JP2024068998A

JP2024068998A - 炭酸ガス溶解装置

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Publication number: JP2024068998A
Application number: JP2022179730A
Authority: JP
Inventors: 洪武李; Kobu Ri; 龍樹戸田; Tatsuki Toda; 佳樹 ▲高▼山; Yoshiki Takayama
Original assignee: Soka University
Current assignee: Soka University
Priority date: 2022-11-09
Filing date: 2022-11-09
Publication date: 2024-05-21

Abstract

【課題】より効率的に液体内に炭酸ガスを溶解させることができる炭酸ガス溶解装置を提供する。【解決手段】炭酸ガス溶解装置１は炭酸ガスを液体に溶解させるための培養槽２０と、培養槽２０に供給する液体を貯留する液体供給槽１０と、液体供給槽１０と培養槽２０とを連通する気液供給路４０と、気液供給路４０を介して培養槽２０に液体供給槽１０内の液体を吐出するポンプ１４と、炭酸ガスを含む気体を気液供給路４０内に供給する気体供給部３０と、培養槽２０内で発生した余剰気体を気液供給路４０内に還流する第１気体還流路６０と、備える。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば微細藻類の培養やバイオガスの精製に適用可能な炭酸ガス溶解装置に関する。

近年、エネルギー、食品、化粧品等の様々な分野において微細藻類の利用が注目されている。微細藻類の培養は、微細藻類を含む培養液が貯留された培養槽に炭酸ガス（二酸化炭素：ＣＯ_２）を含む気体を供給することで行われている（例えば、特許文献１参照）。

また、畜糞、生ゴミ、廃水等の有機性廃棄物等のバイオマスをメタン発酵させて生じたバイオガスの利用も注目されている。バイオガスは一般的にメタンガス（ＣＨ_４）が６割程度、炭酸ガスが４割程度からなり、このメタンガスと炭酸ガスを分離（バイオガス精製）することで、それぞれに適した用途で使用することが可能となる。

微細藻類の培養やバイオガス精製のいずれの場合においても、液体内に無駄なく炭酸ガスを溶解させることが望まれている。

特開２０２０－６５９９２号公報

本発明は、より効率的に液体内に炭酸ガスを溶解させることができる炭酸ガス溶解装置を提供することを目的とする。

例えば、本発明は、炭酸ガスを液体に溶解させるための処理槽と、前記処理槽に供給する前記液体を貯留する液体供給槽と、前記液体供給槽と前記処理槽とを連通する気液供給路と、前記気液供給路を介して前記処理槽に前記液体供給槽内の前記液体を吐出するポンプと、炭酸ガスを含む気体を前記気液供給路内に供給する気体供給部と、前記処理槽内で発生した余剰気体を前記気液供給路内に還流する第１気体還流路と、を備える炭酸ガス溶解装置である。

本発明により、より効率的に液体内に炭酸ガスを溶解させることができる炭酸ガス溶解装置を提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る炭酸ガス溶解装置の全体構成図である。本発明の第１実施形態に係る培養槽の詳細図である。気液供給路の詳細図である。本実施形態の炭酸ガス溶解装置を使用した場合の溶解炭酸ガス濃度とｐＨ値の時間推移を示すグラフである。本発明の第２実施形態に係る炭酸ガス溶解装置の全体構成図である。培養槽の第１変形例を示す構成図である。培養槽の第２変形例を示す構成図である。本発明の第３実施形態に係る炭酸ガス溶解装置の全体構成図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。

＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態に係る炭酸ガス溶解装置の全体構成図であり、図２は培養槽の詳細図であり、図３は気液供給路の詳細図である。以下、これらの図に沿って第１実施形態について説明する。

第１実施形態における炭酸ガス溶解装置１は、具体的には微細藻類の培養装置である。図１に示すように炭酸ガス溶解装置１は、主に液体供給槽１０、培養槽２０、気体供給部３０を有している。なお、培養槽２０は説明の簡略化のため第１培養槽２０ａ及び第２培養槽２０ｂの２つのみを例に説明するが、３つ以上の培養槽を有していてもよい。

微細藻類とは、光合成により炭酸ガス（二酸化炭素：ＣＯ_２）から酸素を生成可能な微生物（主に植物プランクトン）であり、１個体が１μｍ～数十μｍ程度の大きさである。微細藻類の種類は特に限定されないが、例えば、緑藻類、灰色藻類、紅色藻類、クロララクニオン藻類、ユーグレナ類、クリプト藻類、褐藻類、ハプト藻類、不等毛藻類、渦鞭毛藻類、クロメラ藻類、藍藻類、等がある。

液体供給槽１０は、培養液を貯留する容器である。液体供給槽１０の形状は、立方体でも、円筒状であってもよいが、密閉状態を形成できる容器である。培養液は、水と微細藻類の栄養分となる栄養塩とが含まれる培地に、微細藻類が懸濁されたものである。栄養塩には、例えば窒素、リン、硫黄、無機金属イオン（Ｋ^＋、Ｍｇ^２＋、Ｆｅ^２＋、Ｍｎ^２＋等）が含まれる。

液体供給槽１０には、上面が閉じた円筒状の中央管１１が上下方向に延びており、上部には後述する液体還流路５０の一端が接続されている。また、液体供給槽１０の培養液内にはＣＯ_２センサ１２と、ｐＨセンサ１３が設けられている。ＣＯ_２センサ１２は液体供給槽１０内の培養液の炭酸ガス濃度を検出可能であり、ｐＨセンサ１３は培養液のｐＨ値を検出可能である。炭酸ガス濃度及びｐＨ値はいずれも培養槽２０に供給される炭酸ガス量に相関する状態値である。

液体供給槽１０の側壁下部には、気液供給路４０の一端が接続されている。気液供給路４０の他端は第１培養槽２０ａの側壁下部と接続されており、気液供給路４０は液体供給槽１０と第１培養槽２０ａと第２培養槽２０ｂを連通している。

液体供給槽１０には、気液供給路４０を介して第１培養槽２０ａと第２培養槽２０ｂに液体供給槽１０内の培養液を吐出するポンプ１４が設けられている。

第１培養槽２０ａ及び第２培養槽２０ｂは、微細藻類を培養するための容器であって、気液供給路４０から培養液と共に供給される炭酸ガスを培養液内に溶解させて、二酸化炭素を微細藻類に供給する処理槽でもある。

具体的には図２に示すように、本実施形態の第１培養槽２０ａ及び第２培養槽２０ｂは、いわゆるフラットパネルリアクターであり、幅の狭い中空の直方体容器である。第１培養槽２０ａと第２培養槽２０ｂとは互いの影に入らないよう所定の間隔をあけて立設されている。第１培養槽２０ａと第２培養槽２０ｂとは互いの側壁上部間が連結路２１により接続されて連通されている。第１培養槽２０ａにて余剰となった培養液は、連結路２１を介して第２培養槽２０ｂに供給される。

第２培養槽２０ｂには、側壁上部に液体還流路５０の他端が接続されており、液体還流路５０を介して上述の液体供給槽１０の中央管１１と連通されている。第２培養槽２０ｂにて余剰となった培養液は、液体還流路５０を介して中央管１１、すなわち液体供給槽１０に還流される。

また、第２培養槽２０ｂ（端末培養槽）の上壁には、第１気体還流路６０が接続されている。なお、第１培養槽２０ａの上壁から第１気体還流路６０と連通する接続路が延びていてもよい。第１気体還流路６０の一端は気液供給路４０に接続されている。第１気体還流路６０には、余剰気体の逆流（還流とは逆向きの流れ）を防ぐ逆止弁６１が設けられている。第１培養槽２０ａ及び第２培養槽２０ｂにて余剰となった気体（酸素や炭酸ガス）は、この第１気体還流路６０を介して気液供給路４０に還流される。

気体供給部３０は、主に炭酸ガスボンベ３１と、当該炭酸ガスボンベ３１と気液供給路４０とを接続する気体供給路３２と、を有している。

炭酸ガスボンベ３１は、気液供給路４０への炭酸ガスの供給源であり、加圧された炭酸ガスが貯留されている。炭酸ガスボンベ３１には、炭素ガスの供給量を調整可能な流量調整弁３３と、炭素ガスの供給量を検出可能な流量計３４が設けられている。

気体供給路３２は、一端が流量調整弁３３を介して炭酸ガスボンベ３１と接続されており、他端が気液供給路４０と接続されている。気体供給路３２には炭酸ガスボンベ３１からの気体の逆流を防ぐ逆止弁３５が設けられている。流量調整弁３３にて調整された供給量にて炭酸ガスが気液供給路４０に供給される。

気液供給路４０は、上述の通り液体供給槽１０と第１培養槽２０ａ及び第２培養槽２０ｂとを連通しており、且つ気体供給路３２、第１気体還流路６０、第２気体還流路７０が接続されている。第２気体還流路７０は、液体供給槽１０の中央管１１上部と接続されている。第２気体還流路７０には、余剰気体の逆流（還流とは逆向きの流れ）を防ぐ逆止弁７１が設けられている。液体供給槽１０にて余剰となった気体（酸素や炭酸ガス）は、この第２気体還流路７０を介して気液供給路４０に還流される。

気液供給路４０は、例えば５～１０ｍ、内径１０～２０ｍｍの可撓性のあるチューブ部材である。具体的には気液供給路４０は、図３に示すように、ポンプ１４から第１培養槽２０ａへの培養液の流れに対して、気体供給路３２、第２気体還流路７０、第１気体還流路６０の順に接続されている。つまり、気体供給路３２は、第１気体還流路６０及び第２気体還流路７０よりも、気液供給路４０内の培養液の流れ方向上流側で、炭酸ガスを含む気体が供給される構成となっている。

また、これら気体供給路３２、第２気体還流路７０、第１気体還流路６０と、気液供給路４０とは、それぞれＹ字接手４１、４２、４３を介して接続されている。つまり、気体供給路３２から供給される気体、第１気体還流路６０及び第２気体還流路７０から還流される気体は、ポンプ１４から吐出される培養液の流れを妨げず、効率よく混入される。気液供給路４０は、上流側のＹ字接手４１から中央のＹ字接手４２までが気液供給路全体の長さの半分以上を占める長さであり（本実施形態では５ｍ）中央のＹ字接手４２から第１培養槽２０ａとの接続部までの長さはそれよりも短い（例えば２～３ｍ）。そして、第１培養槽２０ａ及び第２培養槽２０ｂ内に位置する気液供給路４０には周面に複数の孔４０ａが形成されている。この各孔４０ａから培養液が流出することで、第１培養槽２０ａ及び第２培養槽２０ｂ内に培養液が供給される。

また、炭酸ガス溶解装置１は、炭酸ガス溶解装置１における各種制御を実行する制御ユニット８０（気体制御部）を有している。制御ユニット８０は、ＣＰＵ等の演算処置部、メモリ、ハードディスク等の記憶部を含み、プログラムに従った演算処理を行うコンピュータ端末である。制御ユニット８０は、専用のマイコンであってもよいし、パーソナルコンピュータ、タブレット、スマートフォン等の汎用の情報端末を用いてもよい。

制御ユニット８０には、上述のＣＯ_２センサ１２、ｐＨセンサ１３、流量調整弁３３、流量計３４等がそれぞれ電気的に接続されている。制御ユニット８０は、ＣＯ_２センサ１２及びｐＨセンサ１３により、液体供給槽１０内の培養液の炭酸ガス濃度及びｐＨ値を監視し、炭酸ガス濃度及びｐＨ値に応じて流量調整弁３３を制御して、気液供給路４０を介して第１培養槽２０ａと第２培養槽２０bに供給する炭酸ガスの量を制御可能である。図４に示すように、本実施形態の炭酸ガス溶解装置１を使用していくと、溶解炭酸ガス濃度が上昇し、ｐＨ値は低くなる傾向となる。

例えば、ＣＯ_２センサ１２により検出される炭酸ガス濃度が培養液内で飽和状態に相当する濃度となるよう流量調整弁３３をフィードバック制御する。具体的には、制御ユニット８０は、検出される炭酸ガス濃度が所定の濃度以上にある場合は流量調整弁３３を閉じ、所定の濃度以下となった場合には流量調整弁３３を開く。流量調整弁３３を開く場合、制御ユニット８０は検出される炭酸ガス濃度と所定の濃度との差分が大きくなるほど、炭酸ガスボンベ３１から供給される炭酸ガス量を多くするよう流量調整弁３３を開いていくのが好ましい。

また、ｐＨセンサ１３に基づく流量調整弁３３の制御は、培養槽２０にて培養される微細藻類に応じて適した所定のｐＨ値が制御ユニット８０に設定されており、当該所定のｐＨ値となるように流量調整弁３３をフィードバック制御する。なお、制御ユニット８０は、ＣＯ_２センサ１２に基づく制御と、ｐＨセンサ１３に基づく制御を同時並行で行ってもよいし、どちらか一方のみを行ってもよい。

本実施形態の炭酸ガス溶解装置１では、通常時において、培養槽２０と液体供給槽１０との間で液体及び気体が密閉された中で循環するように構成されている。図示しないが、液体供給槽１０の少なくとも１か所に内圧が所定圧以上になった場合に開弁して内圧を下げるための排気弁が設けられてる。なお、排気弁は第１培養槽２０ａ、第２培養槽２０ｂのいずれか又は両方に設けられてもよい。例えば本実施形態では、第２培養槽２０ｂの上壁に排気弁６３が設けられている。排気弁が開弁する圧力は、炭酸ガスの溶解効率を高めるため、大気圧より高い値であることが好ましい。

以上のように構成された炭酸ガス溶解装置１は、液体供給槽１０内のポンプ１４が駆動することで、液体供給槽１０内の培養液が気液供給路４０を介して第１培養槽２０ａと第２培養槽２０ｂに供給される。

気液供給路４０では、培養液に加えて、気体供給路３２から供給される炭酸ガスを含む気体、第２気体還流路７０から液体供給槽１０で余剰となった気体、第１気体還流路６０から第２培養槽２０ｂ（端末培養槽）で余剰となった気体、のいずれか又は全てが混入された溶存無機炭素混入液の状態溶存二酸化炭素と非溶存二酸化炭素（マイクロバブル状態）を含む）で、第１培養槽２０ａと第２培養槽２０ｂに吐出される。なお、気体供給部３０からの炭酸ガスを含む気体の供給がなく、液体供給槽１０で余剰の気体がなく、第２培養槽２０ｂで余剰の気体がない場合は、液体供給槽１０内の培養液がそのまま第１培養槽２０ａと第２培養槽２０ｂに供給される。

気液供給路４０から第１培養槽２０ａと第２培養槽２０ｂに供給された培養液は、内部に含まれる炭酸ガスが第１培養槽２０ａと第２培養槽２０ｂ内にて溶解されていく。第１培養槽２０ａ内で炭酸ガスが溶解した培養液は連結路２１を介して第２培養槽２０ｂに供給される。さらに、第２培養槽２０ｂにて余剰となった培養液は、液体還流路５０を介して液体供給槽１０に還流される。

また、第１培養槽２０ａ及び第２培養槽２０ｂにおいて培養液に溶解した炭酸ガスは、微細藻類の光合成により一部消費されて酸素が生成され、消費されずに余った炭酸ガスと、生成された酸素とを含む余剰気体は第１気体還流路６０を介して、気液供給路４０に還流される。

さらに、液体供給槽１０においても、液体供給源としての培養液や第２培養槽２０ｂから還流された培養液にそれぞれ含まれ余剰となった炭酸ガスが第２気体還流路７０を介して気液供給路４０に還流される。

このように本実施形態の炭酸ガス溶解装置１は、液体供給槽１０から培養槽２０に培養液を供給する気液供給路４０において、気体供給部３０からの炭酸ガスに加えて、第１気体還流路６０から培養槽２０で発生した余剰空気が還流される構成をなしている。このように培養槽２０にて消費されなかった炭酸ガスを気液供給路４０に戻して培養槽２０に循環させることで、気体供給部３０から供給した炭酸ガスを無駄なく効率的に溶解させることができる。

さらに、液体供給槽１０内で発生した余剰気体も第２気体還流路７０を介して気液供給路４０内に供給することで、さらに効率よく炭酸ガスを培養槽２０にて溶解させることができる。

また、培養槽２０の余剰液体を、液体還流路５０を介して液体供給槽１０に還流することで、培養液を循環させて再度利用することができる。

気液供給路４０は、第１培養槽２０ａと第２培養槽２０ｂの下部に連通されていることで、第１培養槽２０ａと第２培養槽２０ｂにおける水面までの高さが最大限確保される。これにより、第１培養槽２０ａと第２培養槽２０ｂ内で比較的高い水圧がかかる中で、且つ高さ方向に広い範囲で炭酸ガスを溶解させることができ、炭酸ガスを溶解する効率をさらに高めることができる。

また、気液供給路４０において、気体供給部３０の気体供給路３２が第１気体還流路６０及び第２気体還流路７０よりも、培養液の流れ方向上流側に接続されていることで、純度の高い炭酸ガスほど溶解する距離をより多く確保することができる。

さらに、制御ユニット８０により、液体供給槽１０における培養液の炭酸ガス濃度やｐＨ値に基づいて流量調整弁３３をフィードバック制御することで、必要最小限の炭酸ガス供給量で適切な炭酸ガス濃度やｐＨ値を維持することができる。

また、通常時において液体供給槽１０と培養槽２０との間で液体及び気体を密閉された中で循環させることで、炭酸ガスの大気への放出を抑えることができる。また、培養槽２０の内圧を高めることができ、大気圧状態よりも炭酸ガスの溶解効率を向上させることができる。

以上のように、本実施形態の炭酸ガス溶解装置１によれば、より効率的に培養槽２０の培養液内に炭酸ガスを溶解させることができる。

＜第２実施形態＞
次に本発明の炭酸ガス溶解装置の第２実施形態について説明する。図５は本発明の第２実施形態に係る炭酸ガス溶解装置の全体構成図である。

第２実施形態における炭酸ガス溶解装置２は、第１実施形態と同様に微細藻類の培養装置であり、第１実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付し詳しい説明を省略する。

第２実施形態の炭酸ガス溶解装置２は、培養槽２３の第１培養槽２３ａ及び第２培養槽２３ｂのそれぞれが、微細藻類と培養液とを分離する第１分離膜２４ａ、第２分離膜２４ｂにより区画されている。第１分離膜２４ａ及び第２分離膜２４ｂは、特に限定されるものではなく、微細藻類を分離できるものであれば既知のものでよい。

連結路２１は、第１培養槽２３ａにおいて、第１分離膜２４ａよりも下流側に接続されている。つまり、連結路２１は第１分離膜２４ａにより微細藻類が分離された培養液を第２培養槽２３ｂに供給する。

液体還流路５０は第２培養槽２３ｂにおいて、第２分離膜２４ｂよりも下流側に接続されている。つまり、液体還流路５０は第２分離膜２４ｂにより微細藻類が分離された培養液を液体供給槽１０に還流する。

このように構成された第２実施形態の炭酸ガス溶解装置２では、第１実施形態の炭酸ガス溶解装置１と同様の効果を奏することができる。また、培養槽２０ごとに微細藻類が分離されて培養液が循環することから、連結路２１、液体還流路５０、液体供給槽１０のメンテナンスが容易となる。また、培養槽２３ごとに異なる微細藻類を培養することも可能となる。

＜培養槽の変形例＞
第１実施形態及び第２実施形態における培養槽２０、２３は、図２に示したフラットパネルリアクターを例に説明したが、培養槽の構成はこれに限られるものではない。図６には培養槽の第１変形例が、図７には培養槽の第２変形例が、がそれぞれ示されているおり、以下これらの図に基づき培養槽の変形例について説明する。

図６に示す第１変形例の培養槽２５は、いわゆるバブルカラムリアクターであり、円筒状の容器からなる第１培養槽２５ａ及び第２培養槽２５ｂからなる。一方の第１培養槽２５ａの側壁下部に気液供給路４０が接続され、第１培養槽２５ａと第２培養槽２５ｂとは側壁上部にて互いに連結路２１を介して接続されている。また、第２培養槽２５ｂには液体還流路５０が接続されている。第１培養槽２５ａ及び第２培養槽２５ｂの上面には第１気体還流路６０が接続されている。

また図示しないが培養槽は、いわゆるチューブラーリアクターであってもよい。例えば、チューブラーリアクターは縦方向に蛇行した循環路を形成する管状の容器からなる。一側（上流側）の管状部の側壁下部には気液供給路が接続され、下流側の管状部の側壁上部には液体還流路が接続される。また、各管状部の上面には第１気体還流路が接続される。

図７に示す第２変形例の培養槽２７は、いわゆる垂直型のバッグリアクターであり、可撓性の軟質樹脂からなる袋を縦に配置した第１培養槽２７ａ及び第２培養槽２７ｂからなる。一方の第１培養槽２７ａの側壁下部に気液供給路４０が接続され、第１培養槽２７ａと第２培養槽２７ｂとは側壁上部にて互いに連結路２１を介して接続されている。また、第２培養槽２７ｂには液体還流路５０が接続されている。第１培養槽２７ａ及び第２培養槽２７ｂの上面には第１気体還流路６０が接続されている。

また図示しないが、培養槽は、いわゆる水平型のバッグリアクターであってもよい。その場合、可撓性の軟質樹脂からなる袋を横に寝かした状態で配置した第１培養槽及び第２培養槽からなる。

＜第３実施形態＞
次に本発明の炭酸ガス溶解装置の第３実施形態について説明する。図８は本発明の第３実施形態に係る炭酸ガス溶解装置の全体構成図である。

第３実施形態における炭酸ガス溶解装置３は、具体的にはバイオガスの精製装置である。図８に示すように炭酸ガス溶解装置３は、主に液体供給槽１１０、処理槽１２０、気体供給部１３０を有している。なお、処理槽１２０は説明の簡略化のため第１処理槽１２０ａ及び第２処理槽１２０ｂの２つのみを例に説明するが、３つ以上の処理槽を有していてもよい。

バイオガスとは、畜糞、生ゴミ、廃水等の有機性廃棄物等のバイオマスをメタン発酵させて生じる気体であり、精製前はメタンガス（ＣＨ_４）が６割程度、炭酸ガスが４割程度からなる。本実施形態の炭酸ガス溶解装置３による精製後の高純度のメタンガスは例えばバイオ燃料として使用され、炭酸ガスが溶解した酸性の処理液はアルカリ中和剤として使用される。

液体供給槽１１０は、処理液を貯留する容器である。液体供給槽１１０の形状は、立方体でも、円筒状であってもよいが、密閉状態を形成できる容器である。処理液は、主に水である。

液体供給槽１１０には、上面が閉じた円筒状の中央管１１１が上下方向に延びており、上部には後述する液体還流路１５０の一端が接続されている。また、液体供給槽１１０の処理液内にはＣＯ_２センサ１１２と、ｐＨセンサ１１３が設けられている。ＣＯ_２センサ１１２は液体供給槽１１０内の処理液の炭酸ガス濃度を検出可能であり、ｐＨセンサ１１３は処理液のｐＨ値を検出可能である。炭酸ガス濃度及びｐＨ値はいずれも処理槽１２０に供給される炭酸ガス量に相関する状態値である。

液体供給槽１１０の側壁下部には、気液供給路１４０の一端が接続されている。気液供給路１４０の他端は第１処理槽１２０ａの側壁下部と接続されており、気液供給路１４０は液体供給槽１１０と第１処理槽１２０ａと第２処理槽１２０ｂを連通している。

液体供給槽１１０には、気液供給路１４０を介して第１処理槽１２０ａと第２処理槽１２０ｂに液体供給槽１１０内の培養液を吐出するポンプ１１４が設けられている。

第１処理槽１２０ａ及び第２処理槽１２０ｂは、バイオガスを精製するための容器であって、気液供給路１４０から処理液と共に供給されるバイオガスに含まれる炭酸ガスを処理液内に溶解させるための容器である。

具体的には第１実施形態と同様に図２に示したフラットパネルリアクターでよい。第１処理槽１２０ａと第２処理槽１２０ｂとは互いの側壁上部間が連結路１２１により接続されて連通されている。第１処理槽１２０ａにて余剰となった処理液は、連結路１２１を介して第２処理槽１２０ｂに供給される。

第２処理槽１２０ｂには、側壁上部に液体還流路１５０の他端が接続されており、液体還流路１５０を介して上述の液体供給槽１１０の中央管１１１と連通されている。第２処理槽１２０ｂにて余剰となった処理液は、液体還流路１５０を介して中央管１１１、すなわち液体供給槽１１０に還流される。

また、第２処理槽１２０ｂ（端末処理槽）の上壁には、第１気体還流路１６０が接続されている。なお、第１培養槽２０ａの上壁から第１気体還流路６０と連通する接続路が延びていてもよい。第１気体還流路１６０の一端は気液供給路１４０に接続されている。第１気体還流路１６０には、第１処理槽１２０ａと第２処理槽１２０ｂとの間、第１処理槽１２０ａと気液供給路１４０との間には、余剰気体の逆流（還流とは逆向きの流れ）を防ぐ逆止弁１６１、１６２が設けられている。第１処理槽１２０ａ及び第２処理槽１２０ｂにて余剰となった気体（メタンガスや炭酸ガス）は、この第１気体還流路１６０を介して気液供給路１４０に還流される。

気体供給部１３０は、主にメタン発酵槽１３１と、当該メタン発酵槽１３１と気液供給路１４０とを接続する気体供給路１３２と、を有している。

メタン発酵槽１３１は、気液供給路１４０への炭酸ガスを含むバイオガスの供給源である。具体的には、メタン発酵槽１３１では、畜糞、生ゴミ等の有機性廃棄物や食品加工廃水、浸出液等の有機性廃水を基質として、嫌気性菌によりメタン発酵が行われる。嫌気性菌としては、例えば、下水汚泥を処理対象としたメタン発酵処理施設から入手した嫌気性消化汚泥を用いてもよい。メタン発酵槽１３１には、バイオガスの供給量を調整可能な流量調整弁１３３と、バイオガスの供給量を検出可能な流量計１３４が設けられている。

気体供給路１３２は、一端が流量調整弁１３３を介してメタン発酵槽１３１と接続されており、他端が気液供給路１４０と接続されている。気体供給路１３２にはメタン発酵槽１３１からの気体の逆流を防ぐ逆止弁１３５が設けられている。流量調整弁１３３にて調整された供給量にて炭酸ガスが気液供給路１４０に供給される。

気液供給路１４０は、上述の通り液体供給槽１１０と第１処理槽１２０ａとを接続しており、且つ気体供給路１３２、第１気体還流路１６０、第２気体還流路１７０が接続されている。第２気体還流路１７０は、液体供給槽１１０の中央管１１１上部と接続されている。第２気体還流路１７０には、余剰気体の逆流（還流とは逆向きの流れ）を防ぐ逆止弁１７１が設けられている。液体供給槽１１０にて余剰となった気体（メタンガスや炭酸ガス）は、この第２気体還流路１７０を介して気液供給路１４０に還流される。

気液供給路１４０は、例えば５～１０ｍ、内径１０～２０ｍｍの可撓性のあるチューブ部材である。具体的には気液供給路１４０は、第１実施形態と同様に、ポンプ１１４から第１処理槽１２０ａへの処理液の流れに対して、気体供給路１３２、第２気体還流路１７０、第１気体還流路１６０の順に接続されている。つまり、気体供給路１３２は、第１気体還流路１６０及び第２気体還流路１７０よりも、気液供給路１４０内の処理液の流れ方向上流側で、バイオガスが供給される構成となっている。

また、これら気体供給路１３２、第２気体還流路１７０、第１気体還流路１６０と、気液供給路１４０とは、第１実施形態と同様にそれぞれＹ字接手を介して接続されている。つまり、気体供給路１３２から供給される気体、第１気体還流路１６０及び第２気体還流路１７０から還流される気体は、ポンプ１１４から吐出される処理液の流れを妨げず、効率よく混入される。気液供給路４０は、上流側のＹ字接手から中央のＹ字接手の接続部までが気液供給路全体の長さの半分以上を占める長さである（本実施形態では５ｍ）。中央のＹ字接手から第１処理槽１２０ａとの接続部までの長さはそれよりも短い（例えば２～３ｍ）。そして、第１処理槽１２０ａ及び第２処理槽１２０ｂ内に位置する気液供給路１４０には周面に複数の孔（図示せず）が形成されている。この各孔から処理液が流出することで、第１処理槽１２０ａ及び第２処理槽１２０ｂ内に処理液が供給される。

また、炭酸ガス溶解装置３は、炭酸ガス溶解装置３における各種制御を実行する制御ユニット１８０（気体制御部）を有している。制御ユニット１８０は、ＣＰＵ等の演算処置部、メモリ、ハードディスク等の記憶部を含み、プログラムに従った演算処理を行うコンピュータ端末である。制御ユニット１８０は、専用のマイコンであってもよいし、パーソナルコンピュータ、タブレット、スマートフォン等の汎用の情報端末を用いてもよい。

制御ユニット１８０には、上述のＣＯ_２センサ１１２、ｐＨセンサ１１３、流量調整弁１３３、流量計１３４等がそれぞれ電気的に接続されている。制御ユニット１８０は、ＣＯ_２センサ１１２及びｐＨセンサ１１３により、液体供給槽１１０内の処理液の炭酸ガス濃度及びｐＨ値を監視し、炭酸ガス濃度及びｐＨ値に応じて流量調整弁１３３を制御して、気液供給路１４０を介して第１処理槽１２０ａと第２処理槽１２０ｂに供給するバイオガスの量を制御可能である。

例えば、ＣＯ_２センサ１１２により検出される炭酸ガス濃度が処理液内で所定の濃度となるよう流量調整弁１３３をフィードバック制御する。具体的には、制御ユニット１８０は、検出される炭酸ガス濃度が所定の濃度以上にある場合は流量調整弁１３３を閉じ、所定の濃度以下となった場合には流量調整弁１３３を開く。流量調整弁１３３を開く場合、制御ユニット１８０は検出される炭酸ガス濃度と所定の濃度との差分が大きくなるほど、メタン発酵槽１３１から供給されるバイオガス量を多くするよう流量調整弁１３３を開いていくのが好ましい。

また、ｐＨセンサ１１３に基づく流量調整弁１３３の制御は、処理液の用途（例えば化粧品等）に応じて適した所定のｐＨ値が制御ユニット１８０に設定されており、当該所定のｐＨ値となるように流量調整弁１３３をフィードバック制御する。なお、制御ユニット１８０は、ＣＯ_２センサ１１２に基づく制御と、ｐＨセンサ１１３に基づく制御を同時並行で行ってもよいし、どちらか一方のみを行ってもよい。

本実施形態の炭酸ガス溶解装置３では、通常時において、処理槽１２０と液体供給槽１１０との間で液体及び気体が密閉された中で循環するように構成されている。図示しないが、液体供給槽１１０の少なくとも１か所に内圧が所定圧以上になった場合に開弁して内圧を下げるための排気弁が設けられてる。なお、排気弁は第１処理槽１２０ａ、第２処理槽１２０ｂのいずれか又は両方に設けられてもよい。例えば本実施形態では、第２処理槽１２０ｂの上壁に排気弁１６３が設けられている。排気弁が開弁する圧力は、炭酸ガスの溶解効率を高めるため、大気圧より高い値であることが好ましい。

以上のように構成された炭酸ガス溶解装置３は、液体供給槽１１０内のポンプ１１４が駆動することで、液体供給槽１１０内の処理液が気液供給路１４０を介して第１処理槽１２０ａと第２処理槽１２０ｂに供給される。

気液供給路１４０では、処理液に加えて、気体供給路３２から供給されるバイオガス（炭酸ガスを含む気体）、第２気体還流路１７０から液体供給槽１１０で余剰となった気体、第１気体還流路１６０から第２処理槽１２０ｂ（端末処理槽）で余剰となった気体、のいずれか又は全てが混入された溶存無機炭素混入液の状態（溶存二酸化炭素と非溶存二酸化炭素（いわゆるマイクロバブル状態）を含む）で、第１処理槽１２０ａに吐出される。なお、気体供給部１３０からのバイオガスの供給がなく、液体供給槽１１０で余剰の気体がなく、且つ第１処理槽１２０ａ及び第２処理槽１２０ｂで余剰の気体がない場合は、液体供給槽１１０内の処理液がそのまま第１処理槽１２０ａと第２処理槽１２０ｂに供給される。

気液供給路１４０から第１処理槽１２０ａと第２処理槽１２０ｂに供給された処理液は、バイオガス内の炭酸ガスが第１処理槽１２０ａと第２処理槽１２０ｂ内にて溶解されていく。第１処理槽１２０ａ内で炭酸ガスが溶解した処理液は連結路１２１を介して第２処理槽１２０ｂに供給される。さらに、第２処理槽１２０ｂにて余剰となった処理液は、液体還流路１５０を介して液体供給槽１１０に還流される。

また、第１処理槽１２０ａ及び第２処理槽１２０ｂにおいて処理液に溶解されずに余った炭酸ガスと、メタンガスとを含む余剰気体は第１気体還流路１６０を介して、気液供給路１４０に還流される。

さらに、液体供給槽１１０においても、液体供給源としての処理液や第２処理槽１２０ｂから還流された処理液にそれぞれ含まれ余剰となった炭酸ガスやメタンガスが第２気体還流路１７０を介して気液供給路１４０に還流される。

このように本実施形態の炭酸ガス溶解装置３は、液体供給槽１１０から処理槽１２０に処理液を供給する気液供給路１４０において、気体供給部１３０からのバイオガスに加えて、第１気体還流路１６０から処理槽１２０で発生した余剰空気が還流される構成をなしている。このように処理槽１２０にて溶解されなかった炭酸ガスを気液供給路１４０に戻して処理槽１２０に循環させることで、気体供給部１３０から供給したバイオガスから無駄なく効率的に炭酸ガスを溶解させることができる。

さらに、液体供給槽１１０内で発生した余剰気体も第２気体還流路１７０を介して気液供給路１４０内に供給することで、さらに効率よく炭酸ガスを処理槽１２０にて溶解させることができる。

また、処理槽１２０の余剰液体を、液体還流路１５０を介して液体供給槽１１０に還流することで、処理液を循環させて再度利用することができる。

気液供給路１４０は、第１処理槽１２０ａと第２処理槽１２０ｂの下部に連通されていることで、第１処理槽１２０ａと第２処理槽１２０ｂにおける水面までの高さが最大限確保される。これにより、第１処理槽１２０ａと第２処理槽１２０ｂ内で比較的高い水圧がかかる中で、且つ高さ方向に広い範囲で炭酸ガスを溶解させることができ、炭酸ガスを溶解する効率をさらに高めることができる。

また、気液供給路１４０において、気体供給部１３０の気体供給路１３２が第１気体還流路１６０及び第２気体還流路１７０よりも、処理液の流れ方向上流側に接続されていることで、純度の高いバイオガスほど炭酸ガスが溶解する距離をより多く確保することができる。

さらに、制御ユニット１８０により、液体供給槽１１０における処理液の炭酸ガス濃度やｐＨ値に基づいて流量調整弁１３３をフィードバック制御することで、必要最小限の炭酸ガス供給量で適切な炭酸ガス濃度やｐＨ値を維持することができる。

また、通常時において液体供給槽１１０と処理槽１２０との間で液体及び気体を密閉された中で循環させることで、炭酸ガスの大気への放出を抑えることができる。また、処理槽１２０の内圧を高めることができ、大気圧状態よりも炭酸ガスの溶解効率を向上させることができる。

以上のように、本実施形態の炭酸ガス溶解装置３によれば、より効率的に処理槽１２０の処理液内に炭酸ガスを溶解させることができる。つまり、より効率的なバイオガス精製を実現できる。

以上で本発明の実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、ＣＯ２センサ、ｐＨセンサを用いて炭酸ガス量に相関する状態値を検出しているが、当該炭酸ガス濃度に相関する状態値を検出する手段はこれに限られるものではない。例えば、処理槽（培養槽）をカメラ等で撮影し、気液供給路から処理槽（培養槽）に生じる気泡の量、又は大きさ等を画像認識することで炭酸ガス濃度に相関する状態値を検出してもよい。気泡が発生し、気泡が多い又は大きいほど処理槽内の炭酸ガス濃度が高い状態を示している。

また上記実施形態は制御ユニットにより流量制御弁を制御しているが、流量調整弁を手動で制御してもよい。

１、２、３炭酸ガス溶解装置
１０：液体供給槽
１１：中央管
１２：ＣＯ_２センサ
１３：ｐＨセンサ
１４：ポンプ
２０：培養槽
２０ａ：第１培養槽
２０ｂ：第２培養槽
２１：連結路
２３、２５、２７培養槽
２３ａ、２５ａ、２７ａ第１培養槽
２３ｂ、２５ｂ、２７ｂ第２培養槽
２４ａ：第１分離膜
２４ｂ：第２分離膜
３０：気体供給部
３１：炭酸ガスボンベ
３２：気体供給路
３３：流量調整弁
３４：流量計
４０：気液供給路
４０ａ：孔
４１、４２、４３：Ｙ字接手
５０：液体還流路
６０：第１気体還流路
７０：第２気体還流路
８０：制御ユニット
１１０：液体供給槽
１１１：中央管
１１２：ＣＯ_２センサ
１１３：ｐＨセンサ
１１５：ポンプ
１２０：処理槽
１２０ａ：第１処理槽
１２０ｂ：第２処理槽
１２１：連結路
１３０：気体供給部
１３１：メタン発酵槽
１３２：気体供給路
１３３：流量調整弁
１３４：流量計
１４０：気液供給路
１５０：液体還流路
１６０：第１気体還流路
１６３：排気弁
１７０：第２気体還流路
１８０：制御ユニット

Claims

炭酸ガスを液体に溶解させるための処理槽と、
前記処理槽に供給する前記液体を貯留する液体供給槽と、
前記液体供給槽と前記処理槽とを連通する気液供給路と、
前記気液供給路を介して前記処理槽に前記液体供給槽内の前記液体を吐出するポンプと、
炭酸ガスを含む気体を前記気液供給路内に供給する気体供給部と、
前記処理槽内で発生した余剰気体を前記気液供給路内に還流する第１気体還流路と、
を備える炭酸ガス溶解装置。
さらに、前記液体供給槽内で発生した余剰気体を前記気液供給路内に供給する第２気体還流路を備える、請求項１に記載の炭酸ガス溶解装置。
さらに、前記処理槽の余剰液体を前記液体供給槽に還流する液体還流路を備える、請求項１に記載の炭酸ガス溶解装置。
前記気液供給路は、前記処理槽の下部に接続されている、請求項１に記載の炭酸ガス溶解装置。
前記気体供給部は、前記第１気体還流路よりも前記気液供給路内の液体流れ方向上流側で前記気体を供給する請求項１に記載の炭酸ガス溶解装置。
前記気体供給部は、前記第２気体還流路よりも前記液体供給路内の液体流れ方向上流側で前記気体を供給する請求項２に記載の炭酸ガス溶解装置。
前記気体供給部から前記液体供給路内に供給する前記気体の供給量を調整可能な気体制御部と、
前記処理槽に供給される炭酸ガス量に相関する状態値を検出可能な炭酸ガス状態検出部と、を備え、
前記気体制御部は、前記炭酸ガス状態検出部により検出された前記炭酸ガス量に相関する状態値に応じて前記気体の供給量を調整する、請求項１に記載の炭酸ガス溶解装置。
前記処理槽と前記液体供給槽との間では液体及び気体が密閉された中で循環する請求項１に記載の炭酸ガス溶解装置。
前記処理槽には、藻類が懸濁された培養液が貯留されている、請求項１に記載の炭酸ガス溶解装置。
さらに、前記処理槽の余剰液体を前記液体供給槽に還流する液体還流路を備え、
前記処理槽は、前記藻類と前記培養液とを分離する分離膜により区画されており、
前記分離膜により前記藻類が分離された培養液が前記液体供給槽に還流される、請求項９に記載の炭酸ガス溶解装置。
前記処理槽には、水が貯留されており、
前記気体供給部は、前記気体として、メタンガスと前記炭酸ガスとを含むバイオガスを、前記気液供給路内に供給する請求項１に記載の炭酸ガス溶解装置。