開発センター）〒272-0011 千葉県市川市高谷新町6-4
TEL.047-328-8761 FAX.047-328-8789

札幌支店〒060-0807 札幌市北区北七条西1-1-2（SE山京ビル）TEL.011-726-0510 FAX.011-726-0520

仙台支店〒980-0014 仙台市青葉区本町1-11-2（SK小田急ビル）
TEL.022-227-9267 FAX.022-223-0316

横浜支店〒231-0015 横浜市中区尾上町4-47（リスト関内ビル）
TEL.045-651-7331 FAX.045-664-5086

名古屋支店〒045-0003 名古屋市中村区名駅南1-17-29（広小路ESビル）
TEL.052-581-2378 FAX.052-581-1624

広島支店〒730-0015 広島市中区橋本町10-10（広島インテス）
TEL.082-227-3093 FAX.082-223-8771

福岡支店〒810-0062 福岡市中央区荒戸2-1-5（大濠公園ビル）TEL.092-741-5736 FAX.092-761-4806

沖縄営業所〒901-2131 沖縄県浦添市牧港1-5-12
TEL.098-874-5793 FAX.098-874-5793

いに規則正しく並んだ状態になっています。

〈海外〉
TSKジャカルタ駐在員事務所
Tsukishima Kikai Co.,Ltd.Jakarta Representative Oﬃce
Sequis Plaza 22nd Fl.Suite 2203 JI. Jend. Sudirman Kav. 25 Jakaruta Selatan
12920
TEL: +62-21-526-7732/7734 FAX: ＋62-21-526-7790
TSKハノイ駐在員事務所
Tsukishima Kikai Co.,Ltd.Hanoi Representative Oﬃce(THO)
Unit 202,V-Tower, 649 Kim Ma Street,Ba Dinh District,Hanoi
TEL: ＋84-4-7669965,7,8 FAX: ＋84-4-7669969
TSKムンバイ駐在員事務所
Tsukishima Kikai Co.,Ltd.Mumbai Liaison Oﬃce
8,Krishna Kunj 1st ﬂoor above HDFC Bank Near Fly over Bhayandar(W)Thane-401 104
TEL: ＋91-22-2815-2784 FAX: ＋91-22-2815-2785※2
現在の製塩法は、海水を原料とし、「採かん※1」
と
「せんごう
（煎熬）
」

連結会社及び主な関連会社という二つの工程を必要とすることでは、旧来の方法と変わりません。現在の製塩方法例を図 1 に示します。
※１「採かん」 ： 海水から濃い塩水
（かん水）
を得る工程

※月島テクノメンテサービス（株） 〒104-0052 東京都中央区月島4-8-14
TEL.03-3533-6271 FAX.03-3533-2588※２「せんごう」：かん水を煮つめて塩の結晶を得る工程※月島テクノマシナリー（株）〒272-0127 千葉県市川市塩浜1-12
TEL.047-397-6111 FAX.047-397-3354

月島テクノソリューション
（株）〒272-0127 千葉県市川市塩浜1-12（市川事業所）
TEL.047-701-0221 FAX.047-397-6201

表1 塩の性質1）

図1

現在の製塩方法例1）、3）※月島環境エンジニアリング（株） 〒104-0033 東京都中央区新川2-12-15（パトライトビル）
TEL.03-6386-3964 FAX.03-3537-8764※サンエコサーマル（株）〒322-0017 栃木県鹿沼市下石川737-55
TEL.0289-72-0371 FAX.0289-72-0381※寒川ウォーターサービス（株）〒253-0106 神奈川県高座郡寒川町宮山4058-6（事業所）
TEL.0467-72-0862 FAX.0467-72-0863〈海外関連会社〉
月島エンジニアリングシンガポール（株）
TSUKISHIMA ENGINEERING SINGAPORE PTE. LTD. ≪TES≫
月島エンジニアリングマレーシア（株）
TSUKISHIMA ENGINEERING MALAYSIA SDN. BHD. ≪TEM≫
SUITE16, 04-05, 16th Floor, Wisma Mca,
163 Jalan Ampang, 50450 Kuala Lumpur, Malaysia
TEL. +60-3-2162-8679 FAX. +60-3-2162-8377
TSKエンジニアリングタイランド（株）
TSK ENGINEERING (THAILAND) CO., LTD. ≪TET≫
United Center Building 14th Floor, Room1404,
323 Silom Road, Bangrak, Bangkok 10500, Thailand
TEL. +66-2-231-1726〜30 FAX. +66-2-231-1731
TSKエンジニアリング台湾（株）
TSK ENGINEERING TAIWAN CO., LTD. ≪TETA≫
6th Floor, No.24, Min Sheng, W.Road, Taipei, Taiwan R.O.C.
TEL. +886-2-2523-6975〜6 FAX. +886-2-2521-1429※連結子会社

図2 わが国の塩の需要と用途2）

編集後記

Editor's Note
TSK技報 NO.14 2010
年2回（4月・10月）発刊
問い合わせ先：giho@tsk-g.co.jp

佐藤 正則

http://www.jti.co.jp/Culture/museum/sio/index.html（2010 年 7月現在）

2）財務省

平成 21 年度塩需給実績より

3）塩の事典東京堂出版（平成 21 年）

発行：月島機械株式会社 技報編集委員会
総 責 任 者：西田 克範

2010年は国内で記録的な猛暑が続き気候変動、温暖化など自然への敬畏を改めて知らされる年となりました。化石編集委員長：佐藤 正則

燃料や自然エネルギーを効率よく利用し、地球環境への貢献で持続的社会の形成、発展に繋げることを技術者の編 集 委 員：高橋 正純

使命として技術の開発、改良、改善に努めたいと思います。
その知識、情報の一端を本技報が担えれば幸いです。

参考文献
1）たばこと塩の博物館

編集委員長

荒井

健

佐藤 教子

加藤 善二

佐藤

剛

近藤 洋正

石井

究

高尾 ひろ子10102000GMW

46 TSK 技報 2010 no.14

TSK 技報 2010 no.14

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