JP2008528260A - 撹拌機を備えた発酵槽 - Google Patents

Abstract

撹拌機を備えた発酵槽を提供する。撹拌機を備えた大型の水平型発酵槽に関する問題点は、その強化構造にもかかわらず、撹拌機のスクリューがねじれ、これにより発酵槽（１）が破損することである。この問題を解決するために、発酵槽（１）の長手方向内を通過して延びるとともに、発酵槽端部（４、６）に収容された発酵槽のシャフト（１０）は、ガスまたは空気を充填した閉じた中空要素として構成されている。中空シャフト（１０）の内部空間（１４）内の圧力（Ｐ₁）が圧力測定要素（１６−１８）により監視され、これによりシャフト内への液体の浸入、シャフト（１０）のねじれの発生、および最終的な発酵槽の破損を防止することができる。

Description

本発明は、生体廃棄物の嫌気的発酵に用いられる栓流式発酵槽において、入口および出口と、発酵槽の長手方向内を通過するシャフトとシャフト上に配置された複数の撹拌アームとを有する撹拌機とを備え、シャフトは、発酵槽端部領域内に取付けられている、栓流式発酵槽に関する。

本出願人は、生体廃棄物からバイオガスを生成する装置を供給する世界的なリーダーである。このような装置の基本構成は、欧州特許公報ＥＰ０，４７６，２１７Ａに基づく。この装置は欧州特許ＥＰ−Ｂ６２１，３３６による方法によって作動する。最初に述べた特許公報は、生体廃棄物の嫌気的発酵に適した水平型の栓流式発酵槽を開示している。この発酵槽は、一端に設けられた入口と反対側の端部に横たわって設けられた出口とを有する細長い水平なタンクである。体積が減少された生体廃棄物が入口側の端部内に供給され、発酵材料および／または処理工程からの高圧水により植菌される。このようにして発酵される材料はメタン細菌に富むようになる。この生体廃棄物は、撹拌を通じた制御の中で、バイオガスを形成しながら分解され、次に出口へ導かれて取り出された後に好気性腐敗物となる。

ますます容積が増加している上述したタイプの装置に対する世界的な要求により、さらに大規模な発酵槽を作製することに繋がっている。この可能性を実行するため、発酵槽のタンクは所定位置に据え付ける必要があり、これは、個々に区分されて互いに連結されたスチールタンクにより実現されても良く、またはＥＰ−７７０，６７５Ａに知られるように、所定位置に据え付けられたコンクリート製の水平型の発酵槽タンクにより実現されている。昨今、水平型の発酵槽タンクは、容積を増加するために全長５０ｍ超かつ直径１０ｍ超のものが実現されている。このような解決策において、撹拌機のシャフトは中実のスチールシャフトからなっている。これを支障なく実現するためには全長を２０ｍ以下とする必要がある。これを上回る長さが必要となる場合、シャフト固有の重量によりたわみが誘発されて問題となる。実際、撹拌機は、生体廃棄物を徹底して混合して一定程度の均一性を達成するだけでなく、また同時にとりわけ砂や石のような重い固形物が発酵槽タンクの底部に確実に堆積しないようにし、もはや結果的に固形物を取り除く必要がないようにする必要がある。発酵槽は栓流式に動作するが、栓流動作の流速が遅いので流れにより沈澱した重量物を取り除くことは難しい。実際、発酵槽内における入口から出口まで生体廃棄物の処理する期間は何日にも及ぶ。この結果撹拌機は、徹底して撹拌することはともかく、同様にしてこの重量物を再び底部から上方へ運搬することに役立ち、これにより重量物は後に生じる栓流内での沈澱動作により発酵槽出口方向へ輸送される。したがって、撹拌機は、複数の撹拌アームが設けられるとともに発酵槽内を通過するシャフトを有し、撹拌アームのシャフトから遠い方の端部に適当な羽根が設けられている。

大規模な発酵槽は、シャフトのたわみが羽根に導かれ、羽根が実際に発酵槽壁に沿って接触し、これにより数年の動作の後に発酵槽の故障が発生する。この問題を解決するための最も明確な方策は、シャフトの中間に支持部を設けることである。しかしながら、これは栓流動作を乱すため、この解決策によって問題自体は解決されない。

最後に、ＤＥ−Ａ−３１，４９，３４４によって、タンク状の撹拌アームが設けられた撹拌機を有する発酵槽が知られている。これらの撹拌アームは、内部にガスが送り込まれてこれら撹拌アームからの液体成分が置換されるように構成され、これにより従動シャフトを設ける必要なく、撹拌アームの浮揚力が撹拌機の回転動作へ効果を及ぼすようになっている。

したがって、本発明の目的は、シャフトのたわみを防いで、これによって生じる損害を排除する解決策を提供することである。

この目的は請求項１記載の特徴を有する水平型の栓流式発酵槽により達成される。

本発明の主題の更なる有利な構成は従属項から推測される。これらの構成、目的、および効果について図面を参照して以下の記述により説明する。

本発明による水平型の発酵槽全体の長手方向垂直断面が図１に示されている。発酵槽全体を符号１で示す。この発酵槽は、スチールまたはコンクリート等からなる発酵槽タンク２を備えている。入口３は、入口側の端部壁４内の一側に設けられている。出口５は、反対に出口側の端部壁６の底側に設けられている。それぞれについて、シャフトベアリング７が２つの端部壁４、６と一体に形成され、シャフト１０は、末端のシャフトジャーナル８によりシャフトベアリング７内に取付けられている。

シャフト１０は、シャフト本体１１に回転自在に連結された２つのシャフトジャーナル８を有している。シャフト本体１１はスチールチューブからなり、その両端が密封されている。複数の撹拌アーム１２が、適当な溶接構造によりシャフト本体１１に取付けられている。各撹拌アーム１２は端部羽根１３を有している。

好ましい解決策において、シャフト本体１１はチューブ形状からなるとともに一端または両端に一体形成されたシャフトジャーナル８が設けられている。この場合、駆動は一方または両方のシャフトジャーナル８を介して一端または両端に与えられる。１つの変形例において、シャフト本体１１はチューブ形状からなるとともに発酵槽の一端または両端において端部壁４、６を通過して案内され、かつ駆動は、一端または両端においてチューブ上に取付けられた例えばクラウンギアによって行なわれる。

結果としてシャフト１０は中空シャフトとして構成される。図３に示す断面図において、シャフト本体１１とその内部空間１４を認識できるであろう。ここに示す実施の形態において、センサー監視ユニット１５は、円筒体（チューブ）からなるシャフト本体１１の内壁上に取付けられている。所定の付加圧力がシャフト本体１１の内部空間１４内に広がっている。この圧力をＰ₁で示す。内部空間１４内の圧力Ｐ₁は、正圧であっても良く、あるいは負圧であっても良い。センサー監視ユニット１５によって内部圧力Ｐ₁を監視することは、シャフトジャーナル領域外方へ導かれる適当な電気導線を介する通常の手段によって行なわれても良く、またはここに示すとともに図４を参照して後に説明するように、無線通信によって行なわれても良い。

図５に示すように、内部圧力Ｐ₁を監視することも通常の手段によって行なわれて良く、圧力導管１７とそれに連結された圧力計１８とを有する圧力監視ユニット１６が設けられていても良い。基本的に、内部空間１４内の圧力Ｐ₁は、正圧または負圧のいずれかとして選択されうる。これに関する理由は、重要ではないが、内部空間１４のいかなる圧力変化も原則として漏れの指標となるためであり、漏れが生じた場合、設備の停止とりわけ撹拌機の停止を行なう必要があるためある。

本発明は、原則として、運転状態において中空シャフトが連続的かつ完全に発酵されるバイオマスに浸されるという考えに基づいている。このことにより、シャフトは、中空シャフトとして構成されているので比較的大きな体積を占めることができ、したがってシャフト１０の内部空間１４が浮揚力に対して有効である。この浮揚力は、少なくとも部分的にシャフト１０の重量または羽根１３を有する撹拌アーム１２が固定されたシャフト本体１１の重量を補う。しかしながら、長年にわたる継続使用の後、引張りによる割れ目または機械の不具合により漏洩の可能性が増加し、またとりわけ腐食損傷によりこのような漏洩を生じうる。このため、遅かれ早かれ湿気が中空シャフト内に浸入して、シャフト１０の全重量を変化させるとともに、これは結果として上述した損傷につながる。目視制御は、技術的に合理的な方法によって実現されないばかりでなく、ある程度の大きさの髪の毛状クラックからなる個々の損傷を認識することもできないため、本発明では内部空間１４を圧力計によって監視することにより行なう。漏洩を引き起こすシャフトのそれぞれの作用により、内部空間１４に影響する圧力変化が自動的に導かれる。この結果、予め設定された圧力Ｐ₁が変化する。仮に内部圧力Ｐ₁が負圧として適用される場合には圧力が増加するであろうし、仮に内部圧力Ｐ₁が正圧として適用される場合にはこの内部圧力が減少するであろう。しかしながら、いずれにせよ圧力変化は漏洩が存在することの指標として確実である。圧力変化の程度はさらに損傷の大きさの示唆を与える。一般的な場合、このような圧力変化は、装置が作動しないことに繋がり、すなわち生体廃棄物の供給が停止され、かつ運転状態で発酵が作用するように継続するとともにその後空になるであろう。漏洩を探知するために高い正圧が内部空間１４に加えられてもよく、これにより空気の流出を確認でき、またこれにより損傷位置を突き止めることができる。しかしながら、このような損傷の事態は比較的まれなケースであると推測される。

発酵槽１の充填の程度は、発酵槽の中央よりかなり上であるＮ以下のレベルで概ね効果が生じる。したがって、どのような意図および目的であっても、シャフト１０は、浮揚力が常時生じるように常時実質的に完全に生体密集領域内に存在する。仮に長手方向に関して中央領域におけるシャフト１０の浮揚力が端部におけるそれより大きければ、基本的に望ましい。端部における支持機能は、いずれにせよ主としてシャフトジャーナルが取付けられた各シャフトベアリング７が担っている。この可能性を実現するため、シャフト１０の中央領域にある撹拌アーム１２を閉じたチューブから製造することも考えられる。撹拌アーム１２のこれらのチューブが、同様にシャフト１０の内部空間１４と連通することも基本的に考えられる。

いずれにせよ、撹拌アームは、シャフト外周に対して規則的に分配されるように配置される必要がある。しかしながら、撹拌アーム１２がシャフト全長にわたって均等に分配されることが絶対に必要ということではない。したがって、入口側および出口側の領域内において撹拌アームの密度を増加することが、実際に可能であるとともに意味がある。このことにより、とりわけこれらの比較的繊細な領域における固形物の沈澱が減少する。撹拌アームを比較的自由に配置して構成することにより、シャフトの浮揚力が全体的に概ね均衡がとれるという事実が導かれる。

シャフト１０周囲上における撹拌アーム１２の分配は、均一となるべきである。最も好ましくは、長手方向に対して互いに隣接する２つの撹拌アーム１２間の相対角度αは、９０°乃至３０°であり、とりわけ好ましくは角度αが４５°である。

図４に概略が示される完成コンポネント２０はセンサー監視ユニット１５であり、これは、例えば自動車の技術分野において、とりわけ貨物自動車のタイヤの圧力を無線監視することで知られている。このために公報ＵＳ−２００４／０１５５７６４−Ａが参照される。

このような完成コンポネント２０は、その上に圧力センサー２１が取付けられた基板を有している。また、実際には必ずしも必要ではないが、温度センサーまたは検湿センサーから構成される追加センサー２２を設けても良い。温度センサーは、温度によって生じる所定の圧力変動を認識するのに本質的に役立ち、これにより誤った解釈を導くことがない。

送信アンテナ２４は、直流に変換されうる高周波信号を受信することができるとともに、供給ユニット２６を形成する。次いでこのエネルギーがセンサー２１、２２のデータを評価するマイクロコンピュータ２５に送り込まれ、信号が無線送信機２３に配信される。送られた信号は発酵装置全体の監視に基づいて評価され、また場合によっては、撹拌機の電源の切断および／または装置の停止を導く。

吸湿動作センサーは、例えばシャフト１０の内部空間１４内の湿度の増加を突き止めるのに役立ち、これはシャフト内に凝縮水分が存在することを示す指標となりうる。凝縮水分が存在することは、ごくわずかな漏洩が存在することの指標としても捉えられる。いずれにせよ、修正に起因する損傷が生じやすいため、凝縮水分がシャフト内に生成されることは望ましくない。ここに提供される発酵槽の寸法は、全長が通常２５乃至５０ｍであるとともに直径が５乃至１５ｍであり、したがって、またシャフト１０も、直径が５００乃至１５００ｍｍとなるシャフト本体１１を有している。

これらの寸法は、無論入口ポートにシャフトを問題なく供給できる大きさである。この入口ポートにより、適切な点検修理作業を実行することができる。この入口ポートは、無論完全に密閉される態様で閉鎖できなければならない。しかしながら、入口ポートの存在は強制されない。どのような損傷が生じても、これは外部からの分解修理作業によって処理されうる。この領域における硬化に関する問題は、追加の漏洩源と同様に入口ポートを省略することにより回避できる。

本発明の原理は、上述したように、本質的にシャフト１０を中空シャフトとして構成することにあり、これは適切な浮揚力を有する。この結果、監視する人が漏洩部を介して中空シャフトに水が充満しているか否かを確実に認識できる。この場合、浮揚力は生じなくなるであろうし、シャフトがますますたわみ、そしてすぐに避けられない各損害が生じるであろう。この可能性を排除するため、本発明によれば、所定の正圧または負圧がシャフトの内部空間１４に適用され、この圧力が適当な手段により監視される。

本発明による発酵槽の長手方向垂直断面図。 シャフトの長手方向に直角な、発酵槽の垂直断面図。 センサー領域における中空シャフトの概略断面図。 無線センサー監視ユニットの概略図。 本発明による中空シャフトのシャフトジャーナルにおける、従来の圧力監視手段を示す図。

符号の説明

１ 水平型発酵槽
２ タンク
３ 入口
４ 入口側の端部壁
５ 出口
６ 出口側の端部壁
７ シャフトベアリング
８ シャフトジャーナル
９ 生体廃棄物
１０ シャフト
１１ シャフト本体
１２ 撹拌アーム
１３ 羽根
１４ 内部空間
１５ センサー監視ユニット
１６ 圧力監視ユニット
１７ 圧力導管
１８ 圧力計
２０ 完成コンポネント
２１ 圧力センサー
２２ 温度センサーまたは検湿センサー
２３ 無線送信機
２４ 送信アンテナ
２５ マイクロコンピュータチップ
２６ 供給ユニット

Claims (13)

1. 生体廃棄物（９）の嫌気的発酵に用いられる水平型の栓流式発酵槽（１）において、
   入口（３）および出口（５）と、
   前記発酵槽の長手方向内を通過するシャフト（１０）と前記シャフト上に配置された複数の撹拌アーム（１２）とを有する撹拌機とを備え、
   前記シャフト（１０）は、発酵槽端部（４、６）領域内に取付けられ、
   少なくとも前記シャフト（１０）は、充填された前記発酵槽（１）内におけるその浮揚力が前記シャフトのたわみを少なくとも近似的に補正することができるよう、内部にガスまたは空気が充填された閉じた中空要素として構成されるとともに、この内部空間の圧力について監視されることを特徴とする栓流式発酵槽。
2. 前記内部空間（１４）内に正圧（Ｐ₁）が広がっていることが監視されることを特徴とする請求項１に記載の栓流式発酵槽。
3. 前記内部空間（１４）内に負圧（Ｐ₁）が広がっていることが監視されること特徴とする請求項１に記載の栓流式発酵槽。
4. 前記内部空間内に圧力を測定する部材（１５、１６）が配置され、この測定値が監視されることを特徴とする請求項１に記載の栓流式発酵槽。
5. 前記撹拌アーム（１２）は、前記シャフト（１０）の全長を通じて、互いに均等な間隔を設けるとともに、互いに同一の角度ずつずらして外周に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の栓流式発酵槽。
6. 前記シャフトの長手方向に対して互いに隣接する２つの前記撹拌アーム（１２）は、いずれも９０°乃至３０°の角度（α）、好ましくは４５°の角度（α）ずつずれて配置されていることを特徴とする請求項５に記載の栓流式発酵槽。
7. 前記シャフト（１０）にシャフトジャーナルが設けられ、両端部のシャフトジャーナル（８）は、入口側および出口側の発酵槽端部（４、６）を貫通するとともに、発酵槽タンク（２）外方に取付けられていることを特徴とする請求項１に記載の栓流式発酵槽。
8. シャフト本体（１１）はチューブにより形成され、その各端部にシャフトジャーナル（８）が設けられ、チューブは少なくとも１つの前記シャフトジャーナル端部を介して駆動されることを特徴とする請求項１に記載の栓流式発酵槽。
9. 前記シャフト（１０）は、少なくともその駆動側において、発酵槽端部（４、６）内に導入されるとともに、そこに取付けられたクラウン歯車を介して駆動されることを特徴とする請求項１に記載の栓流式発酵槽。
10. 圧力導管（１７）が前記シャフト（１０）の前記内部空間（１４）内に導入され、前記圧力導管（１７）は、２つのシャフトジャーナル（８）のうち１つを通って測定装置へ案内されることを特徴とする請求項８に記載の栓流式発酵槽。
11. センサー監視ユニット（１５）に配置された少なくとも１つの測定プローブ（２１、２２）が、前記シャフト（１０）の前記内部空間（１４）内に設けられ、前記ユニット（１５）は、前記発酵槽外部から起動可能であるとともに、測定値に対応する信号を送信機を介して前記発酵槽外部に設けられた受信機に送信することを特徴とする請求項１に記載の栓流式発酵槽。
12. 前記シャフトの前記内部空間（１４）内での測定状態が変化することにより、前記発酵槽の制御装置へ伝達される信号が生成されることを特徴とする請求項１に記載の栓流式発酵槽。
13. 前記発酵槽（１）の少なくともいくつかの撹拌アーム（１２）は、浮揚力を増加させるために中空要素として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の栓流式発酵槽。

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