JP5564309B2 - 廃棄物由来バイオマス原料の調製方法 - Google Patents
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Description
本発明は、廃棄物を、例えば糖化発酵によるバイオエタノールの製造用原料として利用するための廃棄物由来バイオマス原料の調製方法、詳しくは、紙類を主に含む紙類系廃棄物と、厨芥類を主に含む厨芥類系廃棄物という異種の原料を同時に処理し、廃棄物由来バイオマス原料の高濃度化を達成することができる工業的に非常に有効な廃棄物由来バイオマス原料の調製方法に関するものである。
近年、地球規模で温暖化に対する危機意識が高まる中、炭酸ガスをはじめとする温暖化ガスの排出抑制や再生可能エネルギーの活用、省エネルギー技術の開発が行われており、その中の1つにバイオマス資源の利活用が挙げられる。
一般に、剪定枝や下水汚泥、農産廃棄物といったバイオマス資源が知られているが、焼却により処分されている一般廃棄物のうち６０〜６５％程度が紙類や厨芥類（環境省ホームページより）といったバイオマス資源である。
これらバイオマス資源は、現在、年間２４００万ｔ余りにもなり、バイオマス資源の利活用方法の開発は、早急の課題であると言える。
しかしながら、今のところ有効な処理方法はなく、コンポストによる堆肥化、メタン発酵の基質としての検討が行われているが、紙類や厨芥類の廃棄物のほぼすべてが焼却処理されているのが現状である。この原因は、雑多な廃棄物からバイオマス資源を取り出すことが困難であることが挙げられる。
紙類や厨芥類の廃棄物を水に懸濁させることで、バイオマス資源を取り出すことは可能であると考えられるが、希薄な原料濃度になり、一連の処理が大掛かりになってしまうことから、設備コストが高くつくだけでなく、原料の活用方法も限定されてしまう。
また、廃棄物を比重選別などの機械的な分離手法により、紙類を多く含む廃棄物と厨芥類を多く含む廃棄物に分類できることが知られているが、現在では、厨芥類を多く含む廃棄物を、メタン発酵の基質に利用する検討が行われているのみである。
例えば、下記の特許文献１には、紙類とそれ以外のごみが混ざっている廃棄物から、紙類のセルロース成分を分離回収する方法が記載されており、紙を離解することで異物を除去し、繊維化された紙類のセルロース分を回収している。
また、下記の特許文献２には、デンプン質を含む原料から３０〜６０％のペレットを形成し、固体発酵による同時糖化発酵を行う方法が記載されている。
さらに、下記の特許文献３には、生ごみを粉砕後、デンプン濃度を調製し、糖化酵素を加えて糖化を行い、酵素（例えば、Zymomonas mobilis菌）を用いてアルコール発酵を行い、エタノールを得る方法が記載されている。
しかしながら、廃棄物中に多く含まれるバイオマス資源をできるだけ多く回収するためには、紙類と厨芥類を多く回収し、かつ発酵不適物や難発酵物質をできるだけ多く取り除き、さらに原料濃度を高くする必要があるが、上記従来の特許文献に記載の技術では、充分な処理を行うことができないという問題があった。特に、厨芥類は粘度が高く、機械的な脱水に適さない場合が多く、コンポストで用いられるような熱による乾燥は時間がかかり、かつ熱源として電力等が必要とされるという問題があった。
本発明の目的は、上記の従来技術の問題を解決し、紙類を主に含む紙類系廃棄物および厨芥類を主に含む厨芥類系廃棄物よりなるバイオマス資源の高濃度化により、微生物の資化成分の高濃度化が図られ、その後の目的生産物の高濃度化を実現し、また、上記バイオマス資源の高濃度化により、処理設備が小規模になり、設備コストが低減し、さらに、上記バイオマス資源の高濃度化により、原料としての利用範囲が広まることで、廃棄物からの資源回収量が増え、炭酸ガス排出量の低減につながり、排出権取引に用いることができるうえに、処理中の排出用水を循環利用することで、排水処理を大幅に低減することができる廃棄物由来バイオマス原料の調製方法を提供することにある。
本発明者らは、上記の点に鑑み鋭意研究を重ねた結果、厨芥類は粘度が高く、機械的な脱水に適さない場合が多いが、紙類および厨芥類をそれぞれ水で希釈して、紙類の離解液と、厨芥類の懸濁液を得た後、これらを混合して一緒に脱水することにより、紙類の繊維に厨芥類の粘着物が絡めとられ、脱水を行うことができ、さらに、脱水後の排出用水に厨芥物成分が移行するため、継続した排出用水の循環利用により、排水処理を大幅に低減することができることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
上記の目的を達成するために、請求項１の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法の発明は、紙類を主に含む紙類系廃棄物を希釈水に離解させて、離解液を生成する工程と、厨芥類を主に含む厨芥類系廃棄物を希釈水に懸濁させて、懸濁液を生成する工程と、紙類系廃棄物の離解液および厨芥類系廃棄物の懸濁液を混合して、混合液を形成する工程と、得られた混合液を脱水して、高濃度化されたバイオマス原料と排出用水とを生成する工程とからなり、厨芥類と紙類の使用比率が、乾燥重量比で紙類が少なくとも３０％以上もしくは厨芥類が７０％以下であることを特徴としている。
請求項２の発明は、請求項１に記載の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法であって、紙類系廃棄物の離解液の生成工程および厨芥類系廃棄物の懸濁液の生成工程、または紙類系廃棄物の離解液および厨芥類系廃棄物の懸濁液の混合工程において、異物除去処理を行うことを特徴としている。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法であって、混合液の脱水工程から排出された排出用水を、紙類系廃棄物の離解液の生成工程および／または厨芥類系廃棄物の懸濁液の生成工程の希釈水として再利用することを特徴としている。
請求項４の発明は、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法であって、混合液の脱水工程から排出された排出用水を、廃棄物由来バイオマス原料の濃度調整処理に利用することを特徴としている。
請求項５の発明は、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法であって、処理温度が、６０℃〜９５℃であることを特徴としている。
請求項６の発明は、請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法であって、紙類系廃棄物の離解液の生成工程および厨芥類系廃棄物の懸濁液の生成工程、または紙類系廃棄物の離解液および厨芥類系廃棄物の懸濁液の混合工程において、処理液のｐＨを調整することを特徴としている。
請求項１の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法の発明は、紙類を主に含む紙類系廃棄物を希釈水に離解させて、離解液を生成する工程と、厨芥類を主に含む厨芥類系廃棄物を希釈水に懸濁させて、懸濁液を生成する工程と、紙類系廃棄物の離解液および厨芥類系廃棄物の懸濁液を混合して、混合液を形成する工程と、得られた混合液を脱水して、高濃度化されたバイオマス原料と排出用水とを生成する工程とからなり、厨芥類と紙類の使用比率が、乾燥重量比で紙類が少なくとも３０％以上もしくは厨芥類が７０％以下であることを特徴とするもので、請求項１の発明によれば、紙類を主に含む紙類系廃棄物および厨芥類を主に含む厨芥類系廃棄物よりなるバイオマス資源の高濃度化により、微生物の資化成分の高濃度化が図られ、その後の目的生産物の高濃度化を実現し、また、上記バイオマス資源の高濃度化により、処理設備が小規模になり、設備コストが低減し、さらに、上記バイオマス資源の高濃度化により、原料としての利用範囲が広まることで、廃棄物からの資源回収量が増え、炭酸ガス排出量の低減につながり、排出権取引に用いることができるうえに、処理中の排出用水を循環利用することで、排水処理を大幅に低減することができるという効果を奏する。
請求項２の発明は、請求項１に記載の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法であって、紙類系廃棄物の離解液の生成工程および厨芥類系廃棄物の懸濁液の生成工程、または紙類系廃棄物の離解液および厨芥類系廃棄物の懸濁液の混合工程において、異物除去処理を行うことを特徴とするもので、請求項２の発明によれば、、紙類および厨芥類をともに一度水で希釈することにより、異物を除去することができ、このように、紙類の離解液と厨芥類の懸濁液から異物を除去後、混合して共に脱水することにより、紙類の繊維に厨芥類の粘着物が絡めとられ、脱水を行うことができるという効果を奏する。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法であって、混合液の脱水工程から排出された排出用水を、紙類系廃棄物の離解液の生成工程および／または厨芥類系廃棄物の懸濁液の生成工程の希釈水として再利用することを特徴とするもので、請求項３の発明によれば、処理中の排出用水を循環利用することで、排水処理を大幅に低減することができるという効果を奏する。
請求項４の発明は、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法であって、混合液の脱水工程から排出された排出用水を、廃棄物由来バイオマス原料の濃度調整処理に利用することを特徴とするもので、請求項４の発明によれば、処理中の排出用水を循環利用することで、排水処理を大幅に低減することができるという効果を奏する。
している。
請求項５の発明は、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法であって、処理温度が、６０℃〜９５℃であることを特徴とするもので、請求項５の発明によれば、紙類系廃棄物および厨芥類系廃棄物の原料は、廃棄物由来であるため、多くの雑菌が含まれており、一連の反応もしくはその一部を６０℃〜９５℃の温度で処理することにより、雑菌由来の不必要な原料の腐敗および排出用水の腐敗を防ぐことができるという効果を奏する。
請求項６の発明は、請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法であって、紙類系廃棄物の離解液の生成工程および厨芥類系廃棄物の懸濁液の生成工程、または紙類系廃棄物の離解液および厨芥類系廃棄物の懸濁液の混合工程において、処理液のｐＨを調整することを特徴とするもので、請求項６の発明によれば、例えばエタノール発酵に適した廃棄物由来バイオマス原料を調製することができるという効果を奏する。
つぎに、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１は、本発明による廃棄物由来バイオマス原料の調製方法の実施の形態を示すブロック図である。
同図を参照すると、本発明による廃棄物由来バイオマス原料の調製方法は、紙類を主に含む紙類系廃棄物を希釈水に離解させて、離解液を生成する離解処理工程と、厨芥類を主に含む厨芥類系廃棄物を希釈水に懸濁させて、懸濁液を生成する懸濁処理工程と、紙類系廃棄物の離解液および厨芥類系廃棄物の懸濁液を混合して、混合液を形成する混合工程と、得られた混合液を脱水して、高濃度化されたバイオマス原料と排出用水とを生成する工程とからなり、厨芥類と紙類の使用比率が、乾燥重量比で紙類が少なくとも３０％以上もしくは厨芥類が７０％以下であることを特徴とするものである。
ここで、紙類を主に含む廃棄物を水で離解させる工程、および厨芥類を主に含む廃棄物を水で懸濁させる工程を同一槽内で行うことができる。すなわち、１つの撹拌槽において紙類を主に含む廃棄物を水で撹拌離解させたのち、この紙類系廃棄物の離解液を混合槽に移し替え、ついで、同じ撹拌槽に厨芥類を主に含む廃棄物を水で撹拌懸濁させて、この厨芥類系廃棄物の懸濁液を混合槽に入れて、上記紙類系廃棄物の離解液と混合する。
あるいはまた、紙類を主に含む廃棄物を水で離解させる工程、および厨芥類を主に含む廃棄物を水で懸濁させる工程、別々の槽において同時に行ったのち、紙類系廃棄物の離解液および厨芥類系廃棄物の懸濁液を混合槽に入れて混合する。
また、本発明においては、紙類系廃棄物の離解液の生成工程および厨芥類系廃棄物の懸濁液の生成工程、または紙類系廃棄物の離解液および厨芥類系廃棄物の懸濁液の混合工程において、スクリーンによる異物除去処理を行うことが好ましい。
そして、混合液の脱水工程から排出された排出用水を、紙類系廃棄物の離解液の生成工程および／または厨芥類系廃棄物の懸濁液の生成工程の希釈水として再利用する。
また、混合液の脱水工程から排出された排出用水を、廃棄物由来バイオマス原料の濃度調整処理に利用する。
ここで、廃棄物は、比重選別などの機械的な分離手法により、紙類を多く含む廃棄物と厨芥類を多く含む廃棄物に分類できる。紙類は表面加工処理されていたり、プラスチックや金属などと複合化して存在しているため、水で紙類を離解させ、この離解処理中に、バイオマス原料として不適なものを粒径等で分離除去する工程を入れることができる。
一方、厨芥類は、野菜くずなど原形を留めているため、水で懸濁することで均一化及び微細化する。この懸濁処理中に、バイオマス原料として不適なものを粒径等で分離除去する工程を入れることができる。
そして、紙類系廃棄物の離解液および厨芥類系廃棄物の懸濁液を混合槽に入れて混合する。この混合処理により発生したパルプと厨芥の混合スラリーは、機械的な脱水機への導入が可能になる。
さらに、機械的な脱水工程で発生した脱水液中には、細分化されたバイオマス成分や厨芥類の水溶性成分が含まれているため、この用水を離解水や懸濁水として再利用することで未回収成分の回収を行うことができる。
各工程の処理温度は、６０℃〜９５℃とするのが好ましい。ここで、紙類系廃棄物および厨芥類系廃棄物の原料は、廃棄物由来であるため、多くの雑菌が含まれており、一連の反応もしくはその一部を６０℃〜９５℃、好ましくは７０℃〜８５℃で実施することにより、雑菌由来の不必要な原料の腐敗および用水の腐敗を防ぎ、雑菌の繁殖を抑えることができる。
厨芥類と紙類の使用比率は、原料の性状によっても変化するが、乾燥重量比で紙類が少なくとも３０％以上もしくは厨芥類が７０％以下であることが望ましい。
また、紙類系廃棄物の離解液の生成工程および厨芥類系廃棄物の懸濁液の生成工程、または紙類系廃棄物の離解液および厨芥類系廃棄物の懸濁液の混合工程において、処理液のｐＨを調整することにより、例えばエタノール発酵に適した廃棄物由来バイオマス原料を調製することができる。
本発明の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法によれば、バイオマス資源の高濃度化により、微生物の資化成分の高濃度化が図られ、その後の目的生産物の高濃度化が実現する。
本発明の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法によれば、バイオマス資源の高濃度化により、処理設備が小規模になり、設備コストが低減する。
本発明の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法によれば、バイオマス資源の高濃度化により、原料としての利用範囲が広まることで、廃棄物からの資源回収量が増え、炭酸ガス排出量の低減につながり、排出権取引に用いることができる。
本発明の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法によれば、排出用水を循環利用することで、排水の処理が少なくなる、もしくは無くなる。
本発明の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法は、一般廃棄物そのものにも適応できるが、異物除去効率を考慮に入れると、機械選別により紙類が主に含まれる紙類系廃棄物と厨芥類が主に含まれる厨芥類廃棄物に分離して処理することが望ましい。さらに、オフィス発生の事業系廃棄物のような紙類が主な廃棄物と、スーパーや飲食店由来事業系廃棄物のような厨芥類が主な廃棄物の場合、機械選別無しで処理を行うことができる。
つぎに、本発明の実施例を説明するが、本発明は、この実施例に限定されるものではない。
実施例１
家庭から発生した生ごみ（１）、および食堂から発生した２種類の生ごみ（２）（３）を用いて、ミキサーにより懸濁処理を行った。懸濁時に適宜加水し、ミキシングが可能なギリギリの濃度で懸濁処理を行った。さらに、得られた懸濁物３０ｇに、１００ｍＭ酢酸バッファー（ｐＨ４．５）を５ｍｌ加え、酵素（Celic Ctec）２ｍｌを加えることで、厨芥の懸濁物の糖潜在量（グルコース潜在量）、および実際のグルコース濃度を求めた。得られた結果を、下記の表１に示した。
家庭から発生した生ごみ（１）、および食堂から発生した２種類の生ごみ（２）（３）を用いて、ミキサーにより懸濁処理を行った。懸濁時に適宜加水し、ミキシングが可能なギリギリの濃度で懸濁処理を行った。さらに、得られた懸濁物３０ｇに、１００ｍＭ酢酸バッファー（ｐＨ４．５）を５ｍｌ加え、酵素（Celic Ctec）２ｍｌを加えることで、厨芥の懸濁物の糖潜在量（グルコース潜在量）、および実際のグルコース濃度を求めた。得られた結果を、下記の表１に示した。
この表１の結果から明らかなように、厨芥類の懸濁物の最終スラリー濃度は、いずれの場合も１２％に届かず、実際のグルコース濃度は、最大でも３．５％程度であった。従って、これをエタノール発酵の原料とした場合には、最大でもエタノール濃度が2 ｖｏｌ％に満たなくなるため、蒸留によるエネルギーが多く必要になり、エネルギー回収率が悪くなってしまう。
これに対し、本発明の方法では、つぎにＯＡ紙を５ｗ％で調製したパルプ離解溶液に、上記家庭から発生した生ごみ（１）、および食堂から発生した２種類の生ごみ（２）（３）の懸濁液をそれぞれ混ぜ、各混合液を最終スラリー濃度１５ｗ％まで脱水した。この混合脱水物について、同様に、酵素によりグルコース潜在量を求めたところ、上記の表１に記載のように、いずれの場合もグルコース濃度が大幅に上昇した。
従って、紙パルプであれば、その紙パルプのスラリー濃度が薄い場合でも、厨芥懸濁物と混ぜることで、脱水を行うことができ、さらに脱水により高濃度バイオマス原料として用いることができることが判明した。
Claims (6)
- 紙類を主に含む紙類系廃棄物を希釈水に離解させて、離解液を生成する工程と、厨芥類を主に含む厨芥類系廃棄物を希釈水に懸濁させて、懸濁液を生成する工程と、紙類系廃棄物の離解液および厨芥類系廃棄物の懸濁液を混合して、混合液を形成する工程と、得られた混合液を脱水して、高濃度化されたバイオマス原料と排出用水とを生成する工程とからなり、厨芥類と紙類の使用比率が、乾燥重量比で紙類が少なくとも３０％以上もしくは厨芥類が７０％以下であることを特徴とする、廃棄物由来バイオマス原料の調製方法。
- 紙類系廃棄物の離解液の生成工程および厨芥類系廃棄物の懸濁液の生成工程、または紙類系廃棄物の離解液および厨芥類系廃棄物の懸濁液の混合工程において、異物除去処理を行うことを特徴とする、請求項１に記載の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法。
- 混合液の脱水工程から排出された排出用水を、紙類系廃棄物の離解液の生成工程および／または厨芥類系廃棄物の懸濁液の生成工程の希釈水として再利用することを特徴とする、請求項１または２に記載の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法。
- 混合液の脱水工程から排出された排出用水を、廃棄物由来バイオマス原料の濃度調整処理に利用することを特徴とする、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法。
- 処理温度が、６０℃〜９５℃であることを特徴とする、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法。
- 紙類系廃棄物の離解液の生成工程および厨芥類系廃棄物の懸濁液の生成工程、または紙類系廃棄物の離解液および厨芥類系廃棄物の懸濁液の混合工程において、処理液のｐＨを調整することを特徴とする、請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の廃棄物由来バイオマス原料の調製方法。
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