JP2008023426A - 粗製グリセリンの処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】廃食用油からバイオディーゼル燃料を製造する際に副生する粗製グリセリンを経済的で実用的に処理する方法を提供する。
【解決手段】好気性好熱性微生物を利用して粗製グリセリンを分解する。特に、廃食用油及びアルコールを原料とするバイオディーゼル燃料の製造時に、製品となる脂肪酸のアルキルエステルと共に副生される粗製グリセリンを、微生物を利用して分解する処理方法であって、前記微生物を有する有機性廃棄物と前記粗製グリセリンを混合する第１の工程と、前記第１の工程で得られる混合物に対して切り返しを行う第２の工程とからなる手段を用いる。
【選択図】なし

Description

本発明は、廃食用油を原料としてバイオディーゼル燃料（ＢＤＦ）を製造する際に副生する、粗製グリセリンを実用的に処理する方法に関する。

我が国では、毎年約７０万トンの大豆油、８万トンの椰子油、５万トンの綿実油、７０万トンの菜種油など、各種、多量の食用油が使用されている。そして、使用済みとなった食用油、すなわち廃食用油は、その一部（１０％程度）だけが石鹸の製造などに再利用されているにすぎず、大部分が回収されずにゴミとして可燃性廃棄物と一緒に焼却されるか、あるいは不燃性廃棄物と一緒に埋め立て処理されているのが現状である。

このため、廃食用油を再利用する試みがなされるようになった。例えば、特許文献１には、アルコールを用いてアルキルエステル化することにより、カーボンニュートラルな軽油代替燃料として注目されるバイオディーゼル燃料に変換する方法が開示されている。この方法は、グリセリドを脂肪酸のアルキルエステルとする反応を利用するものであるが、原料油脂の１０％程度の粗製グリセリンが副生物として生成される。

この粗製グリセリンは、通常、触媒や未変換の脂肪酸等の不純物を含むので、医薬品、化粧品、石鹸等の原料とするにはこれを精製しなければならず、これには多大なコストを必要とする。また、メタン発酵の原料とすることも可能ではあるが、近くにメタン発酵槽がある場合に限られるので、一般的な処理方法とすることはできない。

そこで現状では、ボイラ又は焼却炉の燃料助剤として焼却処理したり、最終処分場等で埋立て処分したりしているが、焼却処理では大気汚染物質となるＮＯ_x、ＣＯ₂、浮遊粒状物質などが大量に発生するおそれがある。また、埋立て処分においても、土壌汚染をもたらすおそれがある。
特開２０００−１０９８８３号公報

解決しようとする問題点は、廃食用油とアルコールを反応させるバイオディーゼル燃料の製造において、製品となる脂肪酸のアルキルエステルと共に副生される粗製グリセリンの処理方法であって、経済的で、実用的な方法を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に係る粗製グリセリンの処理方法は、アルカリ触媒法により、廃食用油及びアルコールを原料とするバイオディーゼル燃料の製造時に、製品となる脂肪酸のアルキルエステルと共に副生される粗製グリセリンを、微生物を利用して分解する処理方法であって、前記微生物を有する有機性廃棄物と前記粗製グリセリンを混合する第１の工程と、前記第１の工程で得られる混合物に対して切り返しを行う第２の工程とからなる手段を採用している。

また、本発明の請求項２に係る粗製グリセリンの処理方法は、請求項１に記載の粗製グリセリンの処理方法において、前記第１の工程における前記微生物が、前記有機性廃棄物の堆肥化発酵において生存する好気性好熱性微生物である手段を採用している。さらに、本発明の請求項３に係る粗製グリセリンの処理方法は、請求項１又は２に記載の粗製グリセリンの処理方法において、前記第１の工程における前記有機性廃棄物が、家畜排泄物である手段を採用している。

また、本発明の請求項４に係る粗製グリセリンの処理方法は、請求項１乃至３の何れかに記載の粗製グリセリンの処理方法において、前記第１の工程において処理する前記粗製グリセリンの量を、使用する前記有機性廃棄物の１〜１０重量％とする手段を採用している。さらに、本発明の請求項５に係る粗製グリセリンの処理方法は、請求項１乃至４の何れかに記載の粗製グリセリンの処理方法において、前記第２の工程において、最初の１〜２週間における切り返しの頻度が、少なくとも週に１回以上である手段を採用している。

本発明による粗製グリセリンの処理方法は、微生物を利用して分解するものであり、また、非常に一般的な家畜排泄物や食品廃棄物の堆肥化発酵を利用することができるので、経済的に、実用的に処理することができる。
また、粗製グリセリンがこれらの堆肥化発酵処理を促進する添加剤として働くので、家畜排泄物や食品廃棄物の堆肥化発酵処理も経済的で実用的な処理とすることができる。

本発明者らは、廃食用油からバイオディーゼル燃料を製造する際に副生する粗製グリセリンの処理方法について研究した結果、有機性廃棄物の堆肥化発酵処理において粗製グリセリンを添加することにより、粗製グリセリンが効率良く分解されることを発見した。すなわち、有機性廃棄物の堆肥化発酵処理において、処理物中に粗製グリセリンを添加すると、数日間で粗製グリセリンが分解、消滅するのである。さらに研究の結果、粗製グリセリンの添加によって有機性廃棄物の堆肥化発酵処理が促進されることを発見し、本発明を完成するに至った。

本発明は、有機性廃棄物の堆肥化発酵、すなわち、有機性廃棄物の好気性発酵を利用するものである。有機性廃棄物としては、一般的に堆肥化発酵が行われている、例えば、牛、豚、馬、鶏等の家畜排泄物を対象とすることができる。また、家庭やレストラン等から排出される生ゴミや、食品工場からの食品廃棄物を対象とすることができる。

家畜排泄物の中には腸内細菌や飼料由来の微生物など様々な微生物が混在しているが、堆肥化発酵の初期には、その中でも４０〜６５℃で生育し、有機物に対する分解能力の高い好気性好熱性微生物が中心になるとされている。また、生ゴミや食品廃棄物の発酵堆肥化においても、同様の好気性好熱性微生物が作用するものと考えられている。これらの有機性廃棄物の中で最も望ましい有機性廃棄物は、牛糞である。牛糞には飼料由来の繊維質が多く含まれ、豚糞や鶏糞に比べて高水分でも通気性が確保され、発酵が進むためである。

堆肥化発酵は、有機性廃棄物中に含まれる分解されやすい有機物、すなわち、可溶性の糖類や蛋白質、澱粉、脂肪等を好気的に分解することにより多量の発酵熱を発生する。研究の結果、粗製グリセリンも同様に分解されやすい有機物であり、多量の発酵熱を発生することが判明した。

堆肥化発酵は、好気性発酵であるために空気の供給が必要であり、処理の対象となる有機性廃棄物は、さらさらした性状であることが好ましい。具体的には、処理物の水分は７０％以下、容積重は０．６〜０．７ｋｇ／Ｌ程度であることが好ましい。したがって、予めこれらの調整を行うことが好ましく、オガクズ等の低水分の有機物質や、発酵処理が終了した堆肥化物を混合しても良い。

堆肥化発酵処理には、有機性廃棄物を平地に堆積して行う堆積静置法と、攪拌機を備えた発酵槽を用いて行う機械攪拌法とがある。
堆肥化発酵は、雨水の当たらない環境が望ましいので、屋根のある環境で行うことが好ましい。堆積静置法を屋外で行う場合には、防水性があって通気性のあるシートで覆うことが好ましい。

堆積静置法では、堆積した有機性廃棄物の表面から数十センチメートルまでは空気が浸透できるため好気的分解が盛んであるが、より深い部分は嫌気状態となって発酵が抑制されてしまう。そこで、有機性廃棄物の発酵を促進するために、堆積物の切り返し作業を行って深部の堆積物を表面に出しなおし、内部に空気を供給する必要がある。切り返しとは、有機性廃棄物の山に空気を入れるために、有機性廃棄物をローダーや攪拌装置等で攪拌することを言う。一方、機械攪拌法では、攪拌機によって連続的な攪拌や断続的な攪拌を行うことにより、空気の供給を行うことができる。

微生物を有する有機性廃棄物と粗製グリセリンとを混合する第１の工程は、堆積静置法では、有機性廃棄物の上に粗製グリセリンを均等に撒き、ショベルローダーのバケット等により攪拌し、かつ、有機性廃棄物の山に空気が入り込むように充分切り返しを行う。その際、水分量及び容積重が前述の値となるように調節する。一方、機械攪拌法では、有機性廃棄物と粗製グリセリンとを一緒に投入して混合することができる。

添加する粗製グリセリンの量は、もともと堆肥化発酵で処理する有機性廃棄物の１〜１０重量％とすることが好ましい。１重量％未満では、堆肥化発酵を促進する効果が少ない。また、１０重量％を超える量では、粗製グリセリンの高い粘凋性によって処理物の通気性が低下し、発酵が抑制されるからである。

粗製グリセリンは、粘度の高い液体であることから、家畜糞に多量に添加すると通気性を阻害して、好気性発酵である当該粗製グリセリンの分解を阻害する。
粗製グリセリンは、家畜糞の水分含量によって、次のように添加限界量を設定することができる。粗製グリセリンは、水分７０％以下に乾燥させた家畜糞に、５〜１０％添加することが好ましい。より好ましくは、家畜糞にもともと含まれる水分と粗製グリセリンを合わせた「液体割合」が、機械攪拌法では７５％以下、堆積静置法では６５％以下となるように添加することが好ましい。

第１の工程で得られる混合物に対して切り返しを行う第２の工程は、切り返し頻度が多いほど好気性発酵が速く進むので、粗製グリセリンの分解も速くなる。切り返しの頻度は、最初の１〜２週間は、少なくとも週に１回以上行うことが好ましい。また、嫌気条件に置かれた有機性廃棄物に粗製グリセリンを添加すると、含まれているアルカリ性触媒によりアルカリ度合いが強まって、アンモニアやアミンが一気に発生する可能性もあることから、嫌気条件に置かれた有機性廃棄物の場合には、予め切り返しを行ってから粗製グリセリンを添加することが、臭気発生を減らす上で有効である。

粗製グリセリンは、堆肥化発酵において分解されやすい有機物質であり、また、熱量も約６０００ｃａｌ／ｇと高いことから堆肥化発酵を促進する。すなわち、粗製グリセリンの分解が進行することにより、堆肥化に適した温度が維持されるとともに、廃棄物中の水分が蒸発により減少するためと考えられる。

堆肥化発酵の進行によって添加した粗製グリセリンが分解された後、再度粗製グリセリンを添加しても、また速やかに分解される。
粗製グリセリンを堆肥化物に連続的に添加する場合には、堆肥量の５重量％であれば週一回〜１０週に一回程度の添加で、粗製グリセリン中のグリセリン・メタノール・脂肪などが集積せずに分解され、適宜水を補給することで良好な堆肥化発酵を継続できる。

応用として、市販の家庭用或いは業務用ドラム回転式生ゴミ処理機において、粗製グリセリンを発酵促進剤として用いることもできる。すなわち、生ゴミ中に粗製グリセリンを添加することにより、安定した生ゴミ処理を行うことができると考えられる。

処理物中の粗製グリセリン由来の脂肪はエーテル抽出法により測定し、グリセリン及びメタノール濃度は、以下の方法で測定した。
処理物から採取したサンプルに、６％過塩素酸液を加え、攪拌混合した後、遠心分離で上澄み液を得、グリセリン及びメタノールを抽出する。その上澄み液から油膜を取り除き、１０，０００ｒｐｍで再度遠心分離器にかけ、分離された上澄み液を液体クロマトグラフィで測定した。液体クロマトグラフィの測定諸元は次の通りである。
カラム： 島津ＳＣＲ１０１Ｎ
温度： 室温
検出器： ＲＩモニター（示差屈折計）
溶離液： 蒸留水（１ｍｌ／分）

使用した粗製グリセリンは、実際に廃食用油からアルカリ触媒法によりバイオディーゼル燃料を製造する工程で副生されたもので、グリセリン約４０％、脂肪約３０％、メタノール１０〜１５％等を含む粘凋性の高い液体である。触媒として水酸化ナトリウムを用いた場合、冬季の外気温度（０〜１０℃）程度の低温条件下でゼラチン状に固まるものである。
また、水酸化カリウムを用いた場合、前記冬季の外気温度でも粗製グリセリンは水酸化ナトリウムを触媒として用いた時よりゼラチン状の固まりが柔らかい。外気温度が５〜１０℃では液体の性状になることもある。ゼラチン状の固まりの程度は、触媒としての水酸化ナトリウムと水酸化カリウムの混合割合で調整できる。水酸化ナトリウムが多い場合は粗製グリセリンのゼラチン状の固まりが硬くなる。水酸化カリウムが多いと粗製グリセリンのゼラチン状の固まりは柔らかくなる。季節または、外気温度によって混合割合を調節すると良い。

堆肥化する有機性廃棄物として牛糞を用いた堆肥化発酵処理では、処理物の性状によって最適な水分割合が存在する。予備試験の結果、牛糞は繊維分を多く含んでいるために、比較的多量の水分を含んだ状態が好ましく、水分量を５０〜７０％の範囲に維持することが好ましいことが確認された。
そこで、水分７６．３％の予備乾燥した牛糞１３００ｋｇに、水分１４．５％の乾燥完熟堆肥１５０ｋｇを加えて、水分６７％の混合物としたものを用いて試験を行った。

この混合物に、この混合物の５．０重量％に相当する粗製グリセリン（７３ｋｇ）を添加した後、充分に攪拌し、通気性のあるシートで覆い、堆積静置法による堆肥化発酵処理を実施した。週に２回切り返しを行うとともに、適当な時期にサンプルを採取して、４０日間試験を行った。

試験開始から３日後、処理物の平均温度は５０℃まで上昇し、その後、平均温度４５〜６０℃の範囲で推移した。試験開始時に１５２３ｋｇであった処理物の重量は、２２日後には９０９ｋｇに、４０日後には７３９ｋｇに減少した。
また、含有するグリセリンの濃度を測定した結果を表１に示す。発酵７日目には、グリセリンは９８．５重量％以上が分解されており、グリセリンが短期間に分解することが確認された。さらに、粗製グリセリンに含まれる脂肪及びメタノールもほぼ同時に分解されることも確認された。

比較のために、粗製グリセリンを添加しない場合の堆肥化発酵処理を、上記の試験と並行して行った。
試験開始から３日後、処理物の平均温度は４０℃までしか上昇せず、その後も、平均温度４０〜５５℃の範囲と、粗製グリセリンを添加した場合よりも低い温度で推移した。
試験開始時に１４５０ｋｇであった処理物の重量は、２２日後には１０７４ｋｇに、４０日後には８７５ｋｇに減少した。この結果は、粗製グリセリンを添加した場合と比較すると、重量の減少量が少なく、堆肥化発酵処理の進行が遅いことを示している。

以上の試験結果から、バイオディーゼル燃料の製造において副生する粗製グリセリンは、有機性廃棄物の堆肥化発酵処理によって確実に処理されるとともに、堆肥化発酵処理の促進剤として有効であることが確認された。

Claims (5)

1. アルカリ触媒法により、廃食用油及びアルコールを原料とするバイオディーゼル燃料の製造時に、製品となる脂肪酸のアルキルエステルと共に副生される粗製グリセリンを、微生物を利用して分解する処理方法であって、
   前記微生物を有する有機性廃棄物と前記粗製グリセリンを混合する第１の工程と、前記第１の工程で得られる混合物に対して切り返しを行う第２の工程とからなることを特徴とする粗製グリセリンの処理方法。
2. 前記第１の工程における前記微生物が、前記有機性廃棄物の堆肥化発酵において生存する好気性好熱性微生物であることを特徴とする請求項１に記載の粗製グリセリンの処理方法。
3. 前記第１の工程における前記有機性廃棄物が、家畜排泄物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の粗製グリセリンの処理方法。
4. 前記第１の工程において処理する前記粗製グリセリンの量を、使用する前記有機性廃棄物の１〜１０重量％とすることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の粗製グリセリンの処理方法。
5. 前記第２の工程において、最初の１〜２週間における切り返しの頻度が、少なくとも週に１回以上であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の粗製グリセリンの処理方法。