JP2015093940A - 液体燃料の製造方法および製造装置 - Google Patents

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隆幸 鈴木
米山 豊
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Abstract

【課題】グリセリンの副生を防止しつつ、油脂含有廃液から液体燃料を得ることができる製造方法の提供。
【解決手段】油脂含有廃液を生化学的反応によって分解して、固体の高級脂肪酸を得た後、得られた固体の高級脂肪酸をエステル化して液体燃料を得る、液体燃料の製造方法。
【選択図】図1

Description

本発明は、合併浄化槽汚泥のような液状廃棄物、油脂製品製造排水等の食品系産業排水などのように、油脂分を含む廃棄物・排水(以下「油脂含有廃液」と略記する場合がある)から液体燃料を製造する方法および装置に関する。
有機性排水の生物処理方法として、好気性処理および嫌気性処理が挙げられる。
好気性処理は活性汚泥処理に代表される処理法であり、下水処理、産業廃水処理に広く普及している。
嫌気性処理は、好気性処理と比べて、汚泥発生量が少なく、ブロワ−(曝気)などの電気代が不要なためランニングコストを抑えられるばかりか、発生したメタンガスを有効利用できたりするなどのメリットがあるため、近年、汚泥処理、畜産廃水処理、産業排水処理等の分野などで普及している処理である。
前記好気性処理、嫌気性処理のいずれかの処理で油脂含有廃液の汚濁成分が処理されるが、生物処理において油脂分の処理速度が低いことが問題になっている。油脂分(トリグリセリド等)は高級脂肪酸とグリセリンの化合物等であるが、酵素リパーゼによって容易に高級脂肪酸とグリセリンに分解される。しかしながら、高級脂肪酸の生分解反応はβ酸化によって進行するため、反応速度が極めて低く、処理の過程で蓄積し、蓄積量が多いと非特許文献1に記載のように脂肪酸の球状態であるオイルボールに変化する。オイルボールは乳化している油脂分に比較して単位重量あたりの表面積が著しく小さく、また微生物の増殖に必要な水中の窒素、リンなど栄養素が浸透しづらいため、生物処理がますます困難になる。
一方、再生エネルギーの有力な液体燃料としてBDF(バイオディゼルフューエル/Bio Diesel Fuel)が国内外で生産されている。西欧ではエネルギー作物としての菜種、日本では主には廃食用油を原料として生産されている。最も普及している生産方法は、油脂分とメタノールを混合し、アルカリ金属を触媒としてBDF(脂肪酸エステル)に転換させるものであるが、この反応では式(1)に示されるように副生するグリセリンの処理処分が問題になっている。副生グリセリンは、好気性処理で酸化分解あるいは嫌気性処理でメタン化の他、焼却処分等が行われている。一部は有効利用されているが、グリセリンの品質が粗悪なためほとんど普及していない。再生エネルギー利活用が進められているが、BDFについては副生グリセリンの処理が大きな課題となっている。
Figure 2015093940
式(1)において、R1、R2、R3は、炭化水素基を意味しており、これらR1、R2、R3は異種の炭化水素基であってよく、R1、R2、R3の少なくとも二つが同種の炭化水素基であってよい。また、R1、R2、R3は、炭素−炭素不飽和結合を有してもよく、アルコキシ基などの他の官能基が結合していてもよい。
東京都消費生活総合センター技術支援課「排水として流すタイプの油処理剤」2004年2月、東京都消費生活総合センター出版
本発明の目的は、グリセリンの副生を防止しつつ、油脂含有廃液から液体燃料を得ることができる製造装置および製造方法を提供することである。
本発明者は上記のような課題を解決するために鋭意検討し、本発明を完成させた。
本発明は、以下の(1)〜(7)である。
(1)油脂含有廃液を生化学的反応によって分解して、固体の高級脂肪酸を得る分解工程と、
得られた固体の高級脂肪酸をエステル化して液体燃料を得るエステル化工程と、
を備える液体燃料の製造方法。
(2)前記分解工程において、前記油脂含有廃液を生化学的反応によって分解した後、または分解しながら、前記油脂含有廃液を旋回することで、固体のオイルボールとして前記高級脂肪酸を得る、上記(1)に記載の液体燃料の製造方法。
(3)前記分解工程において、前記生化学的反応が嫌気的なメタン発酵である、上記(1)または(2)に記載の液体燃料の製造方法。
(4)上記(1)〜(3)のいずれかに記載の製造方法によって得られる液体燃料。
(5)油脂含有廃液を生化学的反応によって分解して、固体の高級脂肪酸を得る分解手段と、
得られた固体の高級脂肪酸をエステル化して液体燃料を得るエステル化手段と、
を有する液体燃料の製造装置。
(6)前記分解手段が、さらに、前記油脂含有廃液を生化学的反応によって分解した後、または分解しながら、前記油脂含有廃液を旋回することで、固体のオイルボールとして前記高級脂肪酸を得ることができる旋回手段を有する、上記(5)に記載の液体燃料の製造装置。
(7)前記分解手段は、前記生化学的反応として嫌気的なメタン発酵を行うことができる、上記(5)または(6)に記載の液体燃料の製造装置。
本発明によれば、グリセリンの副生を防止しつつ、油脂含有廃液から液体燃料を得ることができる製造装置および製造方法を提供することができる。
本発明の装置を説明するための概念図である。 本発明の装置の好ましい態様を示す概略図である。 本発明の装置の別の好ましい態様を示す概略図である。
本発明について説明する。
本発明は、油脂含有廃液を生化学的反応によって分解して、固体の高級脂肪酸を得る分解工程と、得られた固体の高級脂肪酸をエステル化して液体燃料を得るエステル化工程と、を備える液体燃料の製造方法である。
このような製造方法を、以下では「本発明の方法」ともいう。
また、本発明は、油脂含有廃液を生化学的反応によって分解して、固体の高級脂肪酸を得る分解手段と、得られた固体の高級脂肪酸をエステル化して液体燃料を得るエステル化手段と、を有する液体燃料の製造装置である。
このような製造装置を、以下では「本発明の装置」ともいう。
本発明の方法は、本発明の装置を用いて行うことが好ましい。
以下において、単に「本発明」と記した場合、本発明の方法および本発明の装置の両方を意味するものとする。
本発明について図を用いて説明する。
図1は、本発明の装置を示す概略図である。
図1において本発明の装置10は、油脂含有廃液1を生化学的反応によって分解して、固体の高級脂肪酸3を得る分解手段12と、得られた固体の高級脂肪酸3をエステル化して液体燃料5を得るエステル化手段14と、を有する。
<分解手段>
本発明の装置10が有する分解手段12について説明する。
分解手段12における処理対象物である油脂含有廃液1は、前述のように、油脂分を含む廃棄物や排液である。典型例として、合併浄化槽汚泥のような液状廃棄物、油脂製品製造排水等の食品系産業排水が挙げられる。
ここで、油脂分は、脂肪酸グリセリド(脂肪酸トリグリセリド、脂肪酸ジグリセリド、脂肪酸モノグリセリドを含む。)を含むものであり、主として、高級脂肪酸とグリセリンとの化合物である。
分解手段12では、このような油脂含有廃液1を生化学的反応によって分解する。
生化学的反応は、油脂分を分解して高級脂肪酸を生じさせる反応であれば特に限定されない。例えば、従来公知の好気性処理や嫌気性処理による分解反応が挙げられる。
生化学的反応は、嫌気性処理による分解反応であることが好ましく、嫌気的なメタン発酵による分解反応であることがより好ましい。液体燃料5とは別に、バイオガス(気体燃料)を得ることができるからである。
このような分解手段12によって、固体状の高級脂肪酸3を得ることができる。
また、油脂含有廃液1を生化学的反応によって分解した後、または分解しながら、油脂含有廃液1を旋回することで、固体のオイルボールとして高級脂肪酸3を得ることが好ましい。よって、分解手段12が、さらに、油脂含有廃液1を生化学的反応によって分解した後、または分解しながら、油脂含有廃液1を旋回することで、固体のオイルボールとして高級脂肪酸を得ることができる旋回手段を有することが、高級脂肪酸を容易に回収する上で好ましい。オイルボールを形成するための旋回手段として公知の曝気攪拌、機会攪拌、水流攪拌を利用することができる。
このような分解手段12によって、本発明の方法における分解工程を行うことができる。
<エステル化手段>
本発明の装置1が有するエステル化手段14について説明する。
エステル化手段14では、分解手段12によって得られた固体の高級脂肪酸3をエステル化して液体燃料5を得る。
エステル化手段14は、基本的には固体の高級脂肪酸3とアルコールとを反応させる手段である。温度条件によっては脂肪酸が液状になっている場合があるが、液状でも同様にエステル化を行うことができる。高級脂肪酸3とメタノールとのエステル化は硫酸酸性下にて反応させて行うことができるが、金属触媒を利用した方法など他の公知の方法を利用することもできる。固体高級脂肪酸は10mm程度の大きさでもエステル化を行うことができるが、エステル化反応を円滑に進めるためは、3mm以下に粉砕するか、加温して液状で反応せしめるのが好ましい。
ここでアルコールは、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノールなどの直鎖アルコール類、イソブチルアルコール、2−ブタノール、t−ブタノール、アリルアルコールなどの分岐アルコール類などを意味し、炭素原子数が1〜24個程度であることが好ましい。
このようなエステル化手段14によって、本発明の方法におけるエステル化工程を行うことができる。
次に、本発明の実施態様について、図を用いて説明する。
<実施例1>
本発明の実施態様について図2を参照しつつ説明する。
油脂含有廃液11は嫌気的条件下にあるメタン発酵槽22に導入され、油脂含有廃液11に含まれる油脂分は高級脂肪酸とグリセリンとに分解される。グリセリンは油脂含有廃液11中の他の有機物とともにバイオガス17(主としてメタン、二酸化炭素)に転換され、メタン発酵液19はメタン発酵槽22外に排出される。高級脂肪酸は分解速度が低いため、一部は分解するが大部分は残留、析出し、集合して粗大な固形物となる。メタン発酵槽22内液が適度な旋回状態攪拌されている場合は、旋回流によって固形物が回転しつつ集合してオイルボール13(球形固形物)になる。
メタン発酵槽22の水温は35〜58℃が望ましく、pHは中性程度が望ましく、水理学的滞留日数(HRT)は15〜30日が望ましい。
メタン発酵槽22内の攪拌は対流が生ずるように機械攪拌装置29(ガス攪拌装置等であってもよい)を設置することが好ましい。オイルボール13はオイルボール移送管23を経由してBDF生産工程24に移送され、BDF15に転換される。オイルボールはBFD生産工程24において、下記式(2)に示すように硫酸酸性下でメタノールと反応してBDFとなるが、BDF原料が脂肪酸(RCOOH)のため、前述の式(1)とは異なり、グリセリンを副生しない。
Figure 2015093940
式(2)において、Rは炭化水素基を意味する。また、Rは、炭素−炭素不飽和結合があってもよく、アルコキシ基などの他の官能基が結合していてもよい。また、Rが含む炭素数は12個以上であることが好ましい。
メタン発酵槽22からオイルボール13を分離する手段として、掻き寄せ機、浮上物の水流による排出など、嫌気性槽からの公知のスカム排出手段を利用することができる。あるいはメタン発酵槽22外に排出されるメタン発酵液19からスクリーン、網等の分離手段を利用しても良い。メタン発酵液19を浄化するには好気的処理、例えば活性汚泥処理が推奨される。
<実施例2>
次に、本発明の別の実施態様について図3を参照しつつ説明する。
油脂含有廃液31は、好気性微生物が浮遊し、空気曝気されている曝気槽42に導入され、油脂含有廃液31に含まれる油脂分は微生物の産生するリパーゼによって高級脂肪酸とグリセリンに分解される。グリセリンは溶解して水中に残留あるいは油脂含有廃液31中の他の有機物とともに微生物によって酸化分解され、高級脂肪酸は曝気槽42内液の旋回流によってオイルボールが形成される。曝気槽の水温は10〜40℃程度、pHは中性近傍が望ましい。水温が70℃程度になると、微生物が失活し、また高級脂肪酸の一部が溶解して後段の分離が難しくなるので好ましくない。オイルボールは曝気槽42から流出する曝気液32に伴い、オイルボール分離機43に導入され、バースクリーン431によって分離され、分離されたオイルボール33はBDF生産工程34に移送される。分離水36は、さらなる処理のための処理工程51に移送され、生物処理、物理化学的処理等の公知の処理技術によって処理される。オイルボールの分離にはスクリーンの他、網、籠など公知の分離手段を利用することができる。曝気槽42における油脂分の分解を向上するためには、分離水36を固液分離工程53に移送し、分離水36の固形物(微生物)を分離し、曝気槽42に返送配管55を通して返送すればよい。分離水37は処理工程51に移送し、処理水38は放流あるいは再利用すればよい。
曝気槽42内液の溶存酸素濃度は、油脂分が脂肪酸とグリセリンに分解するリパーゼ生産菌が活性化すればよいので、曝気槽42へ空気供給されていればゼロでも分解反応を進めることができる。
<実施例3>
図2のメタン醗酵槽22(円筒形:内径300mm、高さ600mm 有効容積 30L)に消化汚泥を種汚泥として投入し、BOD濃度3000mg/L、油脂分(N−ヘキサン抽出物質として測定)600mg/Lの油脂含有廃液11を1.2L/日でメタン醗酵処理した。メタン醗酵槽22は恒温水槽に設置して37℃になるように制御した。運転開始直後からバイオガス(メタン濃度64%、二酸化炭素濃度36%)が発生し、数日後から直系5mm程度のオイルボールが析出し始めたので、オイルボールをメタン醗酵槽22外に取り出し、水洗後、みじん切りにした後、メタノールと混合し、硫酸酸性下、100℃でエステル化を行った。その結果オイルボールから収率94%の率で脂肪酸エステルを製造することができた。
1 油脂含有廃液
3 固体の高級脂肪酸
5 液体燃料
10 本発明の装置
12 分解手段
14 エステル化手段
11、31 油脂含有廃液
13、33 オイルボール
15 BDF
17 バイオガス
19 メタン発酵液
22 メタン発酵槽
23 オイルボール移送管
24、34 BDF生産工程
29 機械攪拌装置
32 曝気液
36、37 分離水
38 処理水
42 曝気槽
43 オイルボール分離機
431 バースクリーン
51 処理工程
53 固液分離工程
55 返送配管

Claims (7)

  1. 油脂含有廃液を生化学的反応によって分解して、固体の高級脂肪酸を得る分解工程と、
    得られた固体の高級脂肪酸をエステル化して液体燃料を得るエステル化工程と、
    を備える液体燃料の製造方法。
  2. 前記分解工程において、前記油脂含有廃液を生化学的反応によって分解した後、または分解しながら、前記油脂含有廃液を旋回することで、固体のオイルボールとして前記高級脂肪酸を得る、請求項1に記載の液体燃料の製造方法。
  3. 前記分解工程において、前記生化学的反応が嫌気的なメタン発酵である、請求項1または2に記載の液体燃料の製造方法。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法によって得られる液体燃料。
  5. 油脂含有廃液を生化学的反応によって分解して、固体の高級脂肪酸を得る分解手段と、
    得られた固体の高級脂肪酸をエステル化して液体燃料を得るエステル化手段と、
    を有する液体燃料の製造装置。
  6. 前記分解手段が、さらに、前記油脂含有廃液を生化学的反応によって分解した後、または分解しながら、前記油脂含有廃液を旋回することで、固体のオイルボールとして前記高級脂肪酸を得ることができる旋回手段を有する、請求項5に記載の液体燃料の製造装置。
  7. 前記分解手段は、前記生化学的反応として嫌気的なメタン発酵を行うことができる、請求項5または6に記載の液体燃料の製造装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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