特開 2024-136958 固形有機物の分解方法及び分解装置並びに該分解装置を用いた発電システム

(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】P2024136958

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】固形有機物の分解方法及び分解装置並びに該分解装置を用いた発電システム

(51)【国際特許分類】

   B09B 3/60 20220101AFI20240927BHJP

   B09B 3/35 20220101ALI20240927BHJP

   B09B 3/65 20220101ALI20240927BHJP

   C02F 11/02 20060101ALI20240927BHJP

   C02F 11/04 20060101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

B09B3/60

B09B3/35 ZAB

B09B3/65

C02F11/02

C02F11/04 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023048274

(22)【出願日】2023-03-24

(71)【出願人】

【識別番号】391037814

【氏名又は名称】株式会社東京エネシス

(74)【代理人】

【識別番号】110003340

【氏名又は名称】弁理士法人湧泉特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】石橋 康弘

(72)【発明者】

【氏名】木山 光広

(72)【発明者】

【氏名】西ノ園 浩治

【テーマコード（参考）】

4D004

4D059

【Ｆターム（参考）】

4D004AA02

4D004AA03

4D004AA12

4D004AC05

4D004BA03

4D004CA18

4D004CA19

4D004CA20

4D004CA22

4D004CA48

4D004CB31

4D004CC02

4D004CC07

4D004DA03

4D004DA06

4D059AA03

4D059AA07

4D059BA03

4D059BA12

4D059BA14

4D059BA21

4D059BA26

4D059BA56

4D059BK11

4D059CA07

4D059CA14

4D059EA06

4D059EB06

(57)【要約】

【課題】発電等のエネルギー資源としての固形有機物の分解速度ないしは分解効率を向上させる。
【解決手段】固形有機物分解装置３の分解槽１０に分解用液１９を溜め、固形有機物２を投入する。分解槽１０に設けられた粉砕機２０によって固形有機物２を粉砕する。有機物に対し酸化分解作用を有する酵素９２を生成する好気性微生物９１を分解槽１０に供給する。曝気手段３０によって、分解槽１０内の分解用液１９を曝気する。加熱手段４０によって、分解槽１０内の分解用液１９を所定温度になるよう加熱する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

固形有機物を分解する固形有機物分解方法であって、
分解用液を溜める分解槽内に固形有機物を投入する工程と、
前記分解槽に設けられた粉砕機によって前記固形有機物を粉砕する工程と、
有機物に対し酸化分解作用を有する酵素を生成する好気性微生物又は前記酵素を前記分解槽に供給する工程と、
前記分解槽内の分解用液を曝気する工程と、
前記分解槽内の分解用液を所定温度に加熱する工程と、
を備えた固形有機物分解方法。

【請求項2】

前記所定温度が、５０℃～８０℃であることを特徴とする請求項１に記載の固形有機物分解方法。

【請求項3】

固形有機物を分解する固形有機物分解装置であって、
分解用液が溜められるとともに、有機物に対し分解作用を有する酵素を生成する好気性微生物又は前記酵素、及び前記固形有機物が投入される分解槽と、
前記分解槽に設けられ、前記固形有機物を粉砕する粉砕機と、
前記分解槽内の分解用液に酸素を供給する曝気手段と、
前記分解槽内の分解用液を所定温度に加熱する加熱手段と、
を備えた固形有機物分解装置。

【請求項4】

前記分解槽からアンモニアを含むガスを排出するガス排出ラインが延びていることを特徴とする請求項３に記載の固形有機物分解装置。

【請求項5】

請求項３又は４に記載の固形有機物分解装置と、
有機物に対しメタン発酵作用を有する嫌気性微生物を含む培養液が溜められるとともに、前記固形有機物分解装置によって分解された有機物が供給されるメタン発酵槽と、
前記メタン発酵槽からのメタンを燃焼させて発電する発電機と、
を備えた発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、固形有機物を分解する方法及び装置並びに該装置を用いて発電するシステムに関し、特に、大サイズ高分子量の固形有機物を小サイズ化かつ低分子化する方法等に関する。

【背景技術】

【0002】

有機性廃棄物をメタン発酵させてメタンガスを生成する技術は公知である（特許文献１，２等参照）。これによって、有機性廃棄物を発電等のエネルギー資源として有効利用できる。特許文献１、２においては、有機性廃棄物を所定の好気性微生物が生成する酵素によって可溶化及び酸化させて分解したうえで、メタン発酵工程を行なっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１－０８３７６１号公報

【特許文献2】特許第５７４９８４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、処理対象物が大サイズで高分子量の固形有機物である場合、分解処理に時間がかかり、取り出せるエネルギー量が小さい。
本発明は、かかる事情に鑑み、発電等のエネルギー資源としての固形有機物の分解速度 ないしは分解効率を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

前記の課題を解決するため、本発明方法は、固形有機物を分解する固形有機物分解方法であって、
分解用液を溜める分解槽内に固形有機物を投入する工程と、
前記分解槽に設けられた粉砕機によって前記固形有機物を粉砕する工程と、
有機物に対し酸化分解作用を有する酵素を生成する好気性微生物又は前記酵素を前記分解槽に供給する工程と、
前記分解槽内の分解用液を曝気する工程と、
前記分解槽内の分解用液を所定温度に加熱する工程と、
を備えている。

【0006】

前記所定温度は、好ましくは５０℃～８０℃、より好ましくは６０℃～８０℃である。

【0007】

本発明装置は、固形有機物を分解する固形有機物分解装置であって、
分解用液が溜められるとともに、有機物に対し分解作用を有する酵素を生成する好気性微生物又は前記酵素、及び前記固形有機物が投入される分解槽と、
前記分解槽に設けられ、前記固形有機物を粉砕する粉砕機と、
前記分解槽内の分解用液に酸素を供給する曝気手段と、
前記分解槽内の分解用液を所定温度に加熱する加熱手段と、
を備えている。

【0008】

好ましくは、前記分解槽からアンモニアを含むガスを排出するガス排出ラインが延びている。

【0009】

本発明に係る発電システムは、前記の固形有機物分解装置と、
有機物に対しメタン発酵作用を有する嫌気性微生物を含む培養液が溜められるとともに、前記固形有機物分解装置によって分解された有機物が供給されるメタン発酵槽と、
前記メタン発酵槽からのメタンを燃焼させて発電する発電機と、
を備えている。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、固形有機物の分解速度ないしは分解効率を向上させることができ、固形有機物を発電等のエネルギー資源として有効利用できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係る発電システムの概要を示す構成図である。

【図2】図２は、前記発電システムにおける固形有機物分解装置の正面断面図である。

【図3】図３は、前記固形有機物分解装置を、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿って示す平面断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の一実施形態を図面にしたがって説明する。
図１に示すように、発電システム１は、固形有機物２を燃料源として発電するものであり、固形有機物分解装置３と、メタン発酵槽４と、メタン精製塔５と、ガスエンジン発電機６（発電機）とを備えている。固形有機物分解装置３において、固形有機物２が分解されて低分子化される。メタン発酵槽４には、有機物に対しメタン発酵作用を有する嫌気性微生物を含む培養液が溜められている。メタン発酵槽４にメタン精製塔５を介してガスエンジン発電機６が接続されている。

【0013】

前記固形有機物２としては、例えば木屑、コーヒー滓、茶殻、焼酎カス、果実絞り滓、糖蜜、排水処理汚泥、下水汚泥等のバイオマス廃棄物が挙げられる。

【0014】

図２及び図３に示すように、固形有機物分解装置３は、分解槽１０と、粉砕機２０と、曝気手段３０と、加熱手段４０とを備えている。分解槽１０は、周壁１１と、底部１２と、上蓋部１３とを有している。周壁１１には点検口１１ｂが設けられている。周壁１１の下側部には、抜出口１１ｃが設けられている。抜出口１１ｃが底部１２に設けられていてもよい。抜出口１１ｃから移送管７が延びてメタン発酵槽４に接続されている。
上蓋部１３には、開閉可能な投入口１３ａが設けられている。

【0015】

分解槽１０の外面は断熱材１４にて覆われている。断熱材１４によって、分解槽１０内が保温されている。図２においては、断熱材１４は、周壁１１にだけ設けられているが、底部１２及び上蓋部１３にも断熱材１４を設けてもよい。

【0016】

図２に示すように、分解槽１０には、分解用液１９が溜められている。分解用液１９は、所定の好気性微生物９１の培養液１９ａと、固形有機物２の分散媒１９ｂとの混合液である。したがって、分解用液１９には、好気性微生物９１と、固形有機物２とが含まれている。

【0017】

培養液１９ａは、好気性微生物９１のための栄養成分を含む。好気性微生物９１としては、前掲特許文献１、２に開示された好気性微生物を用いることができる。当該好気性微生物９１は、有機物に対し分解作用を有する所定の酵素９２を生成する。特に５０℃～８０℃、より好ましくは６０℃～８０℃の高温環境において、酵素９２の生成活動が活発になる。酵素９２としては、プロテアーゼが挙げられる。なお、図２において、好気性微生物９１及び酵素９２の大きさは、誇張されている。

【0018】

分散媒１９ｂとしては、経済性等の観点から好ましくは水が用いられる。分解槽１０へ投入前の固形有機物２が分散媒１９ｂ中に分散されることによって、懸濁液１９ｃが形成される。

【0019】

分解槽１０には、固形有機物２を粉砕（物理的に分解）するための粉砕機２０が設けられている。粉砕機２０は、巻き上げスクリュー２１と、粉砕ドラム２２を含む。巻き上げスクリュー２１の主軸２１ｃが、鉛直に向けられて分解槽１０の中央部に配置されている。主軸２１ｃの両端部が、上蓋部１３及び底部１２に回転可能に支持されている。主軸２１ｃの一端部（図２においては下端部）に駆動モータ２４が接続されている。主軸２１ｃの外周に螺旋羽根状のスクリュー部２３が設けられている。最下端の約半周のスクリュー部２３ｂは、それを除くスクリュー部２３ａより大径になっている。

【0020】

巻き上げスクリュー２１の下端部に片持ち棒状の攪拌アーム２５が支持されている。攪拌アーム２５は、巻き上げスクリュー２１から分解槽１０の底部１２に沿って周壁１１へ向けて、緩やかに下へ傾くように延びている。攪拌アーム２５の先端部は、周壁１１の内面と近接している。

【0021】

巻き上げスクリュー２１は粉砕ドラム２２で囲まれている。粉砕ドラム２２は、両端が開放された円筒形状に形成されている。該粉砕ドラム２２が、主軸２１ｃと同軸をなすように鉛直に向けられて、分解槽１０の中央部に配置されるとともに、上蓋部１３から垂下された吊支柱２６によって吊支持されている。粉砕ドラム２２の下端縁には、鋸歯部２２ｂが設けられている。

【0022】

粉砕ドラム２２の内部にスクリュー部２１ａが収容されている。下端スクリュー部２３ｂは、粉砕ドラム２２より大径に形成されて、粉砕ドラム２２よりも下側に配置されている。

【0023】

粉砕ドラム２２の周壁には多数（複数）の粉砕孔２２ｃが形成されている。粉砕孔２２ｃは、粉砕ドラム２２の周方向及び軸方向に対して斜めに延びる長孔状に形成されている。粉砕孔２２ｃの長手方向は、スクリュー部２３の螺旋傾斜方向と交差する向きに向けられている。粉砕孔２２ｃの幅は、下から上へ向かって狭まっている。

【0024】

図２及び図３に示すように、分解槽１０には、分解用液１９を曝気する曝気手段３０が接続されている。曝気手段３０は、エアーポンプ３１と、曝気管３２を含む。分解槽１０の外部にエアーポンプ３１が設置されている。曝気管３２は、供給管路３３と、曝気管路３４を含む。供給管路３３がエアーポンプ３１から分解槽１０内へ延びている。分解槽１０内には、底部１２の上面に沿って曝気管路３４が配管されている。曝気管路３４は、小回りの環状路３４ａと、大回りの環状路３４ｂとを含む二重環状に形成されている。環状路３４ａは、粉砕ドラム２２より大径であり、平面投影視で粉砕ドラム２２を囲んでいる。なお、曝気管路３４が、単環状でもよく、三重以上の多重環状であってもよい。曝気管路３４には、多数（複数）の孔状の曝気ノズル３５が、互いに曝気管路３４の延び方向に離れて設けられている。

【0025】

図２及び図３に示すように、分解槽１０には、分解用液１９を加熱する加熱手段４０が接続されている。加熱手段４０は、温水ボイラー４１と、温水管４２を含む。分解槽１０の外部に温水ボイラー４１が設置されている。温水管４２は、熱交換管路４３と、往管路４４及び還管路４５を含む。往管路４４が、温水ボイラー４１の温水吐出ポート４１ａから分解槽１０内へ延びている。分解槽１０内に熱交換管路４３が配管されている。熱交換管路４３の上流端に往管路４４が連なっている。熱交換管路４３は、粉砕ドラム２２を囲む螺旋状に形成されている。上蓋部１３から垂下された吊支持棒４６によって、熱交換管路４３が吊支持されている。好ましくは、熱交換管路４３の螺旋径は、小回りの環状路３４ａより大径、かつ大回りの環状路３４ｂより小径である。平面投影視で、２つの環状路３４ａ，３４ｂの間に熱交換管路４３が配置されている。熱交換管路４３の下流端に還管路４５が連なっている。還管路４５は、分解槽１０から引き出されて温水ボイラー４１の戻りポート４１ｂに接続されている。還管路４５にバルブ４７が設けられている。

【0026】

さらに、分解槽１０には、分解用液１９の温度を検知する温度センサ４９が設けられている。温度センサ４９の検知信号に基づいて、温水ボイラー４１の出力（温水の温度、流量等）がフィードバック制御される。
温水ボイラー４１と分解槽１０との間に温水タンクを設け、温水ボイラー４１によって加温された温水を温水タンクに溜め、該温水タンクと分解槽１０を温水管４２で接続してもよい。

【0027】

分解槽１０からガス排出ライン５０が引き出されている。ガス排出ライン５０には、排出ガス処理部としてアンモニア処理部５１が設けられている。

【0028】

発電システム１は、次のように使用ないしは作動される。
＜固形有機物分解工程＞
図１に示すように、処理対象の固形有機物２は、好ましくは前処理部８において、予め圧潰したり割断したりして、ある程度小サイズ化しておく。更に好ましくは、水等の分散媒１９ｂと混ぜて懸濁液１９ｃとする（前処理工程）。
図２の二点鎖線にて示すように、分解槽１０の投入口１３ａを開けて、固形有機物２を含む懸濁液１９ｃを分解槽１０内に投入する（投入工程）。
前記前処理部８で小サイズ化した固形有機物２を分散媒１９ｂと混ぜることなく、分解槽１０内の分解用液１９に投入してもよい。

【0029】

また、好気性微生物９１を含む培養液１９ａを分解槽１０内に供給する（供給工程）。
これによって、培養液１９ａと懸濁液１９ｃとの混合液からなる分解用液１９が、分解槽１０内に貯留される。
その後、投入口１３ａを閉める。

【0030】

続いて、図２に示すように、粉砕機２０によって固形有機物２を粉砕する（粉砕工程）。詳しくは、駆動モータ２４の駆動によって、巻き上げスクリュー２１を回転させる。これと一体に攪拌アーム２５が回転される。
分解用液９の底部の固形有機物２は、攪拌アーム２５によって攪拌されて浮上される。
該固形有機物２が、下端スクリュー部２３ｂによって粉砕ドラム２２内へ導かれる。このとき、鋸歯部２２ｂによって固形有機物２が粉砕されて細片化される。

【0031】

さらに、固形有機物２は、巻き上げスクリュー２１によって粉砕ドラム２２内を上昇されながら、その一部が粉砕孔２２ｃを通って粉砕ドラム２２の外へ出される。このとき、固形有機物２が粉砕孔２２ｃの縁によって更に粉砕されて細片化される。
粉砕孔２２ｃから出されなかった固形有機物２は、巻き上げスクリュー２１によって更に上昇され、粉砕ドラム２２の上端開口から粉砕ドラム２２の外へ出される。
固形有機物２は、粉砕ドラム２２内を何度も巻き上げられながら粉砕されて一層細片化される。このようにして、固形有機物２が物理的に分解される。

【0032】

分解槽１０内の好気性微生物９１は、酵素９２を生成する。固形有機物２が酵素９２と接触すると、酵素９２の働きによって、固形有機物２を構成する有機化合物の加水分解（可溶化）ないしは酸化分解（酸生成）が起きる。これによって、固形有機物２が低分子化（生化学的に分解）される。
固形有機物分解装置３によれば、分解槽１０の中央部（粉砕機２０）において固形有機物２を物理的に分解でき、主に分解槽１０内の中央部より外側部分において固形有機物２を低分子化（生化学的に分解）できる。

【0033】

併行して、曝気手段２０によって分解用液１９の曝気を行なう（曝気工程）。詳しくは、曝気手段２０のエアーポンプ３１を作動させる。これによって、エアーが、供給管路２２を経て、曝気管路３４の各環状路３４ａ，３４ｂに分流され、各曝気ノズル３５から泡状の曝気エアー９３になって分解用液１９へ吐出される。該曝気エアー９３における酸素等が分解用液１９に溶け込む。これによって、分解用液１９に酸素を供給できる。曝気管路３４が分解槽１０の底部に万遍無く配管され、曝気ノズル３５が分解槽１０の底部に万遍無く配置されることによって、分解用液１９の全域に万遍無く酸素を行き渡らせることができる。これによって、好気性微生物９１が酵素９２を活発に生成することができる。

【0034】

更に併行して、加熱手段４０によって分解用液１９を所定温度になるよう加熱する（加熱工程）。詳しくは、温水ボイラー４１からの温水を、往管路４４を経て、熱交換管路４３に通し、更に還管路４５を経て温水ボイラー４１に戻すように循環させる。これによって、熱交換管路４３を介して、温水と分解用液１９とが熱交換され、分解用液１９が加温される。熱交換管路４３を分解槽１０内に螺旋状に万遍無く配管することによって、分解用液１９を万遍無く加温することができる。
断熱材１４によって、分解槽１０からの放熱を減らすことができる。

【0035】

分解用液１９の目標の所定温度は、好ましくは５０℃～８０℃程度であり、より好ましくは６０℃～８０℃程度である。分解用液１９を温度センサ４９にて検知し、その検知温度に基づいて、温水ボイラー４１からの温水の温度や流量を調節することによって、分解用液１９が前記所定温度になるよう制御する。これによって、好気性微生物９１が一層活発に酵素９２を生成できる。ひいては、酵素９２による固形有機物２の低分子化反応を促進することができる。この結果、固形有機物分解装置３による固形有機物２の分解速度ないしは分解効率を向上させることができ、分解処理の所要時間を短縮することができる。前記所要時間は、例えば数十時間～数日間である。
固形有機物分解装置３の運転途中、好気性微生物９１を含む培養液１９ａを分解槽１０に補充してもよい。

【0036】

図２に示すように、分解処理中に分解用液１９から出る排出ガスは、ガス排出ライン５０へ排出される。該排出ガスには、分解用液１９に溶解されなかった曝気エアー９３の他、好気性微生物９１等から放出されたアンモニアを含む。排出ガスは、アンモニア処理部５１に導入される。アンモニア処理部５１においては、排出ガス中のアンモニアを吸着等によって回収ないし除去する処理が行われる（排出ガス処理工程）。アンモニア除去後の排出ガスが、アンモニア処理部５１より下流のガス排出ガスライン５０を経て放出される。

【0037】

＜メタン生成工程＞
図１に示すように、処理後の低分子化された有機物２ａを含む分解用液１９を、抜出口１１ｃから出し、移送管７によってメタン発酵槽４へ移送（供給）する。メタン発酵槽４においては。嫌気性微生物の働きによって、有機物２ａが分解され、メタンが発酵生成される。

【0038】

固形有機物分解装置３による固形有機物２の分解工程を経たうえでメタン発酵を行なうことによって、メタンの収率を高めることができる。発明者等の実験によれば、前記分解工程を経ずに直接、メタン発酵させた場合と比べ、メタン収率を１．３倍～１．５倍に高めることができた。

【0039】

＜メタン精製工程＞
メタン発酵槽４からのメタン含有ガスは、メタン精製塔５へ送られる。メタン精製塔５においてメタン含有ガスからメタンが濃縮精製される。

【0040】

＜発電工程＞
精製後のメタンガスが、ガスエンジン発電機６へ供給される。ガスエンジン発電機６において、メタンが燃焼されて発電がなされる。このようにして、固形有機物２をエネルギー資源として有効利用できる。

【0041】

本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の改変をなすことができる。
例えば、分解槽１０において所定の好気性微生物を培養して所定の酵素を生成させるのに代えて、又はそれに加えて、所定の酵素そのものを分解槽１０の分解用液１９に供給してもよい。
所定の酵素としては、プロテアーゼの他、リパーゼ、グリコシターゼ、セルラーゼ等であってもよい。
発電機は、ガスエンジン発電機６に限らず、ガスタービン発電機等であってもよい。
加熱手段４０としては、分解槽１０の周壁を二重にしてその間隙に温水を通すことにしてもよい。温水循環方式に限らず、電熱器で分解用液１９を加熱してもよい。

【産業上の利用可能性】

【0042】

本発明は、例えば固形有機物などのバイオマスを利用した発電システムに適用可能である。

【符号の説明】

【0043】

１ 発電システム
２ 固形有機物（処理対象）
２ａ 低分子化された有機物
３ 固形有機物分解装置
４ メタン発酵槽
５ メタン精製塔
６ ガスエンジン発電機（発電機）
７ 移送管
１０ 分解槽
１１ 周壁
１１ｂ 点検口
１１ｃ 抜出口
１２ 底部
１３ 上蓋部
１３ａ 投入口
１４ 断熱材
１９ 分解用液
１９ａ 培養液
１９ｂ 分散媒
１９ｃ 懸濁液
２０ 粉砕機
２１ 巻き上げスクリュー
２１ｃ 主軸
２２ 粉砕ドラム
２２ｂ 鋸歯部
２２ｃ 粉砕孔
２３ スクリュー部
２３ｂ 下端スクリュー部
２４ 駆動モータ
２５ 攪拌アーム
２６ 吊支柱
３０ 曝気手段
３１ エアーポンプ
３２ 曝気管
３３ 供給管路
３４ 曝気管路
３４ａ 小径の内側環状路
３４ｂ 大径の外側環状路
３５ 曝気ノズル
４０ 加熱手段
４１ 温水ボイラー
４１ａ 吐出ポート
４１ｂ 戻りポート
４２ 温水管
４３ 熱交換管路
４４ 往管路
４５ 還管路
４６ 吊支持棒
４７ バルブ
４９ 温度センサ
５０ ガス排出ライン
５１ アンモニア処理部
９１ 好気性微生物
９２ 酵素
９３ 曝気エアー

【図1】

【図2】

【図3】