JP6616445B2 - 連続乾式メタン発酵の方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、連続乾式メタン発酵の方法及び装置に関する。本発明は、特に異なる物理的及び生化学的媒体を有するコンパートメント内での、区分撹拌による変更可能な高いガス流量での連続乾式メタン発酵に関する。

排水及び廃棄物の嫌気性発酵は、有機物を削減してバイオガスの形でエネルギーを生産することを目的とする。都市排水浄化設備による排水処理で発生した液相汚泥のメタン発酵、家庭ごみの発酵性部分のメタン発酵並びに農場での堆肥及びその他の農業廃棄物のメタン発酵が主に知られている。農業食品産業から生じる排水を乾燥物質濃度の低い液相でメタン発酵する例も見られる。由来が異なるような（都市、工業及び農業）異なる基質の処理を取り入れた集合的同時消化装置が開発されている。

発酵は、連続式（消化槽を空にすることなく、物質を連続的又は逐次的にロード及びアンロードする）又はバッチ式（既に発酵した物質を接種した物質をロードし、消化槽を空にして、新しい基質を再ロードする）である。

固体基質メタン発酵施設を運転する当業者は、発酵物質を様々な形状の槽で混合することのみを目的として連続ロードによるメタン発酵を行う現在のシステムの限界に直面している。

物質を機械的に混合する方法としては、動翼、ウォームスクリュー、移動筒又は高圧ガス若しくは圧縮ガスによる混合が知られている。混合は、特許文献１（仏国特許発明第２，７９４，４７２号明細書）に記載のように、複数のインジェクタ又は複数の注入開口部を有する注入ラインにまたがる分散により、ガスを低流量及び低速で受け取る小径の管又はインジェクタ内で、低圧で連続的又は高圧で逐次的に行うことができる。同様に、複数のコンパートメントを有する消化槽が知られている。しかし既知の混合方法は、少なくとも２つのコンパートメントにおいて、スラリーが剪断流の閾値に近づかず；所与の物質体積全体を撹拌するのに適しておらず；短い滞留時間で発酵物を十分に希釈することなく、発酵物の十分な消化を可能にするように発酵を制御することができない。

ガスを槽の底から注入するガス撹拌システムは、発酵槽の底にあるガスラインにアクセスするための特に大規模な土木構造物を必要とする。加圧ガスを間欠的に注入するためのラインは、ガス管内でインジェクタを閉塞する恐れのある物質の還流に対処することができない。インジェクタの先端は必然的に狭く、細い上向きのガス噴射を発生するが、スラリーの撹拌に限られた効果しか及ぼすことができない；これは、ガス注入の間に、その撹拌及び反転を制限する優先的通路を物質内、特に槽の底の物質内に作ることで、重い要素が懸濁液に戻ることが困難となり、この重い要素が発酵槽の底に堆積する危険を伴う。したがって、不十分な撹拌は、物質を流れにくくし、発酵槽内にデッドゾーン及び異なる発酵速度を生じる相分離を伴う。

発酵相は、その流れを増大するために物質の有意な希釈効果によって十分に制御することができ、これは、撹拌（最も一般的には機械的撹拌又はガスによる撹拌）の性質から、無限に混合された発酵槽における発酵の実施につながることにも注意する。したがって、発酵物質の滞留時間はランダムである。発酵の最後にはかなりの量の残留排液が存在する。一部の種類の排液については、乾燥物質の欠如は、細菌培地の欠如により発酵を制限する一因である。この乾燥物質の欠如は、培地を必要とする細菌集団を固定するためのミネラル培地の導入を必要とする。

仏国特許発明第２，７９４，４７２号明細書

本発明は、上記の欠点のすべて又は一部を改善することを目的とする。

この目的で、第１の態様によると、本発明は閉鎖槽を備える発酵槽における連続乾式メタン発酵の方法を想定し、この方法は：
−少なくとも１７％の乾燥物質を含む、発酵しようとするスラリーを、前記槽の少なくとも１つのコンパートメントに導入する工程、及び
−加圧ガスを、少なくとも１つの前記コンパートメントを通って下降する少なくとも１つの煙突状物を通って、コンパートメントの底付近に注入し、スラリー内を上昇する注入ガスによって、煙突状物の周囲のスラリーに上昇移動を引き起こし、コンパートメントの底に見出される物質を撹拌する工程
からなることを特徴とする。

好ましくは、スラリーは少なくとも２２％の乾燥物質を含む。

上記の設備により、沈降する傾向のある部分を含め、全ての発酵スラリーが撹拌される。

実施例において、スラリーは第１コンパートメントに導入され、第１コンパートメントでの加水分解の後、加水分解されたスラリーはメタン生成が起こる第２コンパートメントへ移動する。

上記の設備により、発酵の異なる段階に好都合な２つの培地が作成され、結果として発酵槽の寸法及び発酵の持続時間が縮小される。

実施形態において、第１コンパートメントから第２への移動の工程は、槽の底で実施されるため、コンパートメントの雰囲気は接触していない。

上記の設備により、異なるコンパートメントの雰囲気は、その組成物によって及び／又はその熱によってこれらのコンパートメントで進行する反応に好都合な状態を維持することができる。

実施形態において、ガス注入の間に、スラリーの発酵から生じたガスを導入する。

実施形態において、ガス注入工程の間に、ガスは互いに接近した少なくとも２本の煙突状物内に注入される。

この方法で、発酵中の物質の並進移動に好都合な撹拌前線が生成する。

実施形態において、本発明の主題である方法は、スラリーの粘度を測定する工程を含み、ガス注入工程の間の、ガスの量、ガスの流量及び／又は速度は測定された粘度に依存する。

この方法において、注入ガスの量及び／又はスラリーの撹拌は、発酵槽内の実際の状態に好適であるように維持される。

実施形態において、スラリーの粘度を測定する工程の間に、ガス注入中のガス注入に対するスラリーの抵抗性を測定する。

実施形態において、スラリーの粘度を測定する工程の間に、注入ガスの所定の圧力低下の持続時間を測定する。

これらの設備により、スラリーの実際の状態を直接測定する。

実施形態において、発酵槽は多数の煙突状物を具備し、ガス注入工程の間に、ガスは逐次的に煙突状物に注入される。

実施形態において、ガス注入工程の間に、ガスはスラリーが辿る経路を上流から下流へと進む煙突状物内に逐次的に注入される。

上記の設備により、発酵槽の長さ方向に沿ったスラリーの移動が増大され、これは十分に加水分解した物質の均質化によって可能となる。

実施形態において、本発明の主題である方法は、スラリーが辿る経路上のスラリーを回収する工程、及びスラリーを回収点の上流で注入する工程を含む。

この方法では、槽の様々な区分のｐＨ及び／又は細菌コロニーを調節することによって、異なるメタン発酵段階を推進することができる。

実施形態において、ガス注入工程の間に、スラリーに注入されるガスは、粘度に従って、煙突状物周囲の物質のカラムの高さにおける圧力よりも少なくとも５倍、特に５〜１０倍の圧力、及び少なくとも４相対ｂａｒを有する。

それ故、有意な撹拌を生じる。

実施形態において、本発明の主題である方法は、あるいは：
−ガスをスラリーに注入する工程、及び
−バイオガスを加圧貯蔵室内で圧縮する工程
を含む。

この方法では、発酵物質は、２回のガス注入の間静置され、小型コンプレッサを使用できる。

実施形態において、ガス注入持続時間と圧縮持続時間との間の周期比率は、１／３０未満である。

第２の態様によると、本発明は、閉鎖槽を備える発酵槽における連続乾式メタン発酵の装置を想定し、この装置は：
−少なくとも１５％の乾燥物質を含む、発酵しようとするスラリーを、前記槽の少なくとも１つのコンパートメントに導入する手段、及び
−加圧ガスを、少なくとも１つの前記コンパートメントを通って下降する少なくとも１つの煙突状物を通って、コンパートメントの底付近に注入し、スラリー内を上昇する注入ガスによって、煙突状物の周囲のスラリーに上昇移動を引き起こし、コンパートメントの底に見出される物質を撹拌する手段
を含む。

この装置の具体的な特徴、利点及び目的は、本発明の主題である方法のそれと類似しており、ここでは繰り返さない。

本発明のその他の利点、目的及び特徴は、添付した図を参照して、限定的でない一例として以下に示す記述から明らかになるであろう。

図１は、本発明の主題である発酵装置の第１の具体的実施形態の上部断面図を概略的に示す。 図２は、本発明の主題である発酵装置の第１の具体的実施形態の縦断面図を概略的に示す。 図３は、本発明の主題である発酵装置の第１の実施形態の断面図を概略的に示す。 図４は、本発明の主題である発酵装置の第２の実施形態の上面図を概略的に示す。 図５は、本発明の主題である発酵装置の第１コンパートメントが第２コンパートメントに組込まれた第３の実施例の上面図を概略的に示す。 図６は、本発明の主題である発酵装置の第４の実施形態の縦断面図を概略的に示す。 図７は、本発明の主題である発酵装置の特定の実施形態における流れを縦断面図で概略的に示す。 図８は、本発明の主題である撹拌装置の特定の実施形態における流れを横断面で概略的に示す。 図９は、本発明の主題である発酵装置の特定の実施形態における区分から区分へのガス物質の流れを、底面図又は上面図で概略的に示す。 図１０は、本発明の主題である発酵装置の特定の実施形態における区分から区分へのガス物質の流れを、底面図又は上面図で概略的に示す。

図は一定の縮尺ではないことに注意して、図をより詳細に説明する前に、本発明の主題である方法及び装置の特定の実施形態の特徴を以下に記載する。

スラリーの連続メタン発酵は、２種の温度及びｐＨレベルの区画化された容器内で、区分変更可能な撹拌に基づいて、発酵物の粘度に従って、複数の煙突状物内に高速及び高流量のガスを注入することによって、実施される。これらの構成は、発酵槽の底から出発する幅広い対流移動を生じ、物質を大きな表面上に引き出す。

スラリーの混合は、好ましくは区分別である。加圧ガスの注入による流れの閾値付近での物質の撹拌には限界がある。先行技術が直面する限界には、基質が希釈されているか否か又は環式若しくはスラリーと呼ばれる様式で運転するかによって次の２種類がある：
−乾燥基質を乾燥物質２５％から８％に大幅に希釈する必要性。１０％の乾燥物質は追加液体の摂取を必要とし、ほとんどの場合発酵槽からの出力の過剰液体部分から摂取される。入ってくる基質を希釈するために過剰な「浸出液」を再循環することは、必然的に、ミネラル化窒素の濃度による発酵阻害の現象、例えば、発酵培地の漸進的アルカリ化、すなわちｐＨ上昇を伴い、それ故加水分解及び酸生成を制限する。
−乾燥物質が高濃度の連続発酵における僅かに希釈した基質又は未希釈基質上での発酵は、主に流体力学の制御に基づく他の制限に直面する。

先行技術において、スラリー撹拌及びその流れの制限が、発酵プロセスへの重大な影響と共に観察される。第１の問題は、スラリーを底から頂部まで、高さ及び広い物質区分を超えて混合することである；ガスによる混合又は撹拌は、画定された区分内でスラリーを撹拌するには十分に強力でなければならない。ガス流の特殊性から、当然低い点から出発し、その上昇中に拡大し、結果的に撹拌すべき物質の最低部分が混合移動外に残る。

これは、壁に当たる物質の摩擦による負荷損失によりガス流の下部及び発酵槽縁辺に未混合ゾーンを生じる。したがって、発酵槽の底では、多少の相当な厚さにわたって、より重い要素の堆積物及び未混合物質の蓄積が、特に２つのガスジェットの間の空間及び発酵槽縁辺の壁に近い部分において見られる。

無限混合又はスラリーモードでの撹拌のための管、槽の底のインジェクタ又は混合ラインを用いつつ混合の全てのシステムが直面する制限は、先行技術の発酵槽の生化学及び生物的操作に影響を及ぼす。

堆積物蓄積のこれらの「デッド」ゾーンは、発生し、時間の経過と共に拡大する。生物活性に必要な固体−液体接触は困難になる。これは、細菌バランスを崩す。加水分解がなければ、物質は非常に高粘度のままで、１つのコンパートメントから別のコンパートメントへの通過が困難になる。

したがって、発酵槽内の高濃度の乾燥物質を有するスラリーを用いた操作が可能となるのは、酸性媒体中で加水分解され、固体−液体交換が可能になり、実質的に混合された物質で、粘度を低下する十分な高温の場合のみである。

温度がｐＨと共に大きな影響を与え、撹拌及び均質化に必要な有機物の粘度及び構造を変えること、並びに細菌の選択的発育及び物質の分解及び形質変換プロセスにも影響を与えることがわかっている。

このため、超好熱性温度及び酸性ｐＨに対するメタン生成細菌の脆弱性を考慮に入れながら、加水分解及び酸生成を促進する超好熱性温度へ移動することが奨励される。

一方では加水分解、酸生成の段階、他方ではメタン生成の段階において同じレベルの温度及びｐＨがスラリーの連続発酵を制限する。

本発明者らは、スラリーの連続メタン発酵には、流体力学とレオロジーに属する物理的装置と、細菌集団又は阻害現象の選択性及び発生を誘発する発酵の生物化学との間の相互作用が必要であることを強調する。

本発明の実施形態の新規性は、異なるｐＨ及び温度レベルを有する２つのコンパートメントにおいて、スラリーを用いて、言い換えれば乾燥モードで操作できる点である。

一般的に使用される用語「乾燥モード」は、乾燥物質の濃度が高い非常に濃厚な物質でも、発酵しようとする物質のセル内に存在する湿性部分を含み、それは酵素活性及び媒体の温度上昇によって素早く放出されることから、実際には不適切である。この液体部分は、基質の固体部分の外側にあり、湿性部分に溶解する代謝産物を、細菌にアクセス可能となるように交換するために必要である。したがって、スラリーは、より詳細な定義が必要である。発酵槽に入る前、物質は固体で、ショベルですくうことができる。すなわち、機械的にショベルで動かすことができ、流動しない；液体の浸出液のみが、おそらく塊から滲み出て少しずつ流れる。これは非ニュートン流体で、剪断閾値に近く、弾性かつ粘性の閾流体として特徴づけることができる。基質の固体が多すぎる場合−例えば、肥料であれば２５％超の乾燥物質、家庭ごみの発酵性部分であれば３０％超の乾燥物質を、消化残渣の下流処理から派生する排液、水若しくは液体、プレス、液体蒸留物の発生を伴う蒸発、又はその他の液相から固相を分離するプロセスによって回収された液体で、わずかに希釈する必要がある。

物質は、発酵槽に入る前に場合によりわずかに希釈された後、煙突状物、又はウォームスクリューのようなその他の導入装置を経て発酵槽に導入され、超好熱性温度（６５℃）、又は好熱性温度（５５℃）で運転する第１コンパートメントの第１区分に存在する加水分解段階の発酵物質と混合される。発酵槽の第１部分にすでに存在する物質と混合しており、熱−酵素加水分解を受けている非常に濃厚な物質を撹拌することは、本方法に有益である。物質の粘度は、熱−酵素加水分解（温度と細菌の酵素作用との組み合わせ）の影響下で変わる。

撹拌システムは、本方法の操作全体に有益である。特に、この装置は、異なる基質を、固体要素（例えば藁繊維）、及び可溶な要素からなる液体要素又はスラリーのような懸濁液、及びより重い要素（例えば、砂利、石）と均質化することを可能にする。均質性は、スラリーが加水分解で液化する第１コンパートメント内で、及びその後の異なる発酵段階で（それでもなお濃厚なままであるが）、スラリーの流れを促進する。第１コンパートメントにおける均質化及び液化は、２つのコンパートメント間の分離壁の通過を促進する。撹拌の有効性は、熱伝導性が低い濃厚な基質を有する２つのコンパートメントの異なる温度を均質化するためにも必要である。実施形態において、１つの区分に別の区分からの細菌コロニーを播種するため、発酵物質は、発酵槽の異なる点で抽出され、煙突状物によって発酵槽の別の位置に再導入される。同様に、発酵基質を１つの区分から別の区分に再導入することで、酸性化又はアルカリ化によって第２区分の生物化学のバランスをとることができる。

実施形態において、本発明は以下を利用する：
−乾燥物質が１７％〜３０％の高濃度の乾燥物質を有するスラリーの可変撹拌、区画化した発酵槽内の発酵基質の粘度変化に従った、区分ごとの制御、及び
−加水分解、酸生成及びメタン生成段階のバランスに必要な、濃厚な均質基質の定期的進行及び流動、及び
−スラリー撹拌方法とスラリーの連続メタン発酵の段階の制御及び管理方法との間の相互作用。

本発明の主題である発酵装置は、少なくとも２つのコンパートメントを含む閉鎖発酵容器及び発酵槽全体に分配され、発酵槽の混合区分を画定する十分に大きい直径（例えば、８０ｍｍ〜１５０ｍｍ）を有する煙突状物の組を備える。それぞれの煙突状物は、容器の天井から始まって、容器の底に近づくまで、好ましくは底から１５ｃｍ未満まで、発酵容器内を下へ進む。

好ましくは、このガス注入用煙突状物は天井と容器の底を分離する高さの少なくとも９７％、好ましくは少なくとも９８％にわたって、容器、又は槽の天井から伸長する。

好ましくは、スラリーの撹拌は、十分に大きい直径を有する少なくとも２本の煙突状物に、十分な量のガス、好ましくはメタン発酵で生じたバイオガスを、２，０００ｍ³／時〜６，０００ｍ³／時の流量で、短時間、例えば１０〜１５秒間、注入することによって実施する。ガス注入は、高流量及び高速で、天井から床の近くまで上から下へ実行されて床に当たり、その結果、床上に、ガスの円錐体及び物質の頂点まで上に行くほど広がる大きな上昇ガスの柱を作り出し、これはその後に大きな波が続く隆起２０８（図８参照）を生じ、ガスの円錐体は、発酵槽の底で、特に底から物質を吸引し、物質は上昇ガスの柱を囲む領域において半径１．５ｍ〜２ｍの対流移動に入り、等半径２１０及び２１１で底の掃引を起こす（図９参照）。ガスの円錐体の欠けた部分の半径は、ガスの速度、流量、及び物質の粘度の関数である。

画定された区分内で物質の高さ全体にわたってスラリーを撹拌することは、コンプレッサ、高圧ガス室、天井から出発して底のすぐ近くまでの煙突状物による、上から下に注入されたガスによってガスを短時間で受け取ることによって可能になる。

煙突状物は、最も一般的には、その栓様の進路で物質のチャンネルを形成する２つの壁上の発酵物質の摩擦によって発生する剪断負荷、１つの区分から別の区分へ流れる物質の流れを分界する壁を考慮に入れて、少なくとも対で配置する必要がある。

煙突状物の各組は、別の煙突状物の組から規定された距離２１３をとる（図８参照）。区分には、横方向に、壁から所与の距離で配置された少なくとも２本の煙突状物が装備されており、壁は負荷喪失を生じ、対流移動の範囲を変更する。十分に撹拌されない領域があるのを避けるため、負荷の喪失は、煙突状物が壁に近いことを必要とする。物質の経路を形成する２つの壁が必然的に存在することから、少なくとも２本の煙突状物が存在する。物質の移動方向において（図１０参照）、ガスの膨張及び物質の移動は壁によって制限されないことから、２組の煙突状物の距離はより大きい。これにより、物質の対流移動はより広く拡大できる。したがって、一例として、幅４ｍ、高さ５ｍの通路の場合、２本の煙突状物は壁から７０ｃｍ、互いに２．６ｍの位置にある。煙突状物の各組間の距離は、対流移動及びその変化を注入ガスの速度及び流量の関数として調べることによって定義される。２対の煙突状物の間の距離は、例えば３ｍであり、煙突状物の各組の対流移動は１．５ｍの半径を有し、移動は煙突状物の口におけるガスの速度及び流量によって変更及び制御され、粘度は所与の注入の持続時間の変動によって設定される。これらの変動は、動粘度が発酵プロセスの物理的及び生化学的パラメータに従うことを示す。

煙突状物に注入されるガスの速度及び流量は、物質前線の幅、少なくとも２つの壁（物質の流れを２つに分ける１つの横断方向の壁、並びに物質とそれを覆う第２コンパートメントのガス充満空間の両方を分離する第１コンパートメントを分界する１つの垂直方向の壁）によって通路が作られる円筒形消化槽の可変幅に依存し、物質は垂直壁の下部の広い開口部を通ることができる。

いくつかの煙突状物は別々に介在し、特に発酵物質が少ない前線又はより狭い通路近くに位置する煙突状物はそうである。壁の近さ及びそれに伴う損失を考慮すると、これらの煙突状物は、物質撹拌ゾーンへの影響がより少ない。

図８に示すように、２本の煙突状物２０１の周りのかなりの体積及び流量のガスにかかる浮力の影響で、速度及び流量は、所与の区分の撹拌の幅を、物質の粘度の関数として定義する。

注入は、物質の粘度に従って変更し得る。定義された体積のチャンバからのガス注入による区分の撹拌は、注入が流量及び速度を表し、ガスが放出される圧力レベルによって、発酵物質の粘度の関数として変わり、その粘度は所与の注入の持続時間の変動によって支配される。粘度が大きいほど、ガスの注入の持続時間が長くなる。

３０ｍ³の低圧ガスを、２本の煙突状物の例えば７〜４ｂａｒのチャンバに注入する場合、第１コンパートメントの第１区分では１７秒のオーダーであるが、第２コンパートメントの最後の区分では１２秒に達する。

物質に応じて、加圧室から注入するガスの速度及び流量は発酵区分によって変わる。例えば、物質の粘度が高い第１コンパートメントの第１区分に３０Ｎｍ³のバイオガスがある場合、１０ｍ³のチャンバのガスの圧力は７ｂａｒに上昇し、７〜４ｂａｒに維持されるのに対し、加水分解及び発酵の作用で物質の粘度が大幅に低下している第２コンパートメントの最後の区分に３０Ｎｍ³のバイオガスがある場合、ガスの圧力は６ｂａｒに上昇し、６〜３ｂａｒに維持される。

この変化が発酵プロセスを促進する。速度及び流量が不十分な場合、所与の区分における発酵物質の撹拌及び対流移動は流れる物質に好ましい通路及び物質が流動できないデッドゾーンを形成すると考えられる。速度及び流量が高すぎる場合、１つの区分から別の区分まで大きな重複ゾーンが観察される。粒子は、各撹拌サイクルで１つの区分から別の区分に運ばれ、発酵槽から素早く出る。その結果、滞留時間が短すぎる粒子もあれば、長すぎる粒子もある。

実施形態において、容器の天井から出発する容器内側の第１の壁の影響もあって、２つのコンパートメントが作られ、それを覆うガス充満空間が分離される。この壁は、下部に、加水分解／酸生成が実施される第１コンパートメントから、酢酸生成／メタン生成が実施される第２コンパートメントへ向けて物質が通過するための通路を残す。

このスラリーの連続的区分混合は、少なくとも２つのコンパートメントにおいて、消化される物質の大部分の加水分解を可能にする過程で、有機物のかなりの分解を可能にし、発酵段階の各々における細菌集団に関して、異なる生化学媒体（酸性ｐＨ及び超好熱性温度の第１コンパートメント、中性又は微アルカリ性のｐＨ及び好熱又は中温性温度の第２コンパートメント）で発育する集団は、揮発性脂肪酸、エタノール、Ｈ２、ＣＯ２、アセタート、ＣＨ４等の異なる代謝物を産生及び消費する。

メタン発酵は、物質分解プロセスに有利な生化学媒体でスラリー発酵の異なる段階が起こることが可能な２つのコンパートメントでできた装置で最適化される。特に、入ってくる基質の加水分解は、酸性媒体及び超好熱性温度で起こり、複雑な有機物の分子の単純化が酸生成細菌の活性に利用できるようになる。酸生成細菌は、メタン生成細菌よりも耐性が高く、酸性ｐＨで有利に発育する。

第１コンパートメント（加水分解／酸生成）は、複雑な分子を可溶化して、特に揮発性脂肪酸、水素（Ｈ₂）及び二酸化炭素（ＣＯ₂）を産生する酸生成細菌に利用可能とすることができる。

炭素／窒素の比は、発酵の良好なバランスのためには好ましくは１５〜２５のオーダーである。この比は炭素、特にリグニンに捕捉された炭素の、実際の利用可能性に依存する。低比率の場合、有毒となり得るアンモニアの増大を起こす危険がある。高ｐＨ、例えば７．４〜７．６の場合、アンモニウムイオンの形のミネラル化した窒素は、一部はより揮発性の高いアンモニアに変わる。アンモニアは高濃度でメタン生成を阻害するようになる。窒素の損失は、「消化残渣」とも呼ばれる消化物質の農業的再利用の不足である。したがって、発酵段階、特に良好な加水分解を厳密に制御することで、炭素／窒素比のバランス向上に有利な炭素が利用可能となり、第２コンパートメントのｐＨは、アンモニウムがアンモニアの形で通過するのにあまり有利でない範囲である６．８〜７．４に上手く制御される。このバランスは、より良好な窒素保存を可能にする。

高レベルの乾燥物質を有する基質の連続嫌気性発酵の分野では、複数の形状の消化槽が知られており、物質を移動する手段又は圧力下でバイオガスで物質を撹拌する手段のいずれかを有する円筒形、平行六面体、導管状、多段等がある。本発明は、上記の形状のいずれか１つに限定されない。

したがって、本発明は、物質濃度が高い連続嫌気性プロセスで遭遇する制限に対処する。本発明は、いくつかの実施形態において、高濃度の乾燥物質、多段、単又は多基質、スラリーを用い、単一の発酵槽内で、加水分解、酸生成及びメタン生成段階のバランスの制御及び基質の性質によって区別される物質滞留時間の制御を、乾燥物質が１５％〜３０％超という高レベルの乾燥物質を有する濃厚で均一な基質の規則的進行及び流れによって実施する連続嫌気性発酵のためのプラントからなる方法を提供する。

栓流に関して、第２物質チャンネル形成壁（図４の１１７）が通す第２の物質は、物質の前線を低減することができ、物質の定常的進行に好都合である。

発酵プロセス全体を通して、物質の撹拌を区分で変更することにより、発酵物の抽出並びにそれを細菌接種物及び生化学的レギュレータとして、１つの区分から別の区分への煙突状物を通して再循環することが可能になる。この接種物は、発酵槽の異なる点で、多少加水分解及び発酵しており、そのため多少濃厚な物質の通過及び流動が可能な十分に大きい出口に重力によって抽出し、スラリーポンプによる回収及びガスバルブ及び物質バルブを備えた煙突状物により所与の区分から別の区分（最も一般的には上流）に再導入することができる。この再循環の機能は、必要に応じて、下流区分で発生した細菌を上流区分に再循環することによって生物活性を強化するため又は１つの区分から別の区分への生化学的バランスを取り直すためのものである。

図１〜７及び図１０は、発酵容器１００、第１コンパートメント１０１、第２コンパートメント１０２、物質を分離するための壁１０３、発酵槽の天井１０４、第１コンパートメント１０１上部ガス充満空間１０５、第２コンパートメント１０２上部ガス充満空間１０６、第１コンパートメント１０１と第２コンパートメント１０２との間の物質通路１０７を示す。例えば、通路１０７の測定値は５０ｃｍ×５０ｃｍである。

図１〜７及び図１０は、ガス注入煙突状物１０８、発酵槽の容器１０１への物質の入口１１０、発酵槽の容器１００からの物質の出口１１１、スラリーを（例えば、ポンプによって）導入するシステム１１２、酸性物質を再循環するための管１１３、発酵物質を再循環するための管１１４、物質の液位１１５、物質用経路仕切１１７、物質通路１１８、発酵槽のコンパートメントの上部ガス充満空間からのガス出口１１９、常圧ガス計量機１２１に向うガスの管１２０、加圧室１２２、加圧ガス管１２３、コージェネレーション装置１２４、ブースターコンプレッサー１２５、ミキサー１３１も示す。

図８は、容器２００における、煙突状物２０１、発酵槽の天井２０２、加圧ガス管２０５、ガスバルブ２０４、上部ガス充満空間２０６、注入前の物質の液位２０７、ガス排出制御口２１２、発酵槽の底２１３及び表面混合の概略２１４を示す。

これらの図に示す装置は、特に発酵槽全体に分布する、十分に大きな直径、例えば、直径１０〜１５ｃｍで、発酵槽の天井から出て、例えば発酵槽の底から少なくとも１５ｃｍで止まる多数の煙突状物１０８及び２０１を利用する。

煙突状物１０８及び２０１は、発酵槽の体積及び形状寸法に従って、例えば床面積４〜１０ｍ²につき煙突状物１本の割合で、発酵槽全体にわたって分布する。煙突状物１０８及び２０１の間隔は、例えば、煙突状物の直径に近い直径を有する十分に大きい管２０５によって、４〜１０ｂａｒの圧力で注入されるガスによって発生する撹拌円錐体の関数であり、均質化しようとする区分の撹拌を実施するのに十分な高さの煙突状物の基部に到達するガスの速度及び流量に有利となる。流量及び速度は、均質化する区分の表面積、物質の体積、発酵槽内の物質の高さ及びその他の隣接区分との望ましい相互作用に依存する。いくつかの煙突状物を、発酵槽の壁及び仕切りの縁に有利に設置し、壁及び仕切りの影響による潜在的均質化問題をとり除くことができる。

加圧室１２２に貯蔵されたガスからの数ｂａｒの圧力のガスは、ガスダクト２０５によって煙突状物１０８及び２０１に供給される。

図８に示すように、浮力によって、ガスは、煙突状物２０１の周辺の物質に上向きの力を及ぼし、対流移動を生じる大型の気泡を伴う。ガスと物質との間の密度の有意な差は、ゾーン２１０において、ガスの直接的影響があるゾーンよりも大きいゾーンで物質の対流移動を生じる。

大量の物質が、上昇するガスの気泡による上向きの力によって移動し、煙突状物２０１周辺の下部の物質の吸い上げによって、より大きいゾーンで下方移動を開始する物質の対流移動を生じる。このガス−物質対流移動は、もっとも一般的には、少なくとも１対の煙突状物の頂部を経て数ｂａｒで注入されるガスの流量及び圧力に依存する。

図８に示すように、発酵槽の床付近に到着したガスは、煙突状物２０１の周辺に例えば半径０．５〜１．５ｍの混合錐体の欠け部分の表面上に横方向への力を及ぼし、底を撹拌する効果も生む。この撹拌は、同時に活性化される隣接する煙突状物２０１への加圧ガスの注入によって生まれる渦相乗効果によって強調される。この移動は、物質の隆起及び表面波も引き起こし、特に効果的で、藁のような繊維状物質による外被の生成を防止する。

チャンバ１２２に圧縮されるガスの体積、例えば１０〜３０ｍ³（例えば、４〜１０ｂａｒ）は発酵槽の体積、及び混合パラメータの関数である。チャンバから放出されるガスの体積は可変であることができ、例えば、ガスの注入の間、体積、望ましいガス速度、発酵槽内の物質の高さ、及び物質の粘度に依存して、６ｂａｒから４ｂａｒへ又は７ｂａｒから５ｂａｒへと移る。

各区分は、液相／固相分離が発酵槽で始まると逐次的に活性化される。この固体物質と液体物質の分離は、乾燥物質の濃度が高い濃厚な媒体では非常に低速である。発酵槽全体の完全な撹拌サイクルは、数時間を要し、１日に数回活性化でき、その時間は該当する区分の物質の粘度に応じて前後する。

加圧ガスを収容するチャンバ１２２内のブースター又はコンプレッサ１２５により加圧ガスを逐次的に圧縮することで、例えば十分に長い期間（数十分）、発酵槽への加圧ガスの放出と放出との間、例えば１０〜２０秒間、煙突状物１０８又は２０１によって画定された区分において、コンプレッサ１２５の出力は、約１００分の１に大きく低減される。

各区分は、チャンバ１２２から入ってくる加圧ガスを受け取る少なくとも２本の煙突状物によって画定される。撹拌しようとする区分内の煙突状物１０８又は２０１の各々は、同じ区分の別の煙突状物１０８又は２０１と一緒に活性化され、数本の煙突状物１０８又は２０１に同時に供給するガス管１１２及び２０５から圧縮ガスを受け取る。

煙突状物１０８又は２０１に注入されたガスは、発酵槽の上部ガス充満空間に入り、チャンネル２１２によってフレキシブルリザーバ又はガス計量機１２１に自然に移送される。その後、ガス計量機１２１内に存在するガスの一部が、チャンバ１２２内のガスを圧縮するコンプレッサ１２５によって取り出され、その後新たな区分に新たな注入が行われる。

一部の煙突状物１０８は、細菌接種のため又は複数の区分の生化学的バランスを取るために、発酵中又は発酵済みの物質を様々な点に再循環することができる。

物質は、スラリーポンプ１１２（例えばスクリューポンプ、コンクリートポンプ又はウォームポンプ型）によって導入及び再循環される。発酵物質は、例えば物質パイプ１１３及び１１４によって再循環され、その結果、発酵酸性物質１１３又は発酵メタン生成物質１１４を再循環できる。本装置は、発酵槽のチャンバ１００の２つのコンパートメント１０１及び１０２を分離する第１の壁１０３も具備する。この壁１０３は発酵槽のチャンバ１００の天井まで立ち上がり、コンパートメント１０１及び１０２の上部ガス充満空間１０５及び１０６を独立して形成する。壁１０３は、第１コンパートメントから第２コンパートメントへの発酵物質の通路１０７によって下部が開放されている。撹拌によって引き起こされる加水分解及び均質化により、物質の通過は、流体の流体静力学の法則（液面均衡）に従って、単に新たな物質の入力によって発生する重力によって、必要な場合には撹拌後に、第１コンパートメント１０１の酸生成区分から行われる。

壁１０３は、発酵槽の同じチャンバ１００に２種類の温度レベルを有することを可能にし、第１コンパートメントで６５℃のオーダーの熱的酵素加水分解、第２コンパートメントで例えば３８〜４０℃の中温性、さらには好熱性さえも操作できる。第１コンパートメント１０１の加水分解／酸生成は、複雑な分子を可溶化して、特に揮発性脂肪酸、エタノール、水素及び二酸化炭素を産生する酸生成細菌に利用できるようにする。媒体のｐＨは、基質に依存して、第２コンパートメントのメタン生成段階の前に、例えば５〜６に低下するが４．５未満にはならず、第２コンパートメントでは、ｐＨは揮発性脂肪酸、水素及び二酸化炭素を本質的にメタン及び二酸化炭素から形成されるバイオガスに変換し、窒素をミネラル化する種々のメタン生成菌科の作用により、中性に近づく。

ｐＨレベル並びに上部ガス充満空間のＨ₂レベル及び基質中の可溶相のＨ₂レベル（Ｈ₂分圧）による各コンパートメントにおける発酵の管理は、発酵槽内の異なる位置における発酵中又は発酵済みの物質を、煙突状物を用いて別々に再循環することによって可能となる。この異なる細菌科の細菌活性によるｐＨ及びＨ₂レベルの管理は、有機物のＣＨ₄とＣＯ₂への分解の速度及び程度並びに発酵槽内における物質の滞留時間の短縮に有利である。熱−酵素加水分解により、リグニンに捕捉された炭素は酸生成及びメタン生成発酵に利用できるようになり、特に藁堆肥における、より良好な炭素−窒素バランスに有利である。したがって、仕切１０３により、加水分解−酸生成段階をメタン生成とは別に管理できる。

２種類の温度レベルを、第１コンパートメント１０１の超好熱性操作にカロリーを提供する熱交換システムによって管理し、第１コンパートメント１０１から高温の発酵物質を入力することにより、第２コンパートメント１０２に余剰カロリーを抽出することができる。ただし、第１コンパートメント１０１の余剰温度は、発酵槽全体で発酵槽の壁を通るエネルギー損失を十分に補償できる。

第１コンパートメント１０１は、酸生成物質１１３の通過の直前に物質を抽出するためのチャンネルを備え、酸性基質のバイオマスの一部をミキサー１３１に新規基質と共に再循環するか、又はスラリーポンプ１１２を用いて煙突状物１０８の１つに直接再循環することができる。

壁１０３は第１コンパートメントの体積を画定し、例えば、発酵槽の総体積の１／６〜１／４を表す。変形例において、壁１０３は発酵槽の底から例えば数十ｃｍで止まり、壁の基部全体に通路を残す。この壁は、発酵槽の形状に応じて調節される。別の変形例において、通路１１７は、必要に応じてコンパートメント１０１と１０２との間の通路を閉鎖できるロックシステムの対象となる。閉鎖は、発酵槽につけられたスロットに、通路を塞ぐプレートを導入することによって、発酵槽の外部から作動できる。このロックシステムは、発酵槽の始動時又は発酵に有害な物質が偶発的に導入された場合に限り作動しなければならず、機械化することもできる。

発酵槽のサイズ及び形状に応じて、発酵槽は、滞留時間に従って発酵槽への入力点から発酵槽からの抽出まで、その経路内の物質のチャンネルを形成する壁１１７を具備することができる。したがって、物質の前線は低減され、経路は約２倍に延長される。物質の前線は導入点１１０から抽出点１１１へ移動する。これにより、プロセスの規定された段階で機能する主要細菌集団を混合せず、競争に参加しないことも可能になる。この第２の壁１１７は第１コンパートメント１０１において発酵槽の頂部まで立ち上がり、２つのコンパートメントの上部ガス充満空間を分離し第２コンパートメント１０２の天井までは立ち上がらず、それ故ガス充満空間は壁１１７の両側で完全に自由となる。

本発明のこの変形例は、大容量設備及び円筒形発酵槽に特に好適である。この壁１１７は、長さが幅よりも大きい長方形の発酵槽では省くことができる。

図４は、２つの雰囲気１０５及び１０６を画定する壁１０３によって分離される２つのコンパートメント１０１及び１０２に分かれる円筒形発酵槽、及び第２コンパートメント１０２を超える物質のチャンネルを形成し、通路１１８を残して、物質が第２コンパートメント１０２の第２部分を通過できるようにする仕切１１７を設けた上面図を示す。

煙突状物１１８は、区分Ｓ５では４本、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１２では３本、区分Ｓ３、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１３では２本、又は分離壁１０３の下部の通路ゾーン付近では１本に構成され、区分Ｓ４、Ｓ５は、チャンバ１２２内の圧力レベルに依存する速度及び可変流量を通じて撹拌自体を変更することによって、物質の高さ及び床の幅の両方にわたって混合を制御する混合区分を画定し、圧力のレベルは圧縮持続時間に依存し、６相対ｂａｒに上昇するには８．５分、７相対ｂａｒに上昇するには１０分である。その後、ガスは、１５秒間放出され、例えば６ｂａｒから４ｂａｒへ又は７ｂａｒから５ｂａｒへと変わり、これは煙突状物の数に従って煙突状物の口におけるガスの速度及び流量を変える。速度及び流量は、随意に変更でき、発酵物質の粘度に調節することができる。

図５は、大容積の発酵槽に特に好適な円筒形発酵装置を示す。

この装置は、単一容器１００の中の２つのコンパートメント１０１及び１０２を基本とする。第１の熱−酵素加水分解及び酸生成コンパートメント１０１は容器１０３の内側に位置し、２つのコンパートメント１０１と１０２との間の壁として機能する。物質はスラリーポンプによって、煙突状物１０８を通って第１区分Ｓ１に導入されるか、スラリーポンプ１２２に接続するチャンネルによって槽に直接導入される。物質は、複数の煙突状物１０８によって区分ごとに撹拌され、超好熱性温度で加水分解し、物質のチャンネルを形成する仕切１１７の周囲の区分Ｓ１〜Ｓ４に移動し、大きな通路１０７を経て外に出て、２本の煙突状物による高流量撹拌により区分Ｓ５〜Ｓ１３に栓流で流れることによってその経路を進む。栓流は、物質の進行的可溶化によって、１１１で濃厚なままの消化残渣の形で物質が発酵槽から出やすいようにした流れである。

装置は、装置の種類に応じてモデル化及び多少自動化された制御システムを備える。この制御は、異なる方法で、注入開始時点のチャンバ内の圧力レベル及び注入時の低レベルに基づいて、ガスの所与の体積、速度及び流量に対する撹拌持続時間によって設定されている物質の粘度の関数として、煙突状物に注入されるガスの速度及び流量を操作する。この制御はさらに、発酵槽の均衡パラメータ（ガスの量、ｐＨ等）及び発酵しようとする基質の特性に応じて、ガスバルブ又は物質バルブの開閉並びに発酵槽の規定された点での煙突状物１０８又は２０１による再循環量を操作する。このガスバルブ又は物質バルブの組の制御は、多少自動化され、発酵槽の任意の場所の物質に関して、ガスについては２つのコンパートメント１０１及び１０２、物質については煙突状物１０８又は２０１から観測できるガス又は物質インジケータの関数として、発酵槽の各場所に再循環する量を変えることができる。制御インジケータは、セントラルサーバーにダウンロードすることができ、これを発酵槽の操作及び制御設定点に送信する。

閉鎖槽を備える発酵槽における連続乾式メタン発酵の方法は、
−少なくとも１５％の乾燥物質を含む、発酵しようとするスラリーを、前記槽の少なくとも１つのコンパートメントに導入する工程、及び
−加圧ガスを、少なくとも１つの前記コンパートメントを通って下降する少なくとも１つの煙突状物を通って、コンパートメントの底付近に注入し、スラリー内を上昇する注入ガスによって、煙突状物周辺のスラリーに上昇移動を引き起こし、コンパートメントの底に見出される物質を撹拌する工程
を含む。

上記のように、スラリーは第１コンパートメントに導入され、第１コンパートメントでの加水分解の後、加水分解されたスラリーはメタン生成が起こる第２コンパートメントへ移動する。第１コンパートメントから第２への移動の工程は、槽の底で実施されるため、コンパートメントの雰囲気は接触していない。

好ましくは、ガス注入の間に、スラリーの発酵から生じたガスが導入され、ガスは互いに接近した少なくとも２本の煙突状物内に注入される。

本方法は、好ましくは、スラリーの粘度を測定する工程を含み、その際、ガス注入工程の間のガスの量、その流量及び／又は速度は測定された粘度に依存する。例えば、スラリーの粘度を測定する工程の間に、ガス注入中のガス注入に対するスラリーの抵抗性を測定する。より具体的には、スラリーの粘度を測定する工程の間に、ある体積の注入ガスの所定の圧力低下の持続時間を測定する。

好ましくは、発酵槽は多数の煙突状物を有し、ガス注入工程の間に、ガスを逐次的にこの煙突状物に注入する。ガス注入工程の間に、ガスは、スラリーが辿る経路を上流から下流へと進む煙突状物内に逐次的に注入される。

好ましくは、前記ガス注入工程の間に、煙突状物周囲の物質のカラムの高さにおける圧力の少なくとも５倍〜１０倍の圧力でスラリーにガスを注入する。
好ましくは、本方法は、別の方法として、
−ガスをスラリーに注入する工程、及び
−バイオガスを加圧貯蔵室内で圧縮する工程
を含む。

例えば、ガス注入持続時間と圧縮持続時間との間の周期比率は１／３０未満、例えば１／５０〜１／１００である。

実施形態において、本方法は、スラリーが辿る経路上のスラリーを回収する工程、及び当該回収点の上流にスラリーを注入する工程を含む。

Claims (20)

1. 閉鎖槽を備えた発酵槽における連続乾式メタン発酵の方法であって、
   −少なくとも１５％の乾燥物質を含むスラリーを、前記槽の少なくとも１つのコンパートメントで発酵する工程、及び
   −加圧ガスを、少なくとも１つの前記コンパートメントを通って下降する複数の煙突状物を通って、前記コンパートメントの底付近に注入し、前記スラリー内を上昇する注入ガスによって、上昇移動を引き起こし、特に前記コンパートメントの底に見出される物質を撹拌する工程とから構成され、前記加圧ガスは、互いに近接する少なくとも２つの煙突状物に注入されて発酵中の物質の並進移動に好都合な撹拌前線を形成するものであり、前記発酵槽は、同時に活性化される複数の煙突状物を有し、前記ガス注入工程の間に、ガスは逐次的に前記煙突状物に注入されて渦相乗効果をもたらすことを特徴とする、方法。
2. 前記スラリーは、第１コンパートメントで少なくとも１７％まで加水分解され、当該加水分解スラリーはメタン生成が起こる第２コンパートメント内に流れる、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１コンパートメントから第２コンパートメントへの通過の工程は槽の底で実施され、コンパートメントの雰囲気は接触しない、請求項２に記載の方法。
4. 前記ガス注入の間に、スラリーの発酵で発生したガスは導入される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記ガス注入工程の間に、ガスは互いに接近した少なくとも２本の煙突状物内に注入される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. スラリーの粘度を測定する工程を含み、前記ガス注入工程の間のガスの量、その流量及び／又はその速度は測定した粘度に依存する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記スラリーの粘度を測定する工程の間に、前記ガス注入中のガス注入に対するスラリーの抵抗を測定する、請求項６に記載の方法。
8. 前記ガス注入工程の間に、ガスは、前記煙突状物内の前記スラリーが辿る経路を上流から下流へと進む、請求項１〜７に記載の方法。
9. 前記スラリーが辿る経路上のスラリーを回収する工程、及び当該回収点の上流にスラリーを注入する工程を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記ガス注入工程の間に、煙突状物周囲の物質のカラムの高さにおける圧力の少なくとも５倍、及び少なくとも４ｂａｒを有するガスを前記スラリーに注入する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 閉鎖槽を備える発酵槽における連続乾式メタン発酵の装置であって：
    −少なくとも１５％の乾燥物質を含むスラリーを、前記槽の少なくとも１つのコンパートメントで発酵する手段、及び
    −少なくとも１つの前記コンパートメントを通って下降する複数の煙突状物を通って、加圧ガスを前記コンパートメントの底付近に注入する手段であって、前記スラリー内を上昇する注入ガスによって、煙突状物の周囲のスラリーに上昇移動を引き起こし、特に前記コンパートメントの底に見出される物質を撹拌する手段
    とから構成され、前記加圧ガスは、互いに近接する少なくとも２つの煙突状物に注入されて発酵中の物質の並進移動に好都合な撹拌前線を形成するものであり、前記発酵槽は同時に活性化される複数の煙突を有し、この複数の煙突にジェットガスを連続して放出して渦相乗効果をもたらす手段を備えた装置。
12. 前記槽は、前記スラリーが導入される第１コンパートメント及び第１コンパートメントでの加水分解後に加水分解スラリーが流入する第２コンパートメントを備え、メタン生成は第２コンパートメントで起こる、請求項１１に記載の装置。
13. 前記槽の底において第１コンパートメントと第２コンパートメントとの間に通路を含み、したがってこれらのコンパートメントの雰囲気が接触していない、請求項１２に記載の装置。
14. 前記ガス注入の手段が、前記スラリーの発酵から生じたガスを導入するように構成されている、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記煙突状物の各々へのガスの注入を制御し、互いに接近した少なくとも２本の煙突状物にガスを注入する手段を含む、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 前記ガスの注入を制御する手段は、前記スラリーが辿る経路を上流から下流へと進む煙突状物内への逐次的なガスの注入を制御する、請求項１１に記載の装置。
17. 前記スラリーの粘度を測定する手段を含み、前記ガスの注入を制御する手段は、注入ガスの量、その流量及び／又は速度は測定された粘度に依存するように構成されている、請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の装置。
18. 前記スラリーの粘度を測定する手段は、前記ガス注入の間にガス注入に対するスラリーの抵抗を測定する、請求項１７に記載の装置。
19. スラリーが辿る経路上のスラリーを回収する手段、及び当該回収点の上流にスラリーを注入する手段を含む、請求項１１〜１８のいずれか一項に記載の装置。
20. 前記ガスを注入する手段が、煙突状物周囲の物質のカラムの高さにおける圧力の少なくとも５倍、及び少なくとも４ｂａｒを有するガスを前記スラリーに注入するように構成された、請求項１１〜１９のいずれか一項に記載の装置。

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