嫌気性加水分解によるバイオガス生産設備
本発明は、有機性廃棄物を、バイオガス、すなわちメタン含有ガスにより効果的かつ経済的に変換する方法とシステムに関する。該システムは、消化によるバイオガスの産生のための、有機性廃棄物を保持しかつ消化された廃棄物の放出口を有するリアクター（３）と、消化された廃棄物の嫌気性加水分解のための、リアクター（３）の放出口に接続されかつ加水分解された物質の放出口を有する嫌気性タンク（６）とを含み、該加水分解された物質の放出口はリアクターに前記加水分解された物質を加えるためのリアクターの投入口に接続されている。嫌気性加水分解プロセスは、リアクター内で消化されていない物質のエネルギー含量を細菌の消化に可能なようにし、よって加水分解された物質はリアクターに戻され、バイオガスにさらに変換される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、バイオガス、すなわちメタン含有ガスに有機性廃棄物をより効果的かつ経済的に変換する方法とシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
今日のバイオガス生産設備は、通常、経済的に実行可能な油脂を含有する産業廃棄物に依存している。重量比のエネルギー密度が高い油脂は、バイオガス生産設備に有用な投入物となる。この目的のため、産業廃棄物に対する需要は高く、このことがそれをむしろ高価で限られた原料にしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、産業廃棄物を他の廃棄物などの他の物質で代替することを可能にするバイオガス生産設備が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明の概要
本発明によると、消化（digestion）によるバイオガス生産のための、有機性廃棄物を保持しかつ消化された廃棄物の放出口を有する第１リアクターと、消化された廃棄物の嫌気性加水分解のための、第１リアクターの放出口に接続されかつ加水分解された物質の放出口を有する嫌気性タンク（加水分解された物質の放出口は、リアクターに加水分解された物質を加えるための第２リアクターの投入口に接続されている）とを備えるバイオガス生産設備により、上記のそして他の目的が達成される。
【０００５】
本発明のある実施形態において、第１リアクターが第２リアクターをも構成する。
リアクター内で消化されなかったエネルギー含有物質は、嫌気性加水分解処理により、細菌で消化できるようになるので、加水分解された物質は、第２リアクターに供給されるか、第１リアクターに再度供給され、細菌によりバイオガスにさらに変換される。
【０００６】
嫌気性加水分解処理は、加水分解処理を行わない類似の設備に比べ、バイオガスの生産量を著しく増やす。
第１リアクターで消化された後に嫌気性加水分解を行うことは、物質の消化され得る部分がリアクター内で既に消化されているので、嫌気性加水分解タンク内で処理される物質量を最小限に抑えられる点で優位である。これによって、必要とされる嫌気性タンクの容量や、関連する接続システムを縮小し、設備投資や運営費が削減される。
【０００７】
さらに、消化後の嫌気性加水分解は、消化前の加水分解よりも多くのエネルギーを供給する。これは、揮発性物質の含有量が高いバイオマスや、消化及び反応しやすい揮発性物質の加水分解処理によって、リアクターで消化され得ない有機性物質の誘導体に加水分解される間、有機物質の構成成分が変性又は凝縮されやすいという事実によっておこると考えられる。従って、そのような物質は、加水分解前にリアクターで有利に消化され得る。
【０００８】
嫌気性タンク内での嫌気性加水分解は、飽和蒸気圧と同じか、より高い圧力で行われるのが好ましい。
【０００９】
本発明のさらなる優位点は、嫌気性加水分解処理を補助するために化学物質を一切使用しないことである。
【００１０】
驚くべきことに、嫌気性加水分解の産出物は無臭である。
【００１１】
加水分解処理は、藁、繊維及び類似の繊維含有物質などの植物資源、下水処理プラントからの生物汚泥などの汚泥、細菌性物質、動物飼料の残渣、動物遺骸など、さまざまな物質に効果的に行われる。
【００１２】
リアクターは、運営費が低いので嫌気性リアクターが好ましい。
【００１３】
本発明の好適な実施形態では、バイオガス生産設備は、予め設定されたしきい値サイズより大きい粒子を消化された廃棄物から選択的に分離するための、第１リアクターの放出口に接続されかつ分離された粒子の放出口を有する分離器をさらに備え、該分離された粒子の放出口は、分離された大粒子の加水分解のための嫌気性タンクに接続される。
【００１４】
大粒子の多くは生物性物質（biological substance）であり、有用な生物性物質は、加水分解タンクでのさらなる処理のために、第１リアクターで消化された物質から分離される。これによって、必要とされる嫌気性タンクの容量や、関連する接続システムが縮小され、設備投資やコストが削減される。
【００１５】
小粒子は、リグニン様物質やリン塩などの消化され得ない生物性乾燥物質を多く含んでおり、加水分解タンクに供給するのは好ましくない。従って、続いて加水分解される乾燥物質は、リンの含有率が低い。
本発明によると、分離効率は、沈殿剤や重合体を加えることで高めることができ、分離ユニットの上流粒子サイズを増大させ、下流の加水分解のための固体の保持を改善できる。
【００１６】
廃水処理プラントからの汚泥の加水分解について、しきい値サイズは１．０ｍｍが好ましく、２．０ｍｍがより好ましい。
藁や類似の物質の加水分解について、しきい値サイズは０．２ｃｍが好ましく、より好ましくは０．５ｃｍであり、さらに好ましくは１．０ｃｍであり、さらにより好ましくは１．５ｃｍであり、最も好ましくは２．０ｃｍである。
【００１７】
分離器は、分離された粒子を脱水するための脱水器をさらに備える。
【００１８】
加水分解タンクに入る物質量は、設備に供給される総物質量の５０％未満が好ましい。
【００１９】
加水分解は、飽和蒸気圧と実質的に同じか、より高い圧力で行われるのが好ましい。
圧力は、単純で安価な加水分解システムを提供するために、大気圧、すなわち約１気圧に実質的に等しくてよい。
物質によっては、周囲より高い圧力、例えば１２５℃や１９０℃の温度での飽和蒸気圧で加水分解したほうが、バイオガス生産設備の効率性と経済性を最適にし得る。温度を上げることで加水分解時間を短縮できる。加水分解は、例えば５０℃〜７５℃の温度範囲で０．２５〜２４時間、７０℃〜１００℃の温度範囲で０．２５〜１６時間、例えば４〜１０時間、１００℃〜１２５℃の温度範囲で０．２５〜８時間、例えば３〜６時間、１２５℃〜１５０℃の温度範囲で０．２５〜６時間、例えば２〜４時間、１５０℃〜１７５℃の温度範囲で０．２５〜４時間、例えば１〜２時間、１７５℃〜２００℃の温度範囲で０．２５〜２時間、例えば０．２５〜１時間行うことができる。
【００２０】
バイオガス生産設備は、分画した廃棄物をリアクターへ供給するための放出口を有する、有機性廃棄物を分画するための分画器をさらに備える。
【００２１】
本発明に基づくバイオガス生産設備により、穀草、草、乾燥した草、藁、牧草、動物遺骸などの有機性廃棄物を、産業廃棄物の代わりに利用できる。例えば、藁は、新鮮な藁又は乾燥した藁、あるいは家畜の汚物や寝藁に含まれている藁でもよい。従って、好適な実施形態では、藁と混合された家畜の汚物がリアクターに供給される。藁は、９０〜９５％の乾燥物質含有量であり、藁の油脂分が非常に低いにもかかわらず、著しいエネルギー量を有する。混合された汚物と藁は、リアクターで消化される。消化後、残った藁は分離器で分離され、嫌気性タンクに入り、加水分解される。
【００２２】
第１リアクターで消化された物質を加水分解することで、生産されるガス量は、後処理の嫌気性加水分解を行わない第１リアクターで生産されるガス量に比べて、２０％〜８０％増加する。本発明にもとづいて生産されるガス量は、通常、２５〜５０％増加することが期待される。
【００２３】
一般的なバイオマスポンプで物質を移送するためには、ポンピングされる物質の乾燥物質の含有量が、約１５％より低く保たれなければならない。ウォームコンベヤーを使用すれば、コストはかかるが、乾燥物質の含有量が約２５〜３０％までの物質をポンピングすることができる。乾燥物質の含有量が高い廃棄物を設備に供給する場合、藁のようなさらなる廃棄物は第１リアクターではなく、加水分解タンクの内容物に加えることができる。驚くべきことに、切断された藁を嫌気性加水分解タンクに直接供給すると、タンク内で藁と液体との実質的に均質な混合物が得られ、下流の処理で藁の層が浮遊するのを大幅に抑える傾向がある。
【００２４】
乾燥物質の含有量に応じて、加水分解タンクからの産出物は、加水分解された物質の消化を行うために、第１リアクターへ戻されるか、別の第２リアクターへ供給されてよい。
本発明の実施形態では、加水分解タンクで生産されたガスは、バイオガス生産処理工程をさらに改善するために、第１又は第２リアクターへ供給されるか、あるいはバイオガス操作処理システムに供給される。
【００２５】
リアクターで廃棄物を消化する間、硫化水素やアンモニア／アンモニウムなど、種々のガスと合成物が生成される。
硫化水素は、硫酸塩とタンパク質から発生し、ここではアミノ酸が還元された硫黄をある程度の量で含有する。生物性物質の消化は、中性のｐＨで行われ、生成された硫化水素は、それが生成された液体中や生産されたバイオガス中に存在する。
【００２６】
尿は、還元された窒素の含有量が高く、アミノ酸は、通常、還元されたＮ基、すなわちアミノ基を含んでいるので、尿やタンパク質を消化することによってアンモニア／アンモニウムが生成される。
【００２７】
中性のｐＨの水では、アンモニアや硫化水素が部分的に溶け、以下のように反応する。：
NH3 + H2O => NH4+ + OH-
H2S + H2O => HS- + H+ + H2O (H3O+)
NH4+の正電荷とHS-の負電荷がこれらを一緒にする。
NH4+ + HS- => (NH4+HS-)0
この塩は、塩が生成された液体の上のガスの分圧が２種類のガスについて低い場合、対応するガスに容易に分解される。これらのガスの分圧が高い場合、塩は液体中に残る。
【００２８】
加水分解に関連して生物性物質が加熱される過程で、有機酸、二酸化炭素、アンモニア、硫化水素などのいくらかの揮発性物質が蒸発する。これらのガスは、リアクター、又はバイオガス操作処理システムに供給されることにより、バイオガス全体の温度を上昇させる。従って、蒸発したアンモニアなどは、タンクの頭隙を含む嫌気性タンク内に蓄積されず、タンクから放出されるので、一定の高圧力を容易に維持しやすい。
【００２９】
ガスから蒸発したアンモニアを液体に再度吸収することによる圧力の低下により、前記の反応に従ってアンモニウムが生成される。
さらに、加水分解された物質のその後の消化によりアンモニア／アンモニウムの含有量を著しく低減することができ、バイオガスの生産がおこる温度をより高くすることが可能になる。
【００３０】
家畜の汚物によるバイオガス生産設備では、通常、硫化水素の含有量が高いガスが生産され、これはバイオガスを電気やガスに変換するガスモーターなどの損傷を防ぐために減少させる必要がある。加水分解タンクから供給されたガスは、高温で、蒸発した水分やイオン化したアンモニウム（NH4+）を含んでいるので、前記の反応が起こり、硫化水素を硫化アンモニウムに変える。従って、加水分解タンクで生成されたガスは、リアクターで生産されたバイオガスを浄化する。
【００３１】
図面の簡単な説明
図１ 乾燥物質の含有量が低い廃棄物に適した本発明に基づくバイオガス生産設備を模式的に示す。
図２ 乾燥物質の含有量が高い廃棄物に適した本発明に基づくバイオガス生産設備を模式的に示す。
図３ 乾燥物質の含有量が高い廃棄物に適した本発明に基づく別のバイオガス生産設備を模式的に示す。
図４ 本発明に基づくバイオガス生産設備の加水分解タンクを模式的に示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
発明の詳細な説明
図１は、穀草、草、乾燥した草、新鮮な藁や乾燥した藁、家畜の汚物や寝藁に含まれる藁、牧草、動物残骸などの有機性廃棄物と混合された家畜の汚物からバイオガスを生産するためのバイオガス生産設備１０を模式的に示す。図中の実施形態では、汚物の乾燥物質の含有量が少ないので、大量の藁が汚物に加えられる。分画器１は、藁を約５ｃｍ〜１０ｃｍの平均長さの藁部分に切断する。切断された藁と家畜の汚物はタンク２で混合され、混合物は、タンク３ａにおいて、通常、７０℃〜７５℃で加熱して不要な細菌を殺菌する。熱処理された物質を第１リアクター３に供給し、細菌による消化によってバイオガスが生成される。物質は、リアクターの温度によって、通常、約１５〜３０日間消化される。リアクターの温度は、通常、３０℃〜５５℃の範囲である。分離器４は、０．２ｃｍ〜２ｃｍより大きい粒子を分離し、分離された粒子は、第２分離器５で脱水され、乾燥物質の含有量を１０〜１５％乾燥物質にする。分離された物質は、嫌気性加水分解のために嫌気性加水分解タンク６に入る。
【００３３】
分離器４からの産出物は、任意に、熱交換器１６を経由して、嫌気性加水分解タンク６に入る。次いで、加水分解タンクからの産出物は、熱交換器１６の他の媒体を構成するので、加水分解タンクからの産出物は、第１リアクター３に入る前に、熱交換器１６により冷却される。
【００３４】
また、任意に、分離器４からの産出物は、嫌気性加水分解タンク６に入る前に、熱交換器１８で温水、例えば高圧温水により加熱され得る。
これも任意であるが、穀草、草、乾燥した草、新鮮な藁や乾燥した藁、家畜の汚物や寝藁に含まれる藁、牧草などの有機性廃棄物は、嫌気性加水分解タンク６に直接供給することができるか、又は有機性廃棄物は、嫌気性加水分解タンク６に入る前に、第１リアクター３の産出物の少なくともいくらかとタンクで混合され得る。
例えば、切断された藁を、嫌気性加水分解タンク６に直接供給することができる。
驚くべきことに、タンク６で藁と液体との実質的に均質な混合物が生成されることが見出された。
【００３５】
嫌気性タンク６は、以下で図４を参照してさらに説明されるように、蒸気で直接、又はマントルの上から圧力をかけるか、あるいは嫌気性加水分解タンク６に物質を供給する供給ポンプで圧力を高めることができる。
【００３６】
加水分解された物質は、液体に溶けるか、又は小粒子の形をとる。
【００３７】
産業廃棄物や分別された家庭ごみなどの他の生物性物質２ａは、設備１０に供給することができる。これらの他の生物性物質は、第１リアクタータンク３に直接供給されるので、システムの他の部分に影響を及ぼさない。
【００３８】
図２は、藁と混合された家畜の汚物からバイオガスを生産するためのバイオガス生産設備１０を模式的に示す。汚物と藁の混合物は、乾燥物質の含有量が高い。分画器１は、藁を約５ｃｍ〜１０ｃｍの平均長さの藁部分に切断する。切断された藁と加水分解された物質は、タンク２ｂで混合され、第１リアクター３に供給された混合物は、細菌で消化され、バイオガスを生成する。
代替又は追加として、切断された藁は、嫌気性タンク６に直接入ることができる。驚くべきことに、タンク６で藁と液体との実質的に均質な混合物が生成されることが見出された。
【００３９】
家畜の汚物は、２で混合され、３ａで熱処理される。熱処理された物質は、第１リアクター３に供給され、細菌による消化によって、バイオガスを生成する。物質は、リアクターの温度によって、通常、約１５〜３０日間消化される。リアクターの温度は、通常、３０℃〜５５℃の範囲である。分離器４は、０．２ｃｍ〜２ｃｍより大きい粒子を分離し、分離された粒子は、第２分離器５で脱水され得、乾燥物質の含有量が１０〜１５％乾燥物質となる。分離された物質は、加水分解タンク６に入り、加水分解される。
【００４０】
分離器４からの産出物は、任意に、熱交換器１６を経由して、嫌気性加水分解タンク６に入る。次いで、加水分解タンクからの産出物は、熱交換器１６の他の媒体を構成するので、加水分解タンクからの産出物は、第１リアクター３に入る前に冷却される。
また、任意であるが、分離器４からの産出物は、嫌気性加水分解タンク６に入る前に、熱交換器１８で温水、例えば高圧温水により加熱され得る。
【００４１】
嫌気性タンク６は、以下で図４を参照してさらに説明するように、蒸気で直接、又はマントルの上から圧力をかけるか、あるいは嫌気性加水分解タンク６に物質を供給する供給ポンプで圧力を高めることができる。
【００４２】
加水分解された物質は、液体に溶けるか、又は小粒子の形をとる。
乾燥物質の含有量が高い家畜の汚物の場合、分離された粒子を脱水する必要はないかもしれない。破線は、第２分離器５の迂回路を示す。
【００４３】
産業廃棄物や分別された家庭ごみなどの他の生物性物質２ａは、設備１０に供給することができる。これらの他の生物性物質は、第１リアクタータンク３に直接供給されるので、システムの他の部分に影響を及ぼさない。
【００４４】
図３は、藁と混合された家畜の汚物からバイオガスを生産するための別のバイオガス生産設備１０を模式的に示す。汚物と藁の混合物は、乾燥物質の含有量が高い。家畜の汚物は、２で混合され、３ａで約７０℃〜７５℃の温度で熱処理を施される。熱処理された物質は、第１リアクター３に供給され、細菌による消化によって、バイオガスを生成する。物質は、リアクターの温度によって、通常、約１５〜３０日間消化される。リアクターの温度は、通常、３０℃〜５５℃の範囲である。分離器４は、０．２ｃｍ〜２ｃｍより大きい粒子を分離し、分離された粒子は、第２分離器５で脱水され得、乾燥物質の含有量が１０〜１５％乾燥物質となる。分離された物質は、加水分解タンク６に入り、加水分解される。
【００４５】
嫌気性タンク６は、以下で図４を参照してさらに説明するように、蒸気によって直接、又はマントルの上から圧力をかけるか、あるいは嫌気性加水分解タンク６に物質を供給する供給ポンプで圧力を高めることができる。
【００４６】
加水分解された物質は、液体に溶けるか、又は小粒子の形をとる。
【００４７】
分画器１は、藁を約５ｃｍ〜１０ｃｍの平均長さの藁部分に切断する。切断された藁とタンク６で加水分解された物質は、タンク２ｂで混合される。混合物は、第２リアクター３ｂで消化される。分離器４ｂは、０．２ｃｍ〜２ｃｍより大きい粒子を分離し、分離された粒子は、別の分離器５ｂで脱水され得、乾燥物質の含有量が１０〜１５％乾燥物質となる。分離された物質は、加水分解タンク６に入り、第１リアクター３からの産出物とあわせて加水分解される。
【００４８】
代替又は追加として、切断された藁は、嫌気性タンク６に直接入ることができる。驚くべきことに、タンク６で藁と液体との実質的に均質な混合物が生成されることが見出された。
【００４９】
加水分解された物質は、液体に溶けるか、又は小粒子の形をとる。
【００５０】
分離器４からの産出物と分離器４ｂからの産出物は、任意に、熱交換器１６を経由して、嫌気性加水分解タンク６に入る。次いで、加水分解タンク６からの産出物は、熱交換器１６の他の媒体を構成するので、加水分解タンク６からの産出物は、第１リアクター３に入る前に冷却される。
【００５１】
また、任意であるが、分離器４からの産出物は、嫌気性加水分解タンク６に入る前に、熱交換器１８で温水、例えば高圧温水により加熱され得る。
乾燥物質の含有量が高い家畜の汚物の場合、分離された粒子を脱水する必要はないかもしれない。破線は、第２分離器５ｂの迂回路を示す。
【００５２】
産業廃棄物や分別された家庭ごみなどの他の生物性物質２ａは、設備１０に供給することができる。これらの生物性物質は、第１リアクタータンク３に直接供給されるので、システムの他の部分に影響を及ぼさない。
【００５３】
図４は、本発明の実施形態である加水分解タンクを示しており、ここでは加水分解中に生成されたガスは、リアクターやバイオガス操作処理システムに放出される。従って、前記の通り、消化によって生産されたバイオガスは浄化され、システム内のガス温度が上昇するので、生物学的浄化プロセスや類似のプロセスの効率性を高めることができる。
【００５４】
図に示す実施形態では、加水分解される生物性物質は、加水分解タンク１２への投入物である。所望の加水分解温度によって、図４ｂのように、タンクに直接蒸気を注入して嫌気性タンクを加熱するか、又は図４ａのように、タンク周辺のマントルやパイプを加熱して、嫌気性タンクを加熱する。代替又は追加として、投入物は、熱交換器（図示せず）を経由して嫌気性加水分解タンク１２に入る。次いで、加水分解タンクからの産出物は、熱交換器の他の媒体を構成するので、加水分解タンクからの産出物はリアクターに入る前に、熱交換器により冷却される。また、任意であるが、タンク１２への投入物は、嫌気性加水分解タンク１２へ入る前に、温水、例えば高圧温水などによる第２熱交換機（図示せず）で、さらに加熱することができる。
【００５５】
タンク内で温度が上昇する間、加水分解ガス放出バルブ１４を開くので、加水分解処理によって生物性物質の上の頭隙に生成されたガスは、リアクター（図示せず）で消化されることにより生成されたガスと通じる。生物性液体が設定温度に達すると、少なくともある特定の期間中は、リアクター内で生産されたガスとの交流が持続され得る。圧力を上げるべき場合は、バルブ１４を閉ざし、望ましい圧力に達すると、バルブと熱供給が操作され、タンク内で実質的に一定の圧力が維持される。圧力下で加水分解を行う間、有機性物質の自動酸化によりCO2や他のガスが生成され、液体や液体中の細菌に溶ける。圧力を解除すると、細菌に含まれる溶存ガスの圧力が細菌膜を破壊し、殺菌する。
【００５６】
加水分解が終了すると、頭隙のバルブ１４を再度開いて、嫌気性タンク内での低圧力（真空）を防ぐ。リアクターガスやガス操作システムへ蒸気を放出することにより、嫌気性タンクの温度を下げることができるか、又は熱交換や熱回復を利用することにより冷却し得る。
【００５７】
加水分解によって生産されたガスは、アンモニアや硫化水素、二酸化炭素、揮発性脂肪酸（ＶＦＡ）、蒸発した水分などを含む。リアクターの頭隙やバイオガス操作処理システム内のバイオガス温度では、これらのガスが凝縮し、前記の通り、イオン化物質が生成される。イオン化物質は互いに反応し合い、塩を生成する。ガスは冷却され、蒸発した水分で実質的に飽和するので、生産されたバイオガスに必要とされない著しい量のガスが、凝縮された液体に吸収される。
【００５８】
図１〜３の実施形態では、分離器４及び４ｂが、リアクターで消化された物質の種類に応じて、しきい値より大きい粒子を分離する。例えば、廃水処理プラントからの汚泥の加水分解について、しきい値サイズは約１．０ｍｍ〜約２．０ｍｍの範囲であり、藁などの繊維を含む物質の加水分解では、しきい値サイズは約０．２ｃｍ〜約２．０ｃｍの範囲である。小粒子は、微生物による消化ができない物質や、加水分解処理に望ましくないリン塩や窒素塩を多く含んでいる。
【００５９】
分離器は、沈降作用によって稼動し得る。しかし、沈降は、リンを分離するには効果的でないので、薄膜分離器や振動スクリーンなどを用いるのが好ましい。
【００６０】
分離器の産出物は、分離器の投入物の約１５〜３０容量％の液体粒子画分を構成し、分離器投入物の約２０〜５０％の乾燥物質を含み、乾燥物質含有量が約８〜１５％である。
【００６１】
バイオ生産設備が、乾燥物質の含有量が少ない家畜の汚物用であるか、又は乾燥物質の含有量が多い家畜の汚物用であるかによって、必要であれば、第２分離器５及び５ｂは、１０〜１５％程度に乾燥物質の含有量を増加させる。分離器５及び５ｂは、遠心分離機かスクリュープレスなどであり得る。
【００６２】
分離器５及び５ｂの産出物は、分離器投入物の６０〜７０容量％の液体粒子画分を構成し、分離器投入物の７０〜８０％の乾燥物質を含み、乾燥物質含有量が１２〜１５％である。
【００６３】
図に示す実施形態では、分離効率は、沈殿剤や重合体を加えることで上昇させることができ、分離ユニットの上流で粒子サイズを増大させ、それにより下流の加水分解のための固体の保持量を増やすことができる。
【００６４】
廃水処理プラントの超過生物性汚泥による実験では、嫌気性消化とそれに続く嫌気性加水分解を用いるバイオガス生産が、嫌気性加水分解を行わない類似の嫌気性消化による生産に比べ、バイオガスの生産量の５０〜７０％の増加をもたらすことを示す。藁を混合した動物肥料による類似の実験では、嫌気性消化とそれに続く嫌気性加水分解を用いるバイオガス生産が、嫌気性加水分解を行わない類似の嫌気性消化による生産に比べ、バイオガスの生産量の２０〜８０％の増加をもたらすことを示す。乾燥物質を減少させれば、バイオガスの生産量も当然減る。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】乾燥物質の含有量が低い廃棄物に適した本発明に基づくバイオガス生産設備を模式的に示す。
【図２】乾燥物質の含有量が高い廃棄物に適した本発明に基づくバイオガス生産設備を模式的に示す。
【図３】乾燥物質の含有量が高い廃棄物に適した本発明に基づく別のバイオガス生産設備を模式的に示す。
【図４】本発明に基づくバイオガス生産設備の加水分解タンクを模式的に示す。
【符号の説明】
【００６６】
１ 分画器
２ タンク
２ａ 他の生物性物質
２ｂ タンク
３ 第１リアクター
３ａ タンク
３ｂ 第２リアクター
４ 分離器
４ｂ 分離器
５ 第２分離器
５ｂ 分離器
６ 嫌気性加水分解タンク
１０ バイオガス生産設備
１２ 嫌気性加水分解タンク
１４ 加水分解ガス放出バルブ
１６ 熱交換器
１８ 熱交換器
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、バイオガス、すなわちメタン含有ガスに有機性廃棄物をより効果的かつ経済的に変換する方法とシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
今日のバイオガス生産設備は、通常、経済的に実行可能な油脂を含有する産業廃棄物に依存している。重量比のエネルギー密度が高い油脂は、バイオガス生産設備に有用な投入物となる。この目的のため、産業廃棄物に対する需要は高く、このことがそれをむしろ高価で限られた原料にしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、産業廃棄物を他の廃棄物などの他の物質で代替することを可能にするバイオガス生産設備が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明の概要
本発明によると、消化（digestion）によるバイオガス生産のための、有機性廃棄物を保持しかつ消化された廃棄物の放出口を有する第１リアクターと、消化された廃棄物の嫌気性加水分解のための、第１リアクターの放出口に接続されかつ加水分解された物質の放出口を有する嫌気性タンク（加水分解された物質の放出口は、リアクターに加水分解された物質を加えるための第２リアクターの投入口に接続されている）とを備えるバイオガス生産設備により、上記のそして他の目的が達成される。
【０００５】
本発明のある実施形態において、第１リアクターが第２リアクターをも構成する。
リアクター内で消化されなかったエネルギー含有物質は、嫌気性加水分解処理により、細菌で消化できるようになるので、加水分解された物質は、第２リアクターに供給されるか、第１リアクターに再度供給され、細菌によりバイオガスにさらに変換される。
【０００６】
嫌気性加水分解処理は、加水分解処理を行わない類似の設備に比べ、バイオガスの生産量を著しく増やす。
第１リアクターで消化された後に嫌気性加水分解を行うことは、物質の消化され得る部分がリアクター内で既に消化されているので、嫌気性加水分解タンク内で処理される物質量を最小限に抑えられる点で優位である。これによって、必要とされる嫌気性タンクの容量や、関連する接続システムを縮小し、設備投資や運営費が削減される。
【０００７】
さらに、消化後の嫌気性加水分解は、消化前の加水分解よりも多くのエネルギーを供給する。これは、揮発性物質の含有量が高いバイオマスや、消化及び反応しやすい揮発性物質の加水分解処理によって、リアクターで消化され得ない有機性物質の誘導体に加水分解される間、有機物質の構成成分が変性又は凝縮されやすいという事実によっておこると考えられる。従って、そのような物質は、加水分解前にリアクターで有利に消化され得る。
【０００８】
嫌気性タンク内での嫌気性加水分解は、飽和蒸気圧と同じか、より高い圧力で行われるのが好ましい。
【０００９】
本発明のさらなる優位点は、嫌気性加水分解処理を補助するために化学物質を一切使用しないことである。
【００１０】
驚くべきことに、嫌気性加水分解の産出物は無臭である。
【００１１】
加水分解処理は、藁、繊維及び類似の繊維含有物質などの植物資源、下水処理プラントからの生物汚泥などの汚泥、細菌性物質、動物飼料の残渣、動物遺骸など、さまざまな物質に効果的に行われる。
【００１２】
リアクターは、運営費が低いので嫌気性リアクターが好ましい。
【００１３】
本発明の好適な実施形態では、バイオガス生産設備は、予め設定されたしきい値サイズより大きい粒子を消化された廃棄物から選択的に分離するための、第１リアクターの放出口に接続されかつ分離された粒子の放出口を有する分離器をさらに備え、該分離された粒子の放出口は、分離された大粒子の加水分解のための嫌気性タンクに接続される。
【００１４】
大粒子の多くは生物性物質（biological substance）であり、有用な生物性物質は、加水分解タンクでのさらなる処理のために、第１リアクターで消化された物質から分離される。これによって、必要とされる嫌気性タンクの容量や、関連する接続システムが縮小され、設備投資やコストが削減される。
【００１５】
小粒子は、リグニン様物質やリン塩などの消化され得ない生物性乾燥物質を多く含んでおり、加水分解タンクに供給するのは好ましくない。従って、続いて加水分解される乾燥物質は、リンの含有率が低い。
本発明によると、分離効率は、沈殿剤や重合体を加えることで高めることができ、分離ユニットの上流粒子サイズを増大させ、下流の加水分解のための固体の保持を改善できる。
【００１６】
廃水処理プラントからの汚泥の加水分解について、しきい値サイズは１．０ｍｍが好ましく、２．０ｍｍがより好ましい。
藁や類似の物質の加水分解について、しきい値サイズは０．２ｃｍが好ましく、より好ましくは０．５ｃｍであり、さらに好ましくは１．０ｃｍであり、さらにより好ましくは１．５ｃｍであり、最も好ましくは２．０ｃｍである。
【００１７】
分離器は、分離された粒子を脱水するための脱水器をさらに備える。
【００１８】
加水分解タンクに入る物質量は、設備に供給される総物質量の５０％未満が好ましい。
【００１９】
加水分解は、飽和蒸気圧と実質的に同じか、より高い圧力で行われるのが好ましい。
圧力は、単純で安価な加水分解システムを提供するために、大気圧、すなわち約１気圧に実質的に等しくてよい。
物質によっては、周囲より高い圧力、例えば１２５℃や１９０℃の温度での飽和蒸気圧で加水分解したほうが、バイオガス生産設備の効率性と経済性を最適にし得る。温度を上げることで加水分解時間を短縮できる。加水分解は、例えば５０℃〜７５℃の温度範囲で０．２５〜２４時間、７０℃〜１００℃の温度範囲で０．２５〜１６時間、例えば４〜１０時間、１００℃〜１２５℃の温度範囲で０．２５〜８時間、例えば３〜６時間、１２５℃〜１５０℃の温度範囲で０．２５〜６時間、例えば２〜４時間、１５０℃〜１７５℃の温度範囲で０．２５〜４時間、例えば１〜２時間、１７５℃〜２００℃の温度範囲で０．２５〜２時間、例えば０．２５〜１時間行うことができる。
【００２０】
バイオガス生産設備は、分画した廃棄物をリアクターへ供給するための放出口を有する、有機性廃棄物を分画するための分画器をさらに備える。
【００２１】
本発明に基づくバイオガス生産設備により、穀草、草、乾燥した草、藁、牧草、動物遺骸などの有機性廃棄物を、産業廃棄物の代わりに利用できる。例えば、藁は、新鮮な藁又は乾燥した藁、あるいは家畜の汚物や寝藁に含まれている藁でもよい。従って、好適な実施形態では、藁と混合された家畜の汚物がリアクターに供給される。藁は、９０〜９５％の乾燥物質含有量であり、藁の油脂分が非常に低いにもかかわらず、著しいエネルギー量を有する。混合された汚物と藁は、リアクターで消化される。消化後、残った藁は分離器で分離され、嫌気性タンクに入り、加水分解される。
【００２２】
第１リアクターで消化された物質を加水分解することで、生産されるガス量は、後処理の嫌気性加水分解を行わない第１リアクターで生産されるガス量に比べて、２０％〜８０％増加する。本発明にもとづいて生産されるガス量は、通常、２５〜５０％増加することが期待される。
【００２３】
一般的なバイオマスポンプで物質を移送するためには、ポンピングされる物質の乾燥物質の含有量が、約１５％より低く保たれなければならない。ウォームコンベヤーを使用すれば、コストはかかるが、乾燥物質の含有量が約２５〜３０％までの物質をポンピングすることができる。乾燥物質の含有量が高い廃棄物を設備に供給する場合、藁のようなさらなる廃棄物は第１リアクターではなく、加水分解タンクの内容物に加えることができる。驚くべきことに、切断された藁を嫌気性加水分解タンクに直接供給すると、タンク内で藁と液体との実質的に均質な混合物が得られ、下流の処理で藁の層が浮遊するのを大幅に抑える傾向がある。
【００２４】
乾燥物質の含有量に応じて、加水分解タンクからの産出物は、加水分解された物質の消化を行うために、第１リアクターへ戻されるか、別の第２リアクターへ供給されてよい。
本発明の実施形態では、加水分解タンクで生産されたガスは、バイオガス生産処理工程をさらに改善するために、第１又は第２リアクターへ供給されるか、あるいはバイオガス操作処理システムに供給される。
【００２５】
リアクターで廃棄物を消化する間、硫化水素やアンモニア／アンモニウムなど、種々のガスと合成物が生成される。
硫化水素は、硫酸塩とタンパク質から発生し、ここではアミノ酸が還元された硫黄をある程度の量で含有する。生物性物質の消化は、中性のｐＨで行われ、生成された硫化水素は、それが生成された液体中や生産されたバイオガス中に存在する。
【００２６】
尿は、還元された窒素の含有量が高く、アミノ酸は、通常、還元されたＮ基、すなわちアミノ基を含んでいるので、尿やタンパク質を消化することによってアンモニア／アンモニウムが生成される。
【００２７】
中性のｐＨの水では、アンモニアや硫化水素が部分的に溶け、以下のように反応する。：
NH3 + H2O => NH4+ + OH-
H2S + H2O => HS- + H+ + H2O (H3O+)
NH4+の正電荷とHS-の負電荷がこれらを一緒にする。
NH4+ + HS- => (NH4+HS-)0
この塩は、塩が生成された液体の上のガスの分圧が２種類のガスについて低い場合、対応するガスに容易に分解される。これらのガスの分圧が高い場合、塩は液体中に残る。
【００２８】
加水分解に関連して生物性物質が加熱される過程で、有機酸、二酸化炭素、アンモニア、硫化水素などのいくらかの揮発性物質が蒸発する。これらのガスは、リアクター、又はバイオガス操作処理システムに供給されることにより、バイオガス全体の温度を上昇させる。従って、蒸発したアンモニアなどは、タンクの頭隙を含む嫌気性タンク内に蓄積されず、タンクから放出されるので、一定の高圧力を容易に維持しやすい。
【００２９】
ガスから蒸発したアンモニアを液体に再度吸収することによる圧力の低下により、前記の反応に従ってアンモニウムが生成される。
さらに、加水分解された物質のその後の消化によりアンモニア／アンモニウムの含有量を著しく低減することができ、バイオガスの生産がおこる温度をより高くすることが可能になる。
【００３０】
家畜の汚物によるバイオガス生産設備では、通常、硫化水素の含有量が高いガスが生産され、これはバイオガスを電気やガスに変換するガスモーターなどの損傷を防ぐために減少させる必要がある。加水分解タンクから供給されたガスは、高温で、蒸発した水分やイオン化したアンモニウム（NH4+）を含んでいるので、前記の反応が起こり、硫化水素を硫化アンモニウムに変える。従って、加水分解タンクで生成されたガスは、リアクターで生産されたバイオガスを浄化する。
【００３１】
図面の簡単な説明
図１ 乾燥物質の含有量が低い廃棄物に適した本発明に基づくバイオガス生産設備を模式的に示す。
図２ 乾燥物質の含有量が高い廃棄物に適した本発明に基づくバイオガス生産設備を模式的に示す。
図３ 乾燥物質の含有量が高い廃棄物に適した本発明に基づく別のバイオガス生産設備を模式的に示す。
図４ 本発明に基づくバイオガス生産設備の加水分解タンクを模式的に示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
発明の詳細な説明
図１は、穀草、草、乾燥した草、新鮮な藁や乾燥した藁、家畜の汚物や寝藁に含まれる藁、牧草、動物残骸などの有機性廃棄物と混合された家畜の汚物からバイオガスを生産するためのバイオガス生産設備１０を模式的に示す。図中の実施形態では、汚物の乾燥物質の含有量が少ないので、大量の藁が汚物に加えられる。分画器１は、藁を約５ｃｍ〜１０ｃｍの平均長さの藁部分に切断する。切断された藁と家畜の汚物はタンク２で混合され、混合物は、タンク３ａにおいて、通常、７０℃〜７５℃で加熱して不要な細菌を殺菌する。熱処理された物質を第１リアクター３に供給し、細菌による消化によってバイオガスが生成される。物質は、リアクターの温度によって、通常、約１５〜３０日間消化される。リアクターの温度は、通常、３０℃〜５５℃の範囲である。分離器４は、０．２ｃｍ〜２ｃｍより大きい粒子を分離し、分離された粒子は、第２分離器５で脱水され、乾燥物質の含有量を１０〜１５％乾燥物質にする。分離された物質は、嫌気性加水分解のために嫌気性加水分解タンク６に入る。
【００３３】
分離器４からの産出物は、任意に、熱交換器１６を経由して、嫌気性加水分解タンク６に入る。次いで、加水分解タンクからの産出物は、熱交換器１６の他の媒体を構成するので、加水分解タンクからの産出物は、第１リアクター３に入る前に、熱交換器１６により冷却される。
【００３４】
また、任意に、分離器４からの産出物は、嫌気性加水分解タンク６に入る前に、熱交換器１８で温水、例えば高圧温水により加熱され得る。
これも任意であるが、穀草、草、乾燥した草、新鮮な藁や乾燥した藁、家畜の汚物や寝藁に含まれる藁、牧草などの有機性廃棄物は、嫌気性加水分解タンク６に直接供給することができるか、又は有機性廃棄物は、嫌気性加水分解タンク６に入る前に、第１リアクター３の産出物の少なくともいくらかとタンクで混合され得る。
例えば、切断された藁を、嫌気性加水分解タンク６に直接供給することができる。
驚くべきことに、タンク６で藁と液体との実質的に均質な混合物が生成されることが見出された。
【００３５】
嫌気性タンク６は、以下で図４を参照してさらに説明されるように、蒸気で直接、又はマントルの上から圧力をかけるか、あるいは嫌気性加水分解タンク６に物質を供給する供給ポンプで圧力を高めることができる。
【００３６】
加水分解された物質は、液体に溶けるか、又は小粒子の形をとる。
【００３７】
産業廃棄物や分別された家庭ごみなどの他の生物性物質２ａは、設備１０に供給することができる。これらの他の生物性物質は、第１リアクタータンク３に直接供給されるので、システムの他の部分に影響を及ぼさない。
【００３８】
図２は、藁と混合された家畜の汚物からバイオガスを生産するためのバイオガス生産設備１０を模式的に示す。汚物と藁の混合物は、乾燥物質の含有量が高い。分画器１は、藁を約５ｃｍ〜１０ｃｍの平均長さの藁部分に切断する。切断された藁と加水分解された物質は、タンク２ｂで混合され、第１リアクター３に供給された混合物は、細菌で消化され、バイオガスを生成する。
代替又は追加として、切断された藁は、嫌気性タンク６に直接入ることができる。驚くべきことに、タンク６で藁と液体との実質的に均質な混合物が生成されることが見出された。
【００３９】
家畜の汚物は、２で混合され、３ａで熱処理される。熱処理された物質は、第１リアクター３に供給され、細菌による消化によって、バイオガスを生成する。物質は、リアクターの温度によって、通常、約１５〜３０日間消化される。リアクターの温度は、通常、３０℃〜５５℃の範囲である。分離器４は、０．２ｃｍ〜２ｃｍより大きい粒子を分離し、分離された粒子は、第２分離器５で脱水され得、乾燥物質の含有量が１０〜１５％乾燥物質となる。分離された物質は、加水分解タンク６に入り、加水分解される。
【００４０】
分離器４からの産出物は、任意に、熱交換器１６を経由して、嫌気性加水分解タンク６に入る。次いで、加水分解タンクからの産出物は、熱交換器１６の他の媒体を構成するので、加水分解タンクからの産出物は、第１リアクター３に入る前に冷却される。
また、任意であるが、分離器４からの産出物は、嫌気性加水分解タンク６に入る前に、熱交換器１８で温水、例えば高圧温水により加熱され得る。
【００４１】
嫌気性タンク６は、以下で図４を参照してさらに説明するように、蒸気で直接、又はマントルの上から圧力をかけるか、あるいは嫌気性加水分解タンク６に物質を供給する供給ポンプで圧力を高めることができる。
【００４２】
加水分解された物質は、液体に溶けるか、又は小粒子の形をとる。
乾燥物質の含有量が高い家畜の汚物の場合、分離された粒子を脱水する必要はないかもしれない。破線は、第２分離器５の迂回路を示す。
【００４３】
産業廃棄物や分別された家庭ごみなどの他の生物性物質２ａは、設備１０に供給することができる。これらの他の生物性物質は、第１リアクタータンク３に直接供給されるので、システムの他の部分に影響を及ぼさない。
【００４４】
図３は、藁と混合された家畜の汚物からバイオガスを生産するための別のバイオガス生産設備１０を模式的に示す。汚物と藁の混合物は、乾燥物質の含有量が高い。家畜の汚物は、２で混合され、３ａで約７０℃〜７５℃の温度で熱処理を施される。熱処理された物質は、第１リアクター３に供給され、細菌による消化によって、バイオガスを生成する。物質は、リアクターの温度によって、通常、約１５〜３０日間消化される。リアクターの温度は、通常、３０℃〜５５℃の範囲である。分離器４は、０．２ｃｍ〜２ｃｍより大きい粒子を分離し、分離された粒子は、第２分離器５で脱水され得、乾燥物質の含有量が１０〜１５％乾燥物質となる。分離された物質は、加水分解タンク６に入り、加水分解される。
【００４５】
嫌気性タンク６は、以下で図４を参照してさらに説明するように、蒸気によって直接、又はマントルの上から圧力をかけるか、あるいは嫌気性加水分解タンク６に物質を供給する供給ポンプで圧力を高めることができる。
【００４６】
加水分解された物質は、液体に溶けるか、又は小粒子の形をとる。
【００４７】
分画器１は、藁を約５ｃｍ〜１０ｃｍの平均長さの藁部分に切断する。切断された藁とタンク６で加水分解された物質は、タンク２ｂで混合される。混合物は、第２リアクター３ｂで消化される。分離器４ｂは、０．２ｃｍ〜２ｃｍより大きい粒子を分離し、分離された粒子は、別の分離器５ｂで脱水され得、乾燥物質の含有量が１０〜１５％乾燥物質となる。分離された物質は、加水分解タンク６に入り、第１リアクター３からの産出物とあわせて加水分解される。
【００４８】
代替又は追加として、切断された藁は、嫌気性タンク６に直接入ることができる。驚くべきことに、タンク６で藁と液体との実質的に均質な混合物が生成されることが見出された。
【００４９】
加水分解された物質は、液体に溶けるか、又は小粒子の形をとる。
【００５０】
分離器４からの産出物と分離器４ｂからの産出物は、任意に、熱交換器１６を経由して、嫌気性加水分解タンク６に入る。次いで、加水分解タンク６からの産出物は、熱交換器１６の他の媒体を構成するので、加水分解タンク６からの産出物は、第１リアクター３に入る前に冷却される。
【００５１】
また、任意であるが、分離器４からの産出物は、嫌気性加水分解タンク６に入る前に、熱交換器１８で温水、例えば高圧温水により加熱され得る。
乾燥物質の含有量が高い家畜の汚物の場合、分離された粒子を脱水する必要はないかもしれない。破線は、第２分離器５ｂの迂回路を示す。
【００５２】
産業廃棄物や分別された家庭ごみなどの他の生物性物質２ａは、設備１０に供給することができる。これらの生物性物質は、第１リアクタータンク３に直接供給されるので、システムの他の部分に影響を及ぼさない。
【００５３】
図４は、本発明の実施形態である加水分解タンクを示しており、ここでは加水分解中に生成されたガスは、リアクターやバイオガス操作処理システムに放出される。従って、前記の通り、消化によって生産されたバイオガスは浄化され、システム内のガス温度が上昇するので、生物学的浄化プロセスや類似のプロセスの効率性を高めることができる。
【００５４】
図に示す実施形態では、加水分解される生物性物質は、加水分解タンク１２への投入物である。所望の加水分解温度によって、図４ｂのように、タンクに直接蒸気を注入して嫌気性タンクを加熱するか、又は図４ａのように、タンク周辺のマントルやパイプを加熱して、嫌気性タンクを加熱する。代替又は追加として、投入物は、熱交換器（図示せず）を経由して嫌気性加水分解タンク１２に入る。次いで、加水分解タンクからの産出物は、熱交換器の他の媒体を構成するので、加水分解タンクからの産出物はリアクターに入る前に、熱交換器により冷却される。また、任意であるが、タンク１２への投入物は、嫌気性加水分解タンク１２へ入る前に、温水、例えば高圧温水などによる第２熱交換機（図示せず）で、さらに加熱することができる。
【００５５】
タンク内で温度が上昇する間、加水分解ガス放出バルブ１４を開くので、加水分解処理によって生物性物質の上の頭隙に生成されたガスは、リアクター（図示せず）で消化されることにより生成されたガスと通じる。生物性液体が設定温度に達すると、少なくともある特定の期間中は、リアクター内で生産されたガスとの交流が持続され得る。圧力を上げるべき場合は、バルブ１４を閉ざし、望ましい圧力に達すると、バルブと熱供給が操作され、タンク内で実質的に一定の圧力が維持される。圧力下で加水分解を行う間、有機性物質の自動酸化によりCO2や他のガスが生成され、液体や液体中の細菌に溶ける。圧力を解除すると、細菌に含まれる溶存ガスの圧力が細菌膜を破壊し、殺菌する。
【００５６】
加水分解が終了すると、頭隙のバルブ１４を再度開いて、嫌気性タンク内での低圧力（真空）を防ぐ。リアクターガスやガス操作システムへ蒸気を放出することにより、嫌気性タンクの温度を下げることができるか、又は熱交換や熱回復を利用することにより冷却し得る。
【００５７】
加水分解によって生産されたガスは、アンモニアや硫化水素、二酸化炭素、揮発性脂肪酸（ＶＦＡ）、蒸発した水分などを含む。リアクターの頭隙やバイオガス操作処理システム内のバイオガス温度では、これらのガスが凝縮し、前記の通り、イオン化物質が生成される。イオン化物質は互いに反応し合い、塩を生成する。ガスは冷却され、蒸発した水分で実質的に飽和するので、生産されたバイオガスに必要とされない著しい量のガスが、凝縮された液体に吸収される。
【００５８】
図１〜３の実施形態では、分離器４及び４ｂが、リアクターで消化された物質の種類に応じて、しきい値より大きい粒子を分離する。例えば、廃水処理プラントからの汚泥の加水分解について、しきい値サイズは約１．０ｍｍ〜約２．０ｍｍの範囲であり、藁などの繊維を含む物質の加水分解では、しきい値サイズは約０．２ｃｍ〜約２．０ｃｍの範囲である。小粒子は、微生物による消化ができない物質や、加水分解処理に望ましくないリン塩や窒素塩を多く含んでいる。
【００５９】
分離器は、沈降作用によって稼動し得る。しかし、沈降は、リンを分離するには効果的でないので、薄膜分離器や振動スクリーンなどを用いるのが好ましい。
【００６０】
分離器の産出物は、分離器の投入物の約１５〜３０容量％の液体粒子画分を構成し、分離器投入物の約２０〜５０％の乾燥物質を含み、乾燥物質含有量が約８〜１５％である。
【００６１】
バイオ生産設備が、乾燥物質の含有量が少ない家畜の汚物用であるか、又は乾燥物質の含有量が多い家畜の汚物用であるかによって、必要であれば、第２分離器５及び５ｂは、１０〜１５％程度に乾燥物質の含有量を増加させる。分離器５及び５ｂは、遠心分離機かスクリュープレスなどであり得る。
【００６２】
分離器５及び５ｂの産出物は、分離器投入物の６０〜７０容量％の液体粒子画分を構成し、分離器投入物の７０〜８０％の乾燥物質を含み、乾燥物質含有量が１２〜１５％である。
【００６３】
図に示す実施形態では、分離効率は、沈殿剤や重合体を加えることで上昇させることができ、分離ユニットの上流で粒子サイズを増大させ、それにより下流の加水分解のための固体の保持量を増やすことができる。
【００６４】
廃水処理プラントの超過生物性汚泥による実験では、嫌気性消化とそれに続く嫌気性加水分解を用いるバイオガス生産が、嫌気性加水分解を行わない類似の嫌気性消化による生産に比べ、バイオガスの生産量の５０〜７０％の増加をもたらすことを示す。藁を混合した動物肥料による類似の実験では、嫌気性消化とそれに続く嫌気性加水分解を用いるバイオガス生産が、嫌気性加水分解を行わない類似の嫌気性消化による生産に比べ、バイオガスの生産量の２０〜８０％の増加をもたらすことを示す。乾燥物質を減少させれば、バイオガスの生産量も当然減る。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】乾燥物質の含有量が低い廃棄物に適した本発明に基づくバイオガス生産設備を模式的に示す。
【図２】乾燥物質の含有量が高い廃棄物に適した本発明に基づくバイオガス生産設備を模式的に示す。
【図３】乾燥物質の含有量が高い廃棄物に適した本発明に基づく別のバイオガス生産設備を模式的に示す。
【図４】本発明に基づくバイオガス生産設備の加水分解タンクを模式的に示す。
【符号の説明】
【００６６】
１ 分画器
２ タンク
２ａ 他の生物性物質
２ｂ タンク
３ 第１リアクター
３ａ タンク
３ｂ 第２リアクター
４ 分離器
４ｂ 分離器
５ 第２分離器
５ｂ 分離器
６ 嫌気性加水分解タンク
１０ バイオガス生産設備
１２ 嫌気性加水分解タンク
１４ 加水分解ガス放出バルブ
１６ 熱交換器
１８ 熱交換器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
消化によるバイオガス生産のための、有機性廃棄物を保持しかつ消化された廃棄物の放出口を有する第１リアクターと、
消化された廃棄物の嫌気性加水分解のための、第１リアクターの放出口に接続されかつ加水分解された物質を第２リアクターに加えるための第２リアクターの投入口に接続されている加水分解された物質の放出口を有する嫌気性タンク
とを備えるバイオガス生産設備。
【請求項２】
嫌気性加水分解は、嫌気性加水分解中、飽和蒸気圧と実質的に同じ圧力で行われる請求項１に記載のバイオガス生産設備。
【請求項３】
消化によるバイオガス生産のための、有機性廃棄物を保持しかつ消化された廃棄物の放出口を有する第１リアクターと、
予め設定されたしきい値サイズより大きい粒子を消化された廃棄物から選択的に分離するための、第１リアクターの放出口に接続されかつ分離された大粒子の放出口を有する分離器と、
分離された粒子の嫌気性加水分解を行うための、分離器の放出口に接続されかつ加水分解された物質を第２リアクターに加えるための第２リアクターの投入口に接続されている加水分解された物質の放出口を有する嫌気性タンク
とを備えるバイオガス生産設備。
【請求項４】
第１リアクターが第２リアクターをも構成する請求項１〜３のいずれか１項に記載のバイオガス生産設備。
【請求項５】
分離効率が、分離器の上流に沈殿剤又は重合体を加えることで高められ、それにより分離器の上流の粒子サイズを増大させ、下流の加水分解のために固体の保持の改善を導く請求項４に記載の設備。
【請求項６】
嫌気性タンクが、第１リアクターからの消化された物質とあわせて嫌気性加水分解を行うために該タンク内に有機性廃棄物質を受容するための投入口をさらに備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の設備。
【請求項７】
加水分解が、５０℃〜７５℃の範囲の温度で０．２５〜２４時間行われる請求項１〜６のいずれか１項に記載の設備。
【請求項８】
加水分解が、７０℃〜１００℃の範囲の温度で０．２５〜１６時間行われる請求項１〜６のいずれか１項に記載の設備。
【請求項９】
加水分解が、１００℃〜１２５℃の範囲で０．２５〜８時間行われる請求項１〜６のいずれか１項に記載の設備。
【請求項１０】
加水分解が、１２５℃〜１５０℃の範囲で０．２５〜６時間行われる請求項１〜６のいずれか１項に記載の設備。
【請求項１１】
加水分解が、１５０℃〜１７５℃の範囲で０．２５〜４時間行われる請求項１〜６のいずれか１項に記載の設備。加水分解が、１７５℃〜２００℃の範囲で０．２５〜２時間行われる請求項１又は２に記載の設備。
【請求項１２】
しきい値サイズが、０．１ｃｍより大きいか又は０．１ｃｍに等しい請求項４〜１１のいずれか１項に記載の設備。
【請求項１３】
しきい値サイズが、０．２ｃｍより大きいか又は０．２ｃｍに等しい請求項４〜１１のいずれか１項に記載の設備。
【請求項１４】
しきい値サイズが、０．５ｃｍより大きいか又は０．５ｃｍに等しい請求項４〜１１のいずれか１項に記載の設備。
【請求項１５】
しきい値サイズが、１．０ｃｍより大きいか又は１．０ｃｍに等しい請求項４〜１１のいずれか１項に記載の設備。
【請求項１６】
しきい値サイズが、１．５ｃｍより大きいか又は１．５ｃｍに等しい請求項４〜１１のいずれか１項に記載の設備。
【請求項１７】
しきい値サイズが、２．０ｃｍより大きいか又は２．０ｃｍに等しい請求項４〜１１のいずれか１項に記載の設備。
【請求項１８】
嫌気性タンクが、嫌気性タンク内の圧力を１気圧より高くするための圧力源にさらに接続されている請求項１〜１７のいずれか１項に記載の設備。
【請求項１９】
分離器が、分離された粒子の脱水のための脱水器をさらに備える請求項４〜１８２〜１６のいずれか１項に記載の設備。
【請求項２０】
有機性廃棄物を分画するための、分画した廃棄物をリアクターへ供給するための放出口を備える分画器をさらに備える請求項１〜１９のいずれか１項に記載の設備。
【請求項２１】
乾燥物質の含有量が高い第一廃棄物が家畜の汚物と混合され、混合物がバイオガス生産のためにリアクターに投入される請求項１〜２０のいずれか１項に記載の設備。
【請求項２２】
第一廃棄物が藁である請求項２１に記載の設備。
【請求項２３】
乾燥物質の含有量が高い第一廃棄物が、嫌気性タンクからの加水分解された物質と混合され、混合物がリアクターに投入される請求項１〜２２のいずれか１項に記載の設備。
【請求項２４】
第一廃棄物が藁である請求項２３に記載の設備。
【請求項２５】
乾燥物質の含有量が高い第一廃棄物が、嫌気性タンクからの加水分解された物質と混合され、混合物が該混合物の消化のための第２リアクターに投入される請求項１〜２２のいずれか１項に記載の設備。
【請求項２６】
予め設定されたしきい値サイズより大きい粒子を消化された廃棄物から選択的に分離するための、第２リアクター放出口に接続されかつ分離された大粒子用の放出口を備える第２分離器をさらに備え、分離された粒子の加水分解のための嫌気性タンクが第２分離器の放出口に接続されている請求項２５に記載の設備。
【請求項２７】
第２分離器が、分離された粒子の脱水を行うための第２脱水器をさらに備える請求項２６に記載の設備。
【請求項２８】
第一廃棄物が藁である請求項２５〜２７のいずれか１項に記載の設備。
【請求項２９】
嫌気性タンクが、リアクターで生産されたバイオガスと混合される、加水分解中に生産されたガスを供給するためのガス放出口を備える請求項１〜２８のいずれか１項に記載の設備。
【請求項３０】
以下の工程：
リアクターで有機性廃棄物を消化することによりバイオガスを生産する工程と、
続いて、消化された廃棄物を嫌気性加水分解タンクで嫌気性加水分解する工程と、
さらなる消化とガス生産のために、加水分解された物質をリアクターへ戻す工程
とを含むバイオガスの生産方法。
【請求項３１】
嫌気性加水分解を行う前に、予め設定されたしきい値サイズより大きい粒子を消化された廃棄物から選択的に分離する工程をさらに含む請求項３０に記載の方法。
【請求項１】
消化によるバイオガス生産のための、有機性廃棄物を保持しかつ消化された廃棄物の放出口を有する第１リアクターと、
消化された廃棄物の嫌気性加水分解のための、第１リアクターの放出口に接続されかつ加水分解された物質を第２リアクターに加えるための第２リアクターの投入口に接続されている加水分解された物質の放出口を有する嫌気性タンク
とを備えるバイオガス生産設備。
【請求項２】
嫌気性加水分解は、嫌気性加水分解中、飽和蒸気圧と実質的に同じ圧力で行われる請求項１に記載のバイオガス生産設備。
【請求項３】
消化によるバイオガス生産のための、有機性廃棄物を保持しかつ消化された廃棄物の放出口を有する第１リアクターと、
予め設定されたしきい値サイズより大きい粒子を消化された廃棄物から選択的に分離するための、第１リアクターの放出口に接続されかつ分離された大粒子の放出口を有する分離器と、
分離された粒子の嫌気性加水分解を行うための、分離器の放出口に接続されかつ加水分解された物質を第２リアクターに加えるための第２リアクターの投入口に接続されている加水分解された物質の放出口を有する嫌気性タンク
とを備えるバイオガス生産設備。
【請求項４】
第１リアクターが第２リアクターをも構成する請求項１〜３のいずれか１項に記載のバイオガス生産設備。
【請求項５】
分離効率が、分離器の上流に沈殿剤又は重合体を加えることで高められ、それにより分離器の上流の粒子サイズを増大させ、下流の加水分解のために固体の保持の改善を導く請求項４に記載の設備。
【請求項６】
嫌気性タンクが、第１リアクターからの消化された物質とあわせて嫌気性加水分解を行うために該タンク内に有機性廃棄物質を受容するための投入口をさらに備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の設備。
【請求項７】
加水分解が、５０℃〜７５℃の範囲の温度で０．２５〜２４時間行われる請求項１〜６のいずれか１項に記載の設備。
【請求項８】
加水分解が、７０℃〜１００℃の範囲の温度で０．２５〜１６時間行われる請求項１〜６のいずれか１項に記載の設備。
【請求項９】
加水分解が、１００℃〜１２５℃の範囲で０．２５〜８時間行われる請求項１〜６のいずれか１項に記載の設備。
【請求項１０】
加水分解が、１２５℃〜１５０℃の範囲で０．２５〜６時間行われる請求項１〜６のいずれか１項に記載の設備。
【請求項１１】
加水分解が、１５０℃〜１７５℃の範囲で０．２５〜４時間行われる請求項１〜６のいずれか１項に記載の設備。加水分解が、１７５℃〜２００℃の範囲で０．２５〜２時間行われる請求項１又は２に記載の設備。
【請求項１２】
しきい値サイズが、０．１ｃｍより大きいか又は０．１ｃｍに等しい請求項４〜１１のいずれか１項に記載の設備。
【請求項１３】
しきい値サイズが、０．２ｃｍより大きいか又は０．２ｃｍに等しい請求項４〜１１のいずれか１項に記載の設備。
【請求項１４】
しきい値サイズが、０．５ｃｍより大きいか又は０．５ｃｍに等しい請求項４〜１１のいずれか１項に記載の設備。
【請求項１５】
しきい値サイズが、１．０ｃｍより大きいか又は１．０ｃｍに等しい請求項４〜１１のいずれか１項に記載の設備。
【請求項１６】
しきい値サイズが、１．５ｃｍより大きいか又は１．５ｃｍに等しい請求項４〜１１のいずれか１項に記載の設備。
【請求項１７】
しきい値サイズが、２．０ｃｍより大きいか又は２．０ｃｍに等しい請求項４〜１１のいずれか１項に記載の設備。
【請求項１８】
嫌気性タンクが、嫌気性タンク内の圧力を１気圧より高くするための圧力源にさらに接続されている請求項１〜１７のいずれか１項に記載の設備。
【請求項１９】
分離器が、分離された粒子の脱水のための脱水器をさらに備える請求項４〜１８２〜１６のいずれか１項に記載の設備。
【請求項２０】
有機性廃棄物を分画するための、分画した廃棄物をリアクターへ供給するための放出口を備える分画器をさらに備える請求項１〜１９のいずれか１項に記載の設備。
【請求項２１】
乾燥物質の含有量が高い第一廃棄物が家畜の汚物と混合され、混合物がバイオガス生産のためにリアクターに投入される請求項１〜２０のいずれか１項に記載の設備。
【請求項２２】
第一廃棄物が藁である請求項２１に記載の設備。
【請求項２３】
乾燥物質の含有量が高い第一廃棄物が、嫌気性タンクからの加水分解された物質と混合され、混合物がリアクターに投入される請求項１〜２２のいずれか１項に記載の設備。
【請求項２４】
第一廃棄物が藁である請求項２３に記載の設備。
【請求項２５】
乾燥物質の含有量が高い第一廃棄物が、嫌気性タンクからの加水分解された物質と混合され、混合物が該混合物の消化のための第２リアクターに投入される請求項１〜２２のいずれか１項に記載の設備。
【請求項２６】
予め設定されたしきい値サイズより大きい粒子を消化された廃棄物から選択的に分離するための、第２リアクター放出口に接続されかつ分離された大粒子用の放出口を備える第２分離器をさらに備え、分離された粒子の加水分解のための嫌気性タンクが第２分離器の放出口に接続されている請求項２５に記載の設備。
【請求項２７】
第２分離器が、分離された粒子の脱水を行うための第２脱水器をさらに備える請求項２６に記載の設備。
【請求項２８】
第一廃棄物が藁である請求項２５〜２７のいずれか１項に記載の設備。
【請求項２９】
嫌気性タンクが、リアクターで生産されたバイオガスと混合される、加水分解中に生産されたガスを供給するためのガス放出口を備える請求項１〜２８のいずれか１項に記載の設備。
【請求項３０】
以下の工程：
リアクターで有機性廃棄物を消化することによりバイオガスを生産する工程と、
続いて、消化された廃棄物を嫌気性加水分解タンクで嫌気性加水分解する工程と、
さらなる消化とガス生産のために、加水分解された物質をリアクターへ戻す工程
とを含むバイオガスの生産方法。
【請求項３１】
嫌気性加水分解を行う前に、予め設定されたしきい値サイズより大きい粒子を消化された廃棄物から選択的に分離する工程をさらに含む請求項３０に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２００７−５０６５３６（Ｐ２００７−５０６５３６Ａ）
【公表日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５１５７３６（Ｐ２００６−５１５７３６）
【出願日】平成１６年６月２８日（２００４．６．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＤＫ２００４／０００４６２
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０００７４８
【国際公開日】平成１７年１月６日（２００５．１．６）
【出願人】（５０５４７７０２８）バイオ−サーキット エーピーエス (2)
【氏名又は名称原語表記】ＢＩＯ−ＣＩＲＣＵＩＴ ＡｐＳ
【住所又は居所原語表記】ｃ／ｏ Ｎｉｅｌｓ Ｏｓｔｅｒｇａａｒｄ，Ｖｅｇａｖｅｊ ８，Ｓｏｆｔｅｎ，ＤＫ−８３８２ Ｈｉｎｎｅｒｕｐ，Ｄｅｎｍａｒｋ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月２８日（２００４．６．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＤＫ２００４／０００４６２
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０００７４８
【国際公開日】平成１７年１月６日（２００５．１．６）
【出願人】（５０５４７７０２８）バイオ−サーキット エーピーエス (2)
【氏名又は名称原語表記】ＢＩＯ−ＣＩＲＣＵＩＴ ＡｐＳ
【住所又は居所原語表記】ｃ／ｏ Ｎｉｅｌｓ Ｏｓｔｅｒｇａａｒｄ，Ｖｅｇａｖｅｊ ８，Ｓｏｆｔｅｎ，ＤＫ−８３８２ Ｈｉｎｎｅｒｕｐ，Ｄｅｎｍａｒｋ
【Ｆターム（参考）】
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