JP2006007215A - 発酵用基質の前処理方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 種々雑多な発酵用基質であっても、後続する発酵処理のために能率的且つ経済的に基質の性状を調整することのできる発酵用基質の前処理方法及び装置を提供する。
【解決手段】 前処理として発酵用基質の性状を調整する方法と装置。処理すべき基質の品質や組成が甚だしく変動する場合にも後続の発酵処理に最適な性状に調整するために、基質を縦型のスクリュー撹拌機に装入して下方へ向けて搬送し、搬送されてくる基質を次いでスクリュー撹拌機の下方に配置されている裁断撹拌機に送り込んで裁断する。基質を下方に向けて搬送する一基の縦型スクリュー撹拌機を、該スクリュー撹拌機の下方に設置された一基の裁断撹拌機、特にフェースギヤ撹拌機と組み合わせることにより、固形分を含む懸濁液の広い濃度及び可溶化範囲、及びそれに関連して変化する粘度の広い範囲に亘って極めて好ましい搬送効果、混合効果及び破砕効果が得られる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、発酵の前処理として発酵用基質の性状を調整するための方法及びこの方法の実施に用いるための装置に関するものである。

粉砕もしくは磨砕された状態で用意される発酵処理対象の有機基質は、濡れ難いこと、及び多くの場合はそれら有機基質が懸濁液中で膨潤現象を起こすことから、安全且つスムーズに取り扱う上で幾多の技術的問題を生じている。

すなわち、通常の方法に従って種々の発酵可能な有機基質を発酵リアクターの前段にある受入／計量用タンク内で混合すると、特にエネルギープラントで利用された再生原料の混合比が増加する場合には混合に失敗することが多い。一般に再生原料は摩砕され、粗挽きされ、又は細かく裁断されて供給される。粉末状の供給形態では再生原料は濡れ難く、また切り刻まれたサイロ貯蔵牧草の場合は大部分が破壊されないままの植物細胞を含んでいるためガスが封入されていることが多く、水よりも密度の小さい物質を含んでいる。濡れの悪さ、ガスの封入、加工による粒子形状などによってこれらの原料が塊状になったり固化することが助長される結果、これらの原料をを前段タンクに供給する際に浮上堆積物によって再三にわたり作業が妨げられることになる。従来の方法に従ってタンク内に設置された混合・撹拌装置では、この浮上堆積物は全く混合できないか、混合できても極めて能率が悪い。

このため、発酵リアクターに発酵用基質を直接計量仕込みすることによって上述の問題を回避することが様々な方式で試みられている。これらの方式では、充填状態にある液体の静圧に抗して乾燥状態の基質を発酵リアクター内に圧入するために、ピストン式又はスクリュー式の計量装置が使用される。これらの方式における運転技術的な危険を別にしても、リアクター内で層状浮遊物が分離する問題が依然として残り、これはバイオガスによる浮遊効果で更に助長される。通常の場合、発酵リアクターに設置されている浮上層の形成防止システムは、再浮上してくる原料の大部分を常に新たに混合し沈下させる構造ではなく、最終的にはプロセス妨害物質として循環系から排除するものであるが、この方式は依然として発酵可能な基質には不適当である。

本発明の課題は、冒頭に述べたような発酵の前処理として発酵用基質の性状を調整するための方法及びこの方法の実施に用いるための装置として、種々雑多な発酵用基質であっても、後続する発酵処理のために能率的且つ経済的に基質の性状を調整することのできる発酵用基質の前処理方法及び装置を提供することにある。

この課題は、方法に関しては、本発明に従って基質を縦型のスクリュー撹拌機に装入して下方へ向けて搬送し、それによって搬送されてくる基質を次いで前記スクリュー撹拌機の下方に配置されている裁断撹拌機に送り込んで裁断することによって解決される。

ここで、裁断撹拌機とは、混合攪拌機能の他に挿入された基質を小さく破砕する機能、特に裁断機能を有する可能な全ての撹拌機と理解すべきであり、特にフェースギヤ撹拌機を使用すると有利である。

また、装置に関しては、前述の課題は、基質を下方に向けて搬送するスクリュー撹拌機と、このスクリュー撹拌機の下方に配置され、スクリュー撹拌機で攪拌された基質を受け入れて裁断する裁断撹拌機とを備えたことを特徴とする発酵用基質の前処理装置によって解決される。

原料としての有機基質を砕解するための所要の破砕効果は、前処理装置底部と裁断撹拌機との間でせん断勾配を生じるように前処理装置の底部近傍に裁断撹拌機、特に好ましくはフェースギヤ撹拌機を配置することによって支援される。それによって撹拌機と発酵タンクとの間に大きな剪断勾配が形成され、それによって粒子のスリップと、それに伴う撹拌機の破砕効果が更に改善される。

このような応用目的に特に適した装置は、製紙工業や生物系廃棄物処理業界では既知のパルパー機械を改造して適合させたものである。この目的で、妨害物質を循環系から排除するシステムを持たず、スクリュー撹拌機と裁断撹拌機を組み合わせたシステムを有する改造パルパーを前処理装置として用いることができ、そのスクリュー撹拌機の出口流路部分には混和すべき原料や水のための供給装置を付設しておくとよい。

このようにして、本発明によれば、市販の撹拌機を構成要素として新規な組み合わせで配置するだけで発酵プラント内で原料基質の性状を驚くべき効果で能率的に且つ有利なコストで発酵用に確実に予備調整することができる。この場合、原料を与えられた液体中で濡らし、塊状物が生じないように混和することだけでなく、特に未だ無傷の植物細胞の大部分を砕解することも可能になる。それによって浮遊を助長する細胞包蔵体は遊離され、この遊離された包蔵体は同時に微生物による嫌気性代謝に直接利用し得るため、発酵のプロセス技術的な効率も改善される。

本発明は、或る分離独立した撹拌機を用いることによって特別な撹拌システム配置のもとで小容積内での高いエネルギー密度を保証し、それによって撹拌機の装入領域における確実な濡れを確保すると同時に未だ破壊されていない植物細胞の分離と砕解を可能にするという考えに基づいている。

原則的には、表面にある原料が絶えず吸引され液体内に再度混入されるように、中心部に垂直な下向きの流れを発生させるような、それ自体既知の撹拌システムが考慮の対象になる。この種の既知のシステムとしては、スクリュー撹拌機、プロペラ撹拌機及び傾斜ブレード撹拌機がある。しかるに、本発明で対象としている発酵用基質の前処理に使用するには、これらの撹拌機は指向性の強い流れを発生させるものの、スリップが少ない状態で搬送される固体粒子に対する裁断効果に乏しいことが欠点になる。更に、高速回転のプロペラ撹拌機及び傾斜ブレード撹拌機の場合には、垂直方向の吸込み効果は媒質の粘稠度が増加するにつれて弱まる。揺変性のペースト状原料の場合には、撹拌機領域における剪断作用で局部的な媒質流動化ゾーンが生じ、このゾーン内では撹拌エネルギーの消散によって望ましくない強い発熱が起こる一方、媒質の粘度が高い外部領域では、取り立てて言うほどの混合は起こらない。高速回転の傾斜ブレード撹拌機は、本来は低濃度の固体を含む懸濁液に対しては良好な破砕効果を示すものであるが、高粘度の懸濁液に使用した場合には前述と同様の望ましくない副作用が現れる。

本発明によれば、処理原料を下方に向けて搬送する一基の縦型スクリュー撹拌機を、該スクリュー撹拌機の下方に設置された一基の裁断撹拌機、特にフェースギヤ撹拌機と組み合わせることにより、固形分を含む懸濁液の広い濃度及び可溶化範囲、及びそれに関連して変化する粘度の広い範囲に亘って極めて好ましい搬送効果、混合効果及び破砕効果が得られる。

スクリュー撹拌機の吸込み作用によって、表面に浮いた原料は絶えず吸込まれ、表面下の懸濁液と混和される。新しい固形分及び必要に応じて加えられる希釈水の供給は、この中心部の下向きの流れに対して行なわれることが好ましく、それによって良好な濡れと懸濁が保証される。

同時に、この原料は絶えず裁断撹拌機の作用領域で加圧され、そのため高粘度で揺変性が伴う場合にも、裁断撹拌機によって停滞ゾーンが発生することはなく、媒質の強制的な交換が保証される。

スクリュー撹拌機及び／又は裁断撹拌機の能力は、供給される基質の粘度変動に適合するよう調節することが好ましい。基質の性状を調整する間に基質に粘度が水に近い状態からペースト状に至る広い範囲で変動することもある。調節可能な撹拌機駆動装置により、撹拌機の回転数並びに動力消費量と変化するプロセス条件との好ましくは自動的な整合をとることが可能になる。

複数の流路障害物をタンク内に配置することにより、周知の方法でタンク内にある懸濁液の全量の回転を抑制し、それによって剪断力勾配の構成を支えることができる。

本発明による前処理法は、好ましくは１回分の装入量をその都度処理するためのバッチ運転で行なわれる。それによって砕壊度及び装入原料の品質安定性を最も良好に管理できるからである。

但し、特に主として安定した懸濁液を製造するための混和を主眼とし、微細な粒子の砕壊はそれほど重要視されない場合には、バッチ処理によらずに継続的な貫流で連続運転させることも可能である。

Claims (7)

1. 発酵の前処理として発酵用基質の性状を調整するに際し、前記基質を縦型のスクリュー撹拌機に装入して下方へ向けて搬送し、それによって搬送されてくる基質を次いで前記スクリュー撹拌機の下方に配置されている裁断撹拌機に送り込んで裁断することを特徴とする発酵用基質の前処理方法。
2. 裁断撹拌機としてフェースギヤ撹拌機を使用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. スクリュー撹拌機及び／又は裁断撹拌機の能力を、供給された基質の攪拌中の粘度変化に応じて調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. スクリュー撹拌機から下方に向かって搬送される基質の流れに新らたな基質及び／又は希釈用の水を導入することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 発酵リアクターの前段に接続されて発酵用基質の性状を調整する前処理装置において、前記基質を下方に向けて搬送するスクリュー撹拌機と、このスクリュー撹拌機の下方に配置され、スクリュー撹拌機で攪拌された基質を受け入れて裁断する裁断撹拌機とを備えたことを特徴とする発酵用基質の前処理装置。
6. 裁断撹拌機がフェースギヤ撹拌機からなることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前処理装置底部と裁断撹拌機との間でせん断勾配を生じるように裁断撹拌機を底部近傍に備えていることを特徴とする請求項５に記載の装置。