JP3150628U

JP3150628U - 電子式低温加水分解装置

Info

Publication number: JP3150628U
Application number: JP2009001629U
Authority: JP
Inventors: 俊道平田; 秀道平田
Original assignee: 有限会社公郷生命工学研究所
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2019-02-24

Abstract

【課題】活性酸素を発生させる空気の電子化装置を使って常温常圧下で、木材などを加水分解する安価な装置を提供する。【解決手段】鉄板などで密閉容器を作り、その中に攪拌装置と、密閉容器の底に多孔管１５と、密閉容器中の空気を送風機１３で吸引して密閉容器の底に取付けた多孔管から送り込める空気の循環装置と、その循環装置を介して電子化された空気を密閉容器に吹き込む電子化装置１４と、密閉容器の上部から資材を投入するための投入蓋１０と、密閉容器の底部から処理物を取り出すための取出蓋１１と、密閉容器から空気を排気するための排気管１８とを設ける。この密閉容器の中に野菜屑、穀物残渣、間伐材の細断物などを投入して、攪拌しながら電子化装置から送り込まれる電子化空気ｂによって処理する反応装置を構成する。【選択図】図１

Description

本考案は、空気中の酸素分子を電磁的に励起させることにより、スーパーオキシドなどの活性酸素を発生させる空気の電子化装置によって、生ゴミなどの有機廃棄物、野菜くずなどの農産廃棄物、木材や紙、パルプなどのバイオマス資材を低温で加水分解する装置に関する。

従来、木材などを加水分解する装置は、超臨界装置、亜臨界装置、濃硫酸煮沸装置などと称されるもので、高温高圧下で熱分解させ、濃硫酸で煮沸して加水分解するなどの装置であった。

従来の装置によれば１００℃を超える高温と、２０気圧を超える高圧と、ＰＨ１以下の強酸性下で加水分解する反応器が必要であった。しかし、これらの反応器は高温高圧や強酸性に耐える構造と材質が必要であり、また、加水分解反応のための操作が難しいので、装置の製作費が高く、かつ機械的操作が難しい難点があった。そこで、この考案は有機物の加水分解を濃硫酸などの農酸を使わないで常温常圧下で行なうことができて、その結果として操作が易しく、鉄板やアルミ板などで製作できる簡易な装置を提供することを課題とする。

その課題を解決するために、低温で有機化合物を加水分解できる装置を開発した。その装置は、有機化合物の加水分解反応を助長する物質として一重項酸素などの活性酸素種を含む空気を用いて加水分解を行なうもので、本考案は０〜１００℃範囲の低い温度領域で有機化合物を加水分解することを特徴とするものである。

本考案者は、既に本考案の基本技術となる空気中の酸素分子を電磁的に励起させることによって一重項酸素などの活性酸素を発生させるための空気の電子化装置（参考資料１）を考案している。

参考資料１：実用新案登録証登録第３１３３３８８号公報

この電子化装置は、高電圧を流した放電針から電子を発生させる放電管の先端に電磁コイルを巻きつけ、そのコイルの中心部に空気を流し込むことで空気中の酸素分子を電磁的に励起させることによって一重項酸素などの活性酸素種を発生させる空気の電子化装置である。

一重項酸素などの活性酸素種は極めて酸化力が強いことが知られている（参考文献１）。

参考文献１：活性酸素（Ｐ１３〜Ｐ２５）中野稔他共立出版１９８８年

活性酸素種は、老化や過酸化脂質を伴う血管障害などの病気発生をもたらす極めて酸化力が強いものとして知られているが、様々な有機物を酸化分解する作用も注目されている。そこで、本考案者は活性酸素種の高エネルギー的に作用するラジカル反応が生ごみや野菜屑などに含まれる有機物、木質や紙、パルプなどの有機物の加水分解に活用できるのではないかと考えた。そこで、本考案者が考案した空気の電子化装置を用いて、この装置から発生する活性酸素種を含む空気を野菜屑に吹き付けて攪拌したところ、２０〜６０℃程度の低い温度で加水分解されることが分った。

野菜屑や木材に含まれる有機物の中で分解されにくい物質はセルロースである。セルロースは繊維素とも呼ばれる炭水化物の多糖類であり、植物細胞の細胞壁や繊維の主繊維で、地球上で最も多く存在する炭水化物である。このセルロースは製紙材料や生分解性プラスチック原料として使われて来たが、最近ではバイオマスのエネルギー原料として利用されることが注目されている。その変換技術は、高温高圧による熱化学的変換や酸、アルカリ性物質による化学的変換によるもので、これらの方法を活用するためには高温高圧や酸、アルカリに耐えられる特殊金属の反応器が必要であった。しかし、本考案によって６０℃程度の低い温度でセルロースが加水分解するのであれば、高温高圧装置では不可能だった熱間圧延された厚み１．２ｍｍから６ｍｍ程度の軟鋼板（鉄板）やアルミニウム板などの金属板で加水分解装置が作られると判断した。

その考案は、鉄板を加工して箱形形状の密閉容器を作り、その密閉容器に加水分解を行なう内容物を攪拌するための攪拌機を取り付け、さらに密閉容器の底部に撒気管を取り付け、その撒気管に本考案者が考案した電子化装置と送風機を取り付けて密閉容器の撒気管から電子化空気を供給する構造の加水分解装置である。

本考案によれば、まず密閉容器の内部に取り付けた攪拌機を作動させ、次いで電子化装置を組み込んだ送風機を作動させて野菜屑などの資材を投入する。そして、電子化空気を供給しながら攪拌すると、資材は２０〜６０℃程度の常温下で可溶化してドロドロの状態になる。
やがて、固形物であった野菜屑などの資材は水溶性のものとなり、固形状のものは存在しなくなる。その加水分解される日数は、野菜屑のような柔らかいものは半日程度、そして、モミガラや木屑などは５日間程度である。

通常、野菜屑などは常温の水に晒しても短日間では可溶化しない。特に、モミガラや木屑のようなセルロース含有量が多いものは数ヶ月経っても可溶化しない。そのような組織的に硬いセルロースを加水分解するためには１００℃を超える高温と、２０気圧を超える高圧で亜臨界処理や爆砕処理したものをクロストリジウム菌から抽出したセルロース分解酵素を使って分解するか、ＰＨ１以下の強酸性下で加水分解する必要があった。

有機物を解離させるもう一つの手段として、一重項酸素などの活性酸素によって分子の共有結合を切り離す方法がある。一重項酸素は、酸素分子に紫外線や磁力線が照射されると生ずるが、その一重項酸素に遊離電子が加わるとスーパーオキシド（・Ｏ_２−）になり、そのスーパーオキシドに水素イオンが加わると過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）になり、さらにヒドロキシルラジカル（ＨＯ・）が生成されることが知られている（参考文献２）。

参考文献２：活性酸素の新しい検出技術の開発ＢＩＯＩＮＤＵＳＴＲＹＶｏｌ．１４Ｎｏ６１９９７（Ｐ６）西岡一

スーパーオキシド（・Ｏ_２−）やヒドロキシルラジカル（ＨＯ・）などの活性酸素種は極めて酸化力が強い。その酸化力は活性酸素種のエネルギー準位が高いために起るもので、有機物の基本的な結合形体である炭素と炭素の共有結合（Ｃ−Ｃ、Ｃ＝Ｃ、Ｃ≡Ｃ）、炭素と水素の水素結合（Ｃ−Ｈ）よりもエネルギー準位が高いために、水溶性であっても、固形物であっても、それらの結合が比較的に低い温度（常温）で解離（分解）されるのが特徴である。

本考案による電子化装置から発生させた電子化空気で野菜屑などの有機物が水溶性の可溶化物になるのは、該電子化装置により作り出される電子化空気の強い酸化力によるものと想定している。

図１および図２は、本考案の電子式低温加水分解化装置に関わる実施形態を示す構造図である。

図１および図２において、軟鋼板（鉄板）をドラム形に加工した加水分解装置の本体１に攪拌軸２と攪拌腕３と攪拌羽根４から構成される攪拌機を取付ける。そして、本体１の上部に資材の投入盖１０と底部に取出蓋１１を取付け、本体１の上部から装置内部の空気を吸引して供給する送風機１３と空気導入配管１２と多孔管１５を接合し、その空気導入配管１２の途中に電子化装置１４を接続する。さらに、本体１の側面から装置内部の空気を排気する排風機１６を接続管１７と排気管１８を接合し、本体１を底面の四角に取付けた架支１９で支える構造とする。

この構造物において、加水分解しようとする野菜や木片などの資材（イ）を投入蓋１０から本体１に投入する。そして、投入蓋１０と取出蓋１１を閉めた状態で駆動機９を作動させて攪拌軸２を廻して投入した資材を攪拌しながら送風機１３から本体１の内部に溜っている槽内空気（ｃ）を吸引し、多孔管１５から本体１へ返して循環させる。その空気の循環流れの中に電子化装置１４から発生する電子化空気（ｂ）を取り込んで混合させる。

空気導入配管１２に接続される電子化装置１４の内部は、非電導性の材料で作られた放電管２０に放電針２１と対面極２２が固定されている。その放電管２０の先端に電磁コイル２５を巻き付けた空芯ボビン２４を接合して一体化する。そして、放電針２１と対面極２２に高電圧電源装置２３を接続し、電磁コイル２５に電流電源装置２６を接続する。

この実施形態において、放電針２１に数万ボルトの高電圧を掛け、電磁コイル２５に数十アンペアの電流を流して空気（ａ）を送入すると、その空気の流れに乗って放電針２１から放射される電子が空芯ボビン２４のなかを通過する過程で電磁コイル２５から発生する磁界に曝され、空芯ボビン２４の中心部を空気流に沿って直進する磁力線の作用（電磁誘導）を受けて激しく回転する状態となり、空気中の酸素分子を電磁的に励起させて一重項酸素などの活性酸素種を含んだ電子化空気（ｂ）が発生する。

この電子化装置１４によって活性酸素種を発生させるためには放電針２１に空気（ａ）を供給する必要があるが、空気導入配管１２に電子化装置１４を接合すると送風機１３によって吸引されるので、その役割を作り出すことができる。そして、電子化空気（ｂ）と空気導入配管１２によって本体１の上部から導かれる槽内空気（ｃ）と混ざり合って多孔管１５から本体１の内部で攪拌羽根４により攪拌される処理資材（ロ）と接触して槽内空気（ｃ）の強い酸化力によって加水分解される。

本体１は密閉構造とし、本体１に排風機１６を接続管１７で接続して本体１の槽内空気（ｃ）を排気（ｄ）させることで外気から空気（ａ）を電子化装置１４へ取込む。

本体１の底部に取出蓋１１を設けて、本体１から処理物（ハ）が取り出せる構造にする。

本体１に組み込まれる電子化装置１４は、本考案者が既に考案している実用新案登録第３１３３３８８号の空気の電子化装置を使用する。

本体１の材質は熱延薄板の鉄板製でよいが、冷延鋼板やアルミニウム、ステンレスなどの他の金属板でもよく、石板、陶器板、セラミック板やＦＲＰ、ＰＶＣなどの材質でもよい。また、本体１の形状は円筒形、角形でもよく、攪拌機能を有するものであれば、横型でも縦型構造よい。

多孔管１５は、本体１に投入される処理資材（ロ）に電子化装置１４から供給される電子化空気（ｂ）が本体１の底面から全域に拡散して吹き上げる役割を果たすものである。その形状は、電子化空気（ｂ）の噴気と処理資材（ロ）を支える構造であればどのような形状のものでもよい。また、多孔管１５に開けられる穴の大きさ、形状、穴の数、材質などに規定されるものはなく、電子化空気（ｂ）の噴気と処理資材（ロ）を支える構造であれば、どのようなものでもよい。

投入蓋１０および取出蓋１１と本体１の接合法はネジ止めでよいが、開閉操作を容易にする観音開きや片開き構造の扉であってもよい。また、資材（イ）や処理物（ハ）の出し入れを容易くするために、ロータリーバルブや二重扉による機械構造にしても良い。その際に重要なことは密閉性であり、本体１の密閉性が保たれるよう投入蓋１０および取出蓋１１の接合部にパッキン材を噛ませると効果的である。
「実施形態の効果」

この実施形態によれば、本体１の内部に投入した野菜などの投入物（イ）が多孔管１５から噴気する電子化空気（ｂ）の強い酸化力により加水分解されて水溶性の処理物（ハ）となる。その反応過程にある処理資材（ロ）は投入物（イ）が処理物（ハ）と混じり合った粥状の状態にあって、その粥状の処理資材（ロ）が電子化空気（ｂ）を含んだ槽内空気（ｃ）とが接触するように攪拌羽根４で攪拌すると、加水分解反応が促進される。この実施形態によると、処理すべき投入物の種類によって異なるが、柔らかい繊維質で出来たキャベツや白菜などの野菜屑は常温下で約半日も処理すればジュース状に可溶化された処理物となる。また、セルロースとリグニンで構成される硬い組織で出来た木材は、チップ状に細断されたものを投入すると３〜５日間の日数で１ｍｍ程度の細かい粉状の処理物となる。

植物体は、炭水化物から出来た繊維細胞の集合体である。その集合体は、接着剤の役割を果たしているリグニンで固められている。植物体をバイオマス資源として化学的に利用しようとする場合は、炭水化物で作られている繊維細胞を解してバラバラにする必要があるが、リグニンは化学的に強靱な物質であるため、酵素分解や加水分解することが非常に難しい。したがって、通常はリグニンの接着機能を破壊するために、高温・高圧釜で煮沸したり、強酸・強塩基物質に曝したり、超臨界状態で反応させたりしていたので、高温・高圧構造や強酸・強塩基物質に耐える材質の堅固な装置になっていた。

ところが、リグニンや炭水化物などの有機化合物は、炭素と炭素、炭素と水素などの原子間の結合は、それぞれの原子から出している自由電子を共有し合って結合する共有結合であるため、熱的に解離し難い共有結合であっても、スーパーオキシド（・Ｏ_２−）やヒドロキシルラジカル（ＨＯ・）などのラジカルな自由電子を持った活性酸素種では、その強い酸化力によって低い温度でも解離させることができる。その解離は、繊維細胞とリグニンを切り離すだけでなく、高分子状態にあるセルロースやヘミセルロースの結合も切断して、セルロースの構成単位であるブドウ糖まで分解される。

したがって、この実施形態によれば１００℃以下の低温度で有機化合物を加水分解できるので、鉄板などの加工しやすい材質をもって装置を製作することができ、従来の高温・高圧構造、耐薬品材質の性型ガス化装置に比べて製作コストが安くできる効果がある。
「他の実施形態」

図１の実施形態では本考案者が既に考案している実用新案登録証登録第３１３３３８８号の空気の電子化装置を使用するものであるが、自由電子と一重項酸素、スーパーオキシド、ヒドロキシルラジカルなどの極めて酸化力が強い活性酸素を発生させる機能をもった装置であれば同様の形態と機能を作り出すことができる。そのような電子化装置を該考案の感熱型電子化装置に換えて実施形態にしてもよい。その場合は、他の実施形態として本体１に取り付けられる多孔管１５から噴気される電子化空気（ｂ）の温度が１０〜１００℃程度に加熱されるよう電熱ヒーターなどの昇温装置を取り付けることがあってもよい。

本考案の装置は、本体１の内部に攪拌軸２と攪拌腕３と攪拌羽根４で構成された攪拌機を取付け、それを駆動機９で回転させることによって本体１に投入された処理資材（ロ）を掻き混ぜるが、その攪拌羽根４の構造は平板ではなく、スクリュー型、パドル型、棒型などの処理資材（ロ）が掻き混ぜられる構造であればどのような形でもよい。また、ロータリードラムのような本体１が周回する構造でも、反復運動する型式でもよい。

本考案の装置では、植物体や動物体などの有機化合物をスーパーオキシド（・Ｏ_２−）やヒドロキシルラジカル（ＨＯ・）などの活性酸素種による強い酸化力で加水分解するものであるが、加水分解された有機化合物は酵素や微生物によって分解され易くなるので、本装置の中に土壌細菌や酵素を入れて処理すると、加水分解された有機物がさらに生化学的に分解されて有機物を腐蝕化させ、消滅化させることもできる。そのような目的で本装置を製作することがあってもよい。

この考案に関わる電子式低温加水分解装置は、空気の電子化装置から発生する酸化力が強い活性酸素種をもって有機物を低温で加水分解させられるので、薩摩芋、馬鈴薯、砂糖大根、トウモロコシなどを加水分解して可溶化させ、ブドウ糖液を搾取することができる。また、白菜、キャベツ、大根、人参、ミカンなどの採れすぎた農産物を加水分解して液状肥料や乳酸発酵原料の資材として活用することができる。さらに、細断した間伐材を加水分解してセルロースやリグニンなどを資源活用する装置として利用できる。生ごみなどを加水分解したものを土壌微生物で発酵処理することによって、汚れた動植物残渣を廃棄物処理する消滅装置としても活用できる。

この考案の一実施形態を示す装置の形態図である。この考案のなかの空気の電子化装置の構造を示す形態図である。

１本体
２攪拌軸
３攪拌腕
４攪拌羽根
５駆動輪
６軸受け
７駆動ベルト
８伝力駆動輪
９駆動機
１０投入蓋
１１取出蓋
１２空気導入配管
１３送風機
１４電子化装置
１５多孔管
１６排風機
１７接続管
１８排気管
１９架支
２０放電管
２１放電針
２２対面極
２３高圧電源装置
２４空芯ボビン
２５電磁コイル
２６電流電源装置
２７吸気管
２８送気管
イ資材
ロ処理資材
ハ処理物
ａ空気
ｂ電子化空気
ｃ槽内空気
ｄ排気

Claims

鉄板などで作られた密閉容器のなかに攪拌装置と、密閉容器の底に多孔管と、密閉容器中の空気を送風機で吸引して密閉容器の底に取付けた多孔管から送り込める空気の循環装置と、その循環装置を介して電子化された空気を密閉容器に吹き込む電子化装置と、密閉容器の上部から資材を投入するための投入蓋と、密閉容器の底部から処理物を取り出すための取出蓋と、密閉容器から空気を排気するための排気管とを備えることを特徴とする電子式低温加水分解装置。