特開 2024-113451 発酵装置及びメタンガス製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024113451

(43)【公開日】2024-08-22

(54)【発明の名称】発酵装置及びメタンガス製造方法

(51)【国際特許分類】

   C12M 1/00 20060101AFI20240815BHJP

   C12M 1/33 20060101ALI20240815BHJP

   C12P 5/02 20060101ALI20240815BHJP

【ＦＩ】

C12M1/00 C

C12M1/33

C12P5/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023018443

(22)【出願日】2023-02-09

(71)【出願人】

【識別番号】000163095

【氏名又は名称】極東開発工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100100480

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 隆

(72)【発明者】

【氏名】新居 健次郎

(72)【発明者】

【氏名】畠中 幸彦

(72)【発明者】

【氏名】深川 孝博

(72)【発明者】

【氏名】坂手 貴志

【テーマコード（参考）】

4B029

4B064

【Ｆターム（参考）】

4B029AA02

4B029AA03

4B029AA08

4B029BB02

4B029GA08

4B029GB10

4B064AB03

4B064CA01

4B064CA50

4B064CC21

4B064DA16

4B064DA20

(57)【要約】

【課題】発酵原料を効率よく温調することができる発酵装置を提供することを課題とする。
【解決手段】発酵槽２を有し、当該発酵槽２内で発酵原料を発酵させる発酵装置であり、発酵槽２の外部に破砕装置２０と加温装置２２を有し、発酵槽２から抜き出された発酵原料を破砕装置２０で破砕し、破砕後の発酵原料を加温装置２２に送り出して加温した後、発酵槽２に戻すことが可能である発酵装置。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

発酵槽を有し、当該発酵槽内で発酵原料を発酵させる発酵装置において、
前記発酵槽の外部に破砕装置と加温装置を有し、前記発酵槽から抜き出された前記発酵原料を前記破砕装置で破砕し、破砕後の前記発酵原料を前記加温装置に送り出して加温した後、前記発酵槽に戻すことが可能であることを特徴とする発酵装置。

【請求項2】

前記発酵槽と前記破砕装置の間を接続する発酵槽・破砕装置間配管と、前記破砕装置と前記加温装置の間を接続する破砕装置・加温装置間配管と、前記加温装置と前記発酵槽の間を接続する加温装置・発酵槽間配管を有することを特徴とする請求項１に記載の発酵装置。

【請求項3】

新規の発酵原料を前記破砕装置で破砕して破砕後の前記発酵原料を前記加温装置に送り出すことも可能であることを特徴とする請求項１に記載の発酵装置。

【請求項4】

発酵槽内で発酵原料を発酵させてメタンガスを製造するメタンガスの製造方法において、
前記発酵槽から発酵原料を抜き出して破砕装置で破砕し、破砕後の前記発酵原料を加温装置で昇温して前記発酵槽に戻すことによって発酵槽内の発酵原料の温度を調節し、メタンガスを発生させることを特徴とするメタンガス製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、藁や家畜の糞尿、或いは生ごみ等を発酵原料とする発酵装置及びメタンガス製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

藁や家畜の糞尿、或いは生ごみ等を有効利用する方策の一つとして、嫌気性消化法（メタンガス発酵）によってメタンガスを発生させ、当該メタンガスを収集して利用することが提案されている。
即ち藁や家畜の糞尿等を原料として嫌気性菌により発酵させ、メタンガスを発生させて発電等に供する。

【0003】

藁や家畜の糞尿等を効率的に発酵させるには、発酵槽内の発酵原料を嫌気性菌の生育に適する温度に保つことが必要である。
発酵槽内の温度を至適温度に保つ方策として、発酵槽の内壁に温調配管を張り巡らせ、当該温調配管に温水を流すことによって発酵原料を加温する方策が知られている。

【0004】

しかしながら、前記した内面に温調配管が張り巡らされた構造の発酵槽は、温調効率が悪いという問題があった。
即ち、発酵原料は、藁や土砂等の固形物が含まれている。これに対して前記した構造の発酵槽は、内壁に配管が敷設されているため、発酵槽の内面に段があり、当該段に固形物が挟まって温調配管の周囲を覆ってしまう。その結果、温調配管と発酵原料との接触が固形物によって阻害され、発酵原料の加温が円滑に行われない。
そのため厳寒期に発酵槽の温度を目標温度に保持できない場合があった。
またこの構造の発酵装置は、加温部が発酵槽内にあるため、メンテナンスは発酵槽の運転を停止して行わねばならず、発酵装置を長期間に渡って停止しなければならないという問題もある。

【0005】

この問題を解決することができる発酵装置として、発酵槽の外部に加温装置を設け、発酵槽内の発酵原料を抜き出して加温装置で昇温し、昇温後の発酵原料を発酵槽に戻すことによって発酵原料を温調する構造の発酵装置がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０２１－１８６７４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、発酵槽内の発酵原料を抜き出して加温装置で昇温する構造の発酵装置は、発酵原料が加温装置に詰まってしまうという問題があった。
本発明は、上記した問題に注目し、発酵原料の詰まりを抑制し、発酵原料を効率よく温調することができる発酵装置を提供することを課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記した課題を解決するための態様は、発酵槽を有し、当該発酵槽内で発酵原料を発酵させる発酵装置において、前記発酵槽の外部に破砕装置と加温装置を有し、前記発酵槽から抜き出された前記発酵原料を前記破砕装置で破砕し、破砕後の前記発酵原料を前記加温装置に送り出して加温した後、前記発酵槽に戻すことが可能であることを特徴とする発酵装置である。

【0009】

本態様の発酵装置は、破砕装置を有し、発酵槽から抜き出された発酵原料を破砕装置で破砕し、破砕後の前記発酵原料を加温装置に送り出して加温する。そのため加温装置に送られる発酵原料は細かく破砕されており、加温装置に発酵原料が詰まりにくい。

【0010】

上記した態様において、前記発酵槽と前記破砕装置の間を接続する発酵槽・破砕装置間配管と、前記破砕装置と前記加温装置の間を接続する破砕装置・加温装置間配管と、前記加温装置と前記発酵槽の間を接続する加温装置・発酵槽間配管を有することが望ましい。

【0011】

上記した態様において、新規の発酵原料を前記破砕装置で破砕して破砕後の前記発酵原料を前記加温装置に送り出すことも可能であることが望ましい。

【0012】

本態様によると、新規の発酵原料の破砕と、加温装置に供給する発酵原料の破砕を共通の破砕装置で行うことができる。

【0013】

メタンガスの製造方法に関する態様は、発酵槽内で発酵原料を発酵させてメタンガスを製造するメタンガスの製造方法において、前記発酵槽から発酵原料を抜き出して破砕装置で破砕し、破砕後の前記発酵原料を加温装置で昇温して前記発酵槽に戻すことによって発酵槽内の発酵原料の温度を調節し、メタンガスを発生させることを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明の発酵装置は、発酵原料が加温装置に詰まりにくく、安定した施設運転が可能である。また本発明によると、発酵原料を嫌気性菌の生育に適する温度に保つことができ、メタンガスを効率よく発生させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施形態の発酵装置の系統図である。

【図2】本発明の他の実施形態の発酵装置の系統図である。

【図3】本発明のさらに他の実施形態の発酵装置の系統図である。

【図4】本発明のさらに他の実施形態の発酵装置の系統図である。

【図5】図１乃図４の発酵装置で使用する加温装置であり、（ａ）は、その外観図であり、（ｂ）は、その内部構造を示す概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態の発酵装置１は、藁や家畜の糞尿等の畜産系の有機物を発酵原料とする畜産系バイオガスプラントである。即ち畜産系の有機物を発酵原料とし、これを破砕して発酵槽２に投入し、メタン発酵させてメタンガスを得るものである。
本実施形態の発酵装置１は、図１の様に、発酵槽２と、発酵原料供給部３と、残差処理部５に区分することができる。また本実施形態の発酵装置１は、発酵槽２内の発酵原料を抜き出して加温装置２２で昇温し、昇温後の発酵原料を発酵槽２に戻す温調流路１０を備えている。

【0017】

以下、各部について説明する。
発酵槽２は、密閉タンクである。発酵槽２の内部には、公知のそれと同様に、図示しない攪拌装置があり、内部の発酵原料が沈殿しないように攪拌される。また発酵槽２の内部には、公知のそれと同様に、液面計、温度センサー、圧力センサー等（いずれも図示せず）が取り付けられている。

【0018】

発酵槽２は、内部に草本系のバイオマスや、畜産系のバイオマスが投入され、嫌気性菌の作用によってメタン発酵させ、メタンガスを発生させるものである（嫌気性消化法）。
また発酵の副産物として、消化液ができる。発酵槽２には図示しないガス排出口があり、メタンガスが当該ガス排出口から取り出される。

【0019】

次に発酵原料供給部３について説明する。発酵原料供給部３は、発酵槽２に発酵原料を供給する機能を果たす領域である。
発酵原料供給部３は、大きく草本系のバイオマスを発酵槽２に供給する草本系ルート１１と、家畜の糞尿等の畜産系のバイオマスを発酵槽２に供給する畜産系ルート１２に分かれている。
草本系ルート１１は、破砕装置２０と、ポンプ２１と、加温装置２２が直列的に接続されて発酵槽２に至る流路である。

【0020】

破砕装置２０の構造は限定されるものではないが、本実施形態では湿式破砕装置が採用されている。湿式破砕装置を採用する場合についても、形式や刃の構造等を限定するものではないが、本実施形態では、チャンバー内に回転刃が設けられたものが採用されている。
ポンプ２１はスラリーポンプであり、スラリー状の発酵原料を加温装置２２に送り込むものである。

【0021】

加温装置２２は、温水とスラリー状の発酵原料を熱交換する熱交換器である。
本実施形態では、加温装置２２として、図５の様なスパイラル式熱交換器が採用されている。
スパイラル式の熱交換器は、渦巻き状のスラッジ流路３０と温水流路３１を持ち、両者が入れ子状に配されたものである。
熱交換器の種類は限定されるものではなく、プレート式熱交換器や、多管式熱交換器、フィン式熱交換器等の公知の熱交換器を使用することができる。

【0022】

加温装置２２のスラッジ流路３０は、加温装置２２の正面側に原料導入口３２があり、周面に原料排出口３３がある。温水流路３１は、加温装置２２の周面に温水導入口３５があり、裏面側に温水排出口３６がある。
スラッジ流路３０と温水流路３１は隣接しており、流体は対向する方向に流れる。
発酵装置１は図示しない温水器を有し、温水器が加温装置２２の温水導入口３５と温水排出口３６に接続されており、温水が温水流路３１と温水器の間で循環する。
発酵原料がスラッジ流路３０を通過する間に、隣接する温水流路３１を通過する温水の熱が発酵原料に移動し、発酵原料が昇温される。

【0023】

畜産系ルート１２は、原料槽４０と、ポンプ４１によって構成されている。原料槽４０は、家畜の糞尿を一時的に貯めおく大型の槽であり、プールの様な上部が開口した槽である。
畜産系ルート１２では、原料槽４０に貯め置かれた糞尿が、ポンプ４１によって吸引され、発酵槽２に送られる。

【0024】

本実施形態の発酵装置１は、藁や家畜の糞尿等を発酵原料とし、これを破砕して発酵槽２に投入し、メタン発酵させてメタンガスを得るものである。また副産物として、消化液ができる。
残差処理部５は、発酵槽２内の消化液や残差を取り出して有効利用する領域である。

【0025】

残差処理部５は、ポンプ５０、５１と、固液分離装置５２を有している。ポンプ５０によって発酵槽２から消化液と残差を抜き取り、その一部を固液分離装置５２に送って固形分と液体に分離する。
固形分は、固液分離装置５２で分離されて別途取り出され、乾燥させて再生敷料として利用される。
液体は、液肥として活用される。

【0026】

次に本発明の特徴的構成たる温調流路１０について説明する。
温調流路１０は、前記した様に発酵槽２内の発酵原料を抜き出して加温装置２２で昇温し、昇温後の発酵原料を発酵槽２に戻す流路である。
温調流路１０は、発酵槽２の消化液の液面以下の部位に設けられた取り出し口４２と、発酵原料供給部３の草本系ルート１１の破砕装置２０を繋ぐ発酵槽・破砕装置間配管４３と、破砕装置２０と加温装置２２の間を接続する破砕装置・加温装置間配管４５と、加温装置２２と発酵槽２の間を接続する加温装置・発酵槽間配管４６を有している。本実施形態では、破砕装置・加温装置間配管４５の中途にポンプ２１が介在されている。
温調流路１０は、発酵槽２から抜き出された発酵原料を破砕装置２０で破砕し、破砕後の発酵原料を加温装置２２に送り出して加温した後、発酵槽２に戻す流路である。

【0027】

次に、発酵装置１における、発酵原料等の流れを説明する。
本実施形態の発酵装置１は、草本系のバイオマスと畜産系のバイオマスを発酵原料として、発酵槽２内でメタンガス発酵させて、メタンガスを得るものである。
原料となる草本系のバイオマスは例えば米作農家から提供され、トラックで運搬されて、草本系ルート１１の破砕装置２０に投入される。
畜産系のバイオマスは、例えば畜産農家から提供され、バキュームカーで運搬されて、畜産系ルート１２の原料槽４０に集められる。

【0028】

草本系のバイオマスは破砕装置２０で破砕され、水と混合されてポンプ２１で吸引され、加温装置２２を経由して発酵槽２内に投入される。
畜産系のバイオマスはポンプ４１によって原料槽４０から吸引され、発酵槽２内に輸送される。

【0029】

またこれらの作業と平行して、或いは草本系のバイオマスが新たに投入されていない時間帯に、発酵槽２内の消化液等の発酵原料が温調流路１０に導入されて加温装置２２で加熱され、発酵槽２に戻される。
ここで本実施形態では、加温装置２２に供給される発酵原料は、常に破砕装置２０を通過するので、当該破砕装置２０で細かく砕かれており、加温装置２２の中で詰まりにくい。
そのため、長期に渡って安定して発酵装置１を運転することができる。
また発酵槽２内の発酵原料が外部で温められ、発酵槽２内の発酵原料の温度が発酵に適した温度に保たれる。そのため発酵槽２の発酵原料は効率よく発酵が進み、メタンガスが製造される。

【0030】

以上説明した発酵装置１では、温調流路１０の大部分が発酵原料供給部３の草本系ルート１１と共通する配管系統となっている。発酵装置１では、発酵槽２から抜き出された発酵原料を破砕装置２０で破砕し、破砕後の発酵原料を加温装置２２に送り出して加温した後、発酵槽２に戻すことが可能であり、新規の発酵原料を破砕装置２０で破砕して破砕後の発酵原料を加温装置２２に送り出すことも可能である。

【0031】

この構成は、部品の共有化により部品点数を少なくすることができる点で推奨される。
しかしながら本発明は、この構成に限定されるものではなく、図２に示す発酵装置６０の様に、温調流路１０を畜産系ルート１２に設けてもよい。また図３に示す発酵装置６１の様に、草本系のバイオマスと畜産系のバイオマスの双方を温調流路１０に搬入し、温調流路１０を経由して発酵槽２に発酵原料を供給してもよい。逆に草本系ルート１１と畜産系ルート１２のそれぞれに温調流路１０を設けてもよい。

【0032】

畜産系バイオマスは、主として家畜の糞尿であるが、敷き藁等の草が混ざっていることもある。逆に草本系バイオマスにおいても草に糞が混ざっていることがある。図２に示す発酵装置６０や図３に示す発酵装置６１によると、畜産系バイオマスと草本系バイオマスの双方が破砕されるので、配管詰まりが起きてしまうことを抑制できる。
なお図３に示す発酵装置６１は、共通の破砕装置２０で畜産系バイオマスと草本系バイオマスの双方を破砕するので、部品点数が少ない。

【0033】

また図４に示す発酵装置７０の様に、独立した温調流路７１を有するものであってもよい。
発酵装置７０の温調流路７１についても、発酵槽２内の発酵原料を抜き出して加温装置２２で昇温し、昇温後の発酵原料を発酵槽２に戻す流路である。
温調流路７１は、発酵槽２の消化液の液面以下の部位に設けられた取り出し口４２と破砕装置７２を繋ぐ発酵槽・破砕装置間配管４３と、破砕装置７２と加温装置２２の間を接続する破砕装置・加温装置間配管４５と、加温装置２２と発酵槽２の間を接続する加温装置・発酵槽間配管４６を有している。本実施形態では、発酵槽・破砕装置間配管４３の中途にポンプ２１が介在されている。

【0034】

以上説明した発酵装置１、７０の配管系統は、理解を容易にするために簡略化されたものであり、現実には各部に開閉弁や流路調整弁が設けられている。
例えば、発酵槽２と各機器との間には開閉弁が設けられている。また破砕装置２０、ポンプ２１、４１、５０、５１の前後には開閉弁が設けられていることが望ましい。また加温装置２２のスラッジ流路３０の前後や、温水流路３１にも開閉弁が設けられていることが望ましい。

【0035】

さらに加温装置２２のスラッジ流路３０の上流側や、温水流路３１に流路調整弁があることが望ましい。加温装置２２のスラッジ流路３０の上流側や、温水流路３１に流路調整弁を設けることによって、加温装置２２で加熱される熱量を制御することができる。
例えば、発酵槽２内の発酵原料の温度を監視し、この温度が適正温度となる様に、温水の量や、加温装置２２に供給される発酵原料の量を増減することができる。
温調流路１０、７１内のポンプ２１を制御して加温装置２２に供給される発酵原料の量を増減し、発酵槽２内の発酵原料の温度を適正温度に維持してもよい。

【0036】

図１、図２の系統図は、上下関係を無視して記載しているので、図１ではポンプ２１が破砕装置・加温装置間配管４５の中途にある。
これは発酵槽２から抜き出された発酵原料が重力によって破砕装置２０に流れることを想定しているのであり、仮に破砕装置２０が高い位置にあるならば、発酵槽２と破砕装置２０を繋ぐ発酵槽・破砕装置間配管４３にもポンプが必要である。
図１、図２の系統図は、一例に過ぎず、必要に応じてポンプが設置される。

【符号の説明】

【0037】

１、６０、６１、７０ 発酵装置
２ 発酵槽
３ 発酵原料供給部
５ 残差処理部
６ 加温装置
１０、７１ 温調流路
２０、７２ 破砕装置
２２ 加温装置
４３ 発酵槽・破砕装置間配管
４５ 破砕装置・加温装置間配管
４６ 加温装置・発酵槽間配管

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】