JP2005081317A - オゾンリアクター - Google Patents

Abstract

【課題】バイオマスを効率よく乾燥・微細化できるとともに微細化されたバイオマスを効率よくオゾンと反応させることが可能なオゾンリアクターを提供し、それをバイオマスのメタン発酵に利用できるようにする。
【解決手段】リグニンを含有するバイオマスを乾燥・微細化する乾燥・微細化手段と、乾燥・微細化過程にあるバイオマスを供給オゾンと反応させて含有リグニンを分解し、メタン発酵のための素材に変換するオゾン反応手段とを有することを特徴とするオゾンリアクター。
【選択図】図１

Description

本発明は、オゾンリアクターに関し、とくに、リグニンを含有するバイオマスをメタン発酵に好適な素材に変換するためのオゾンリアクターに関する。

木質バイオマスを効率よくメタン発酵させ、取り出したメタンガスを効率よく貯留できれば、地域によって実質的に無尽蔵に存在するバイオマスから有効なエネルギー源を採取することが可能になる。リグノセルロース系資源である木質バイオマスのメタン発酵は、従来、リグニンの含有により発酵が困難であるか多大な時間を要するため、特殊な化学的処理や爆砕処理、超臨界処理等の前処理が必要とされ、その前処理に極めて大きなエネルギーが要求されるとともに残渣の処理が問題となり、このような前処理を前提としたメタン発酵は現実的には実用化されていない。

一方、近年、オゾンがリグニンを分解するのに有効であることが知られ始めており（非特許文献１）、現在、主として、木質パルプの脱色にリグニンオゾン分解が実用化されている。この処理には、素材の含水率により乾式と湿式があるが、いずれの場合にも木質素材がパルプ化される前処理を必要とする。つまり、木質素材のセルロースを機械的にあるいは化学的に破砕するパルプ化処理の前処理を必要とするため、現状の技術のままでは、メタン発酵に好適な素材に変換するためのオゾン処理としては使用できないものとなっている。

また、オゾンによるリグノセルロースのリグニン分解は、（１）結晶水および素材に含まれる水がオゾン浸透を困難にする、（２）リグニンの露出を必要とするため、反応に好適な形態にするには微細化が必要となり、この微細化に通常、多大なエネルギーを必要とする、等の理由から、直接的にリグノセルロースをオゾン分解することは実用化に至っていない。
新版オゾン利用の新技術

そこで本発明の課題は、上記のような実情に鑑み、オゾンによるリグノセルロースのリグニン分解の有効性に着目するとともに上記のような実用化に至っていない実情に鑑み、従来のようなパルプ化に必要な前処理を前提とせずに、バイオマスを効率よく乾燥・微細化できるとともに微細化されたバイオマスを効率よくオゾンと反応させることが可能なオゾンリアクターを提供し、それをバイオマスのメタン発酵に利用できるようにすることにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るオゾンリアクターは、リグニンを含有するバイオマスを乾燥・微細化する乾燥・微細化手段と、乾燥・微細化過程にあるバイオマスを供給オゾンと反応させて含有リグニンを分解し、メタン発酵のための素材に変換するオゾン反応手段とを有することを特徴とするものからなる。

このオゾンリアクターにおいては、とくに、上記乾燥・微細化手段が複数段設けられており、前段から後段へと順次処理を進行させる手段に構成されていることが好ましい。また、上記オゾン反応手段が複数段設けられており、前段から後段へと順次処理を進行させる手段に構成されていることが好ましい。

また、上記乾燥・微細化手段としては、チップ化されたバイオマスと、実質的に一定のサイズのボール、たとえばセラミックボールとが投入される攪拌槽を有する形態に構成されていることが好ましい。つまり、乾燥・微細化工程において、事前にたとえば１ｃｍ×１ｃｍ×１ｍｍ以下程度にチップ化されたバイオマス素材を攪拌槽内に投入し、同槽内に上記のようなセラミックボールを混入させて、攪拌混合により両者を接触させて乾燥・微細化するのである。これを多段（複数段）で行えば、順次乾燥・微細化を容易にかつ適切に進行させることができる。攪拌槽には、開閉制御可能な上段からの素材投入口および下段への素材投入口、および攪拌翼を設けておけばよい。

また、上記オゾン反応手段としては、オゾン含有気体と乾燥・微細化されたバイオマスとを接触させる攪拌槽を有する形態に構成されていることが好ましい。これを多段（複数段）で行えば、乾燥・微細化工程を経て、連続的にオゾン分解を行うことができる。オゾン含有気体を供給するタイミングは特に限定しないが、ある程度乾燥・微細化が進行した後に、つまり、多段に構成された複数の攪拌槽の途中の段階で供給することが、オゾン反応性上好ましい。攪拌槽には、開閉制御可能な上段からの素材投入口および下段への素材排出口、処理済の素材取出口、および攪拌翼を設けておけばよい。

オゾンによるリグニン分解反応の進行度合は、オゾン反応手段に、バイオマスがメタン発酵のための素材に適切に変換されたか否かの検出・判定可能な手段を設けておくことにより、適切に判断できる。この検出・判定手段からの信号に基づいて、メタン発酵のための素材を取り出す手段を設けておくことにより、最適なタイミングで、オゾンリアクターから変換バイオマス素材をメタン発酵工程に送り出すことが可能となる。

上記検出・判定手段としては、温度センサー、湿度センサー、オゾン濃度センサー、光学式非接触リグニンセンサーの少なくとも一つのセンサーを含むことが好ましく、これらセンサーを２つ以上含んで総合的に判定できるようにしておくことがより好ましい。光学式非接触リグニンセンサーとしては、近赤外線ラマン分光法を用いたセンサー等が適用可能である。上記攪拌槽が複数段設けられる場合には、これらセンサーを槽毎に設けておくことにより、槽毎の反応進行度合が正確に把握されることになる。

また、前述のような攪拌槽を設ける場合には、攪拌槽の作動条件（複数段の攪拌槽を設ける場合には各攪拌槽の作動条件）を制御する手段を設けておくことが好ましい。この制御手段により、たとえば、各攪拌槽の温度や湿度、素材投入量、投入速度、処理済素材の取り出し量、取り出し速度、攪拌翼の回転速度や、さらには攪拌翼の爪の角度等を制御することが可能になる。

また、本発明に係るオゾンリアクターにおいては、複数段設けられたオゾン反応手段の最終段からのオゾン排出濃度が実質的に０となるように制御されることが好ましい。このような制御により、環境に対して悪影響を及ぼす心配のないオゾンリアクターを実現できる。処理済の素材の取り出しは、途中の段階で、メタン発酵に最適な素材に変換された段階で行うようにすればよい。

上記のような本発明に係るオゾンリアクターによれば、従来のようなパルプ化に必要な前処理を前提とせずに、適当にチップ化されたバイオマスをオゾンリアクターに投入するだけで、容易に短時間のうちに効率よく乾燥・微細化できるとともに微細化されたバイオマスを効率よくオゾンと反応させることが可能になり、オゾン反応により、メタン発酵に最適なリグニン分解処理済バイオマス素材を得ることができる。このリグニンを除去したバイオマス素材から、効率よくメタン発酵によるメタンガスを製造することができる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１および図２は、本発明の一実施態様に係るオゾンリアクター１を示している。このオゾンリアクター１には、リグニンを含有するチップ化されたバイオマス２が投入され、乾燥・微細化、オゾン反応によるリグニンの分解除去を経た後、メタン発酵工程に供されるリグニン処理済素材３として取り出されるようになっている。本実施態様では、リグニンを含有するバイオマスを乾燥・微細化する乾燥・微細化手段は、上下方向に複数段に配設された攪拌槽４に構成されており、乾燥・微細化過程にあるバイオマスを供給オゾンと反応させて含有リグニンを分解し、メタン発酵のための素材に変換するオゾン反応手段も、上下方向に複数段に配設された攪拌槽５に構成されている。乾燥・微細化過程にあるバイオマスがオゾン反応されるため、乾燥・微細化手段としての攪拌槽４とオゾン反応手段としての攪拌槽５は部分的に共通のものに構成されている。各攪拌槽４、５では、前段（上段）から後段（下段）へと順次処理が進行されるようになっている。オゾンは、オゾン発生器６から、上下方向に配設された攪拌槽のうちの適当な槽に供給され、リグニン処理済の素材３は、受槽７に貯留された後、メタン発酵工程に送られる。供給されるオゾンは、オゾン生成が効率的な、オゾンがたとえば４〜５％混入された気体の形態で供給されることが好ましい。

各攪拌槽４、５は、基本的には同じ構成を有するので、上記リグニン処理済の素材３の取出口を備えた攪拌槽５を例にとって、その構造を図２に示す。図２（Ａ）は平面的に観た構造を、図２（Ｂ）は側面から観た構造を示している。攪拌槽５は、上段の攪拌槽からの素材（あるいは、初期的に投入される素材）の投入口１１と、下段の攪拌槽への排出口１２を有しており、かつ、リグニン処理済の素材３の取出口１３を備えている。投入口１１、排出口１２、取出口１３には、それぞれ開閉弁（図示略）が設けられており、素材投入時、排出時、取出時のみに開かれ、その他の時には閉じられて槽内を実質的に密閉できるようになっている。

各攪拌槽４、５内には、攪拌用爪１５を備えた攪拌翼１４が設けられており、各攪拌翼１４は、本実施態様では共通の回転軸１６によって、回転速度制御可能に回転駆動されるようになっている。但し、この回転軸１６は各槽４、５個別に設け、各槽４、５毎に攪拌翼１４の回転速度を制御可能に構成してもよい。各攪拌用爪１５は、その角度が爪制御用モータ１７で調整できるようになっており、各槽４、５に要求される機能（乾燥・微細化機能、オゾン反応機能、取り出し機能等）に応じて、その時の最適な角度に調整できるようになっている。また、この爪制御用モータ１７により、上記角度とともに、攪拌翼１４上での攪拌用爪１５の位置（たとえば、水平方向の位置）も制御できるようにしておくことが好ましい。

乾燥・微細化を目的とした攪拌槽４には、温度センサー、湿度センサーを設けて、少なくとも乾燥条件を把握したり、温度、湿度制御にフィードバックしたりできるようにすることが好ましい。オゾン反応を目的とした攪拌槽５には、これら温度センサー、湿度センサーに加えて、オゾン濃度センサー、光学式非接触リグニンセンサーを設けて、少なくともオゾン濃度を監視したり、リグニン除去状態を把握したり、オゾン供給量、濃度制御にフィードバックしたりできるようにすることが好ましい。光学式非接触リグニンセンサーとしては、前述したように、たとえば近赤外線ラマン分光法を用いたセンサー等が適用可能である。図２においては、これらセンサーを組み込んだセンサーユニット１８として示してある。このような必要なセンサーを組み込んだセンサーユニット１８は、各槽毎に設けられることが好ましく、それによって各槽の状態、条件が正確に認識される。また、各センサーからの信号を、槽毎の制御のために設けられたＣＰＵユニットに送り、さらにサーバーに送り、槽別ＣＰＵユニットはサーバーで演算された各パラメータを受け取り、槽毎の条件を制御したり、下段への素材の送出や槽外への素材の排出のタイミングを制御したりするようにすることもできる。このような制御により、最適な条件で乾燥・微細化を進行させ、最適な条件でオゾン反応を行わせ、かつ、供給オゾンの有効に利用することが可能になる。また、最終段の槽において、オゾン排出濃度を実質的にゼロにするようにし、環境に対して全く影響を与えないようにすることも可能である。

上記のようなオゾンリアクター１を用いて、たとえば図３に示すようなフローでメタン発酵を含む工程が実施される。廃材、間伐材、残材、樹木等の木質バイオマス、さらには竹や笹等のバイオマスが採取現場でチップ化され、チップ化されたバイオマスがオゾンリアクター１に投入される。オゾンリアクター１での制御のために、投入素材のメタン発酵に必要な最適リグニン分解臨界値幅が事前に実験により求められ、目標とするオゾン反応条件が事前に把握された状態でチップ化されたバイオマスがオゾンリアクター１に投入される。

オゾンリアクター１では、まず、投入されたリグニンを含有するバイオマスが、複数段の攪拌槽４中で、乾燥・微細化される。この乾燥・微細化に際しては、前述したように、たとえばセラミックボール等の所定サイズのボールあるいはビーズを投入、混入することにより、より効率のよい乾燥・微細化を行うことができる。そして、この乾燥・微細化においては、複数段の各攪拌槽４への素材投入量、次段への移行タイミングが、たとえば各槽４の検出温度、湿度に応じて最適に制御されるとともに、加熱やガス排出制御等の条件が適切にコントロールされて各槽４の温度、湿度が適切な条件に維持制御され、さらに、攪拌翼１４の回転速度、攪拌用爪１５の位置や角度が、乾燥・微細化に最適な条件に調整される。そして、乾燥・微細化が適切に進行した段階で、攪拌槽５中で、素材が供給されてきたオゾンと反応される。このオゾン反応の際には、素材は乾燥・微細化されているので、従来のようなパルプ化に伴う前処理を施さないでも、極めて良好にかつ迅速にオゾン反応が行われ、素材に含有されていたリグニンが適切に分解除去される。リグニンが分解除去された素材が、適切なタイミングで受槽７へと排出される。リグニン処理済の素材３が、湿式あるいは乾式のメタン発酵工程に供給される。メタン発酵工程で生成されたバイオガスから、必要に応じてメタンガスが濃縮された状態で抽出され、メタンガスを必要とする用途に適当な貯留形態（タンクやボンベ）にて供給される。残渣は、たとえば堆肥として使用可能である。

また、上記実施態様では、各槽固有の制御要素は槽別ＣＰＵユニットで制御でき、各槽共通の制御要素はサーバーで演算制御できるようにしたので、分散させて処理でき、分散処理によりサーバーの負荷を軽減しつつ、各槽に対してはより適切な制御が可能となり、多様な条件への対応を安価に行うことが可能となる。

このように、本発明に係るオゾンリアクターにより、メタン発酵のためのバイオマス素材を、容易にかつ安価に、比較的短時間のうちに製造することができるようになり、最終的に目標とするメタンガスを実質的に連続的に安価に供給することが可能になる。

本発明に係るオゾンリアクターは、バイオマスからメタン発酵のための原料を製造するための工程に適用できるものであり、究極的には、大量のメタンガスを容易にかつ安価に供給するためのシステムの構築に寄与できる。

本発明の一実施態様に係るオゾンリアクターの概略構成図である。 図１のオゾンリアクターにおける攪拌槽部分の概略構成図である。 本発明に係るオゾンリアクターを含むメタンガス製造工程の一例を示すフロー図である。

符号の説明

１ オゾンリアクター
２ チップ化されたバイオマス
３ リグニン処理済素材
４ 乾燥・微細化手段としての攪拌槽
５ オゾン反応手段としての攪拌槽
６ オゾン発生器
７ 受槽
１１ 素材の投入口
１２ 素材の排出口
１３ リグニン処理済の素材の取出口
１４ 攪拌翼
１５ 攪拌用爪
１６ 回転軸
１７ 爪制御用モータ
１８ センサーユニット

Claims (10)

1. リグニンを含有するバイオマスを乾燥・微細化する乾燥・微細化手段と、乾燥・微細化過程にあるバイオマスを供給オゾンと反応させて含有リグニンを分解し、メタン発酵のための素材に変換するオゾン反応手段とを有することを特徴とするオゾンリアクター。
2. 前記乾燥・微細化手段が複数段設けられており、前段から後段へと順次処理を進行させる手段に構成されている、請求項１のオゾンリアクター。
3. 前記オゾン反応手段が複数段設けられており、前段から後段へと順次処理を進行させる手段に構成されている、請求項１または２のオゾンリアクター。
4. 前記乾燥・微細化手段が、チップ化されたバイオマスとセラミックボールとが投入される攪拌槽を有する、請求項１〜３のいずれかに記載のオゾンリアクター。
5. 前記オゾン反応手段が、オゾン含有気体と乾燥・微細化されたバイオマスとを接触させる攪拌槽を有する、請求項１〜４のいずれかに記載のオゾンリアクター。
6. 前記オゾン反応手段が、バイオマスがメタン発酵のための素材に適切に変換されたか否かの検出・判定可能な手段を有する、請求項１〜５のいずれかに記載のオゾンリアクター。
7. 前記検出・判定手段が、温度センサー、湿度センサー、オゾン濃度センサー、光学式非接触リグニンセンサーの少なくとも一つのセンサーを含む、請求項６のオゾンリアクター。
8. 前記検出・判定手段からの信号に基づいて、メタン発酵のための素材を取り出す手段を有する、請求項６または７のオゾンリアクター。
9. 前記攪拌槽の作動条件を制御する手段を有する、請求項４〜８のいずれかに記載のオゾンリアクター。
10. 複数段設けられたオゾン反応手段の最終段からのオゾン排出濃度が実質的に０となるように制御される、請求項３〜９のいずれかに記載のオゾンリアクター。

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