本发明涉及一种甲烷发酵系统。
背景技术：
近年来，广泛地进行所谓的生物质发电，即，通过对污水污泥、畜禽粪尿以及餐厨垃圾类等有机废弃物进行甲烷发酵处理，以产生甲烷气体，再用所产生的甲烷气体来进行发电(例如，参照专利文件1)。
为了高效地进行甲烷发酵，需要进行可溶化处理的设备，所述可溶化处理为，在甲烷发酵前，对有机废弃物进行可溶化处理，直至能够将有机废弃物所含的难分解性固体有机物作为微生物的基质来使用的程度的处理。并且，为了高效地进行可溶化处理，需要将有机废弃物粉碎地尽可能细的设备、实施预处理的设备，该预处理为形成使对已粉碎的有机废弃物进行可溶化处理的微生物容易活动的环境的处理。
现有技术文献
专利文献
专利文件1：日本特开2015-165019号公报
技术实现要素：
发明所要解决的问题
如上所述，由于为了进行甲烷发酵而需要各种设备，因此用于产生甲烷气体的系统多数为大规模的系统。因此，在设置方面较费时间，并且难以将设备建在适当位置。这已成为推迟生物质发电的普及的重要原因之一。
本发明是鉴于上述实际情况而完成的，其目的在于，提供一种移动简单，并且能够将设备置于适当位置的甲烷发酵系统。
用于解决问题的手段
为了达到上述目的，本发明的甲烷发酵系统具备包括可溶化槽和甲烷发酵槽的一连串处理列，所述可溶化槽收纳于箱体，对有机处理物进行可溶化处理，所述甲烷发酵槽收纳于箱体，使在所述可溶化槽中被实施了可溶化处理的处理物发酵而产生甲烷，所述可溶化槽具有内容器和外容器，所述内容器收纳处理物，所述外容器设置在所述内容器的外侧，在所述外容器与所述内容器之间收纳热媒介，该热媒介通过由收纳在所述内容器中的处理物的可溶化处理产生的热量而被加热到规定的温度，所述甲烷发酵系统具备处理物循环部、热媒介循环部和热交换部，所述处理物循环部通过将收纳于所述甲烷发酵槽的处理物的一部分从所述甲烷发酵槽取出到外部再返回到内部，从而使处理物循环，所述热媒介循环部通过将所述热媒介的一部分从所述可溶化槽取出到外部再返回到内部，从而使所述热媒介循环，所述热交换部在循环于所述热媒介循环部中的热媒介与循环于所述处理物循环部中的处理物之间进行热交换。
另外，可以采用如下方式，即，所述一连串处理列具备粉碎部和混合槽，所述粉碎部收纳于箱体，对所投入的多个不同的有机废弃物进行粉碎，所述混合槽收纳于箱体，将所粉碎的有机废弃物作为向所述可溶化槽输送的所述处理物进行收纳并混合。
另外，可以采用如下方式，即，所述一连串处理列具备紫外线照射部，该紫外线照射部对收纳于所述混合槽的处理物照射紫外线。
另外，可以采用如下方式，即，所述一连串处理列具备可溶化菌供给部，该可溶化菌供给部对收纳于所述可溶化槽的处理物提供可溶化菌。
另外，可以采用如下方式，即，所述可溶化槽收纳于第一箱体，所述甲烷发酵槽收纳于第二箱体。
另外，可以采用如下方式，即，所述一连串处理列具备发电机，该发电机收纳于箱体，利用在所述甲烷发酵槽中所产生的甲烷气体来进行发电。
另外，可以采用如下方式，即，所述甲烷发酵系统具备多个所述一连串处理列，在各个所述处理列中处理种类不同的有机处理物，所述甲烷发酵系统具备发电部，所述发电部收集在各个所述处理列中生成的甲烷气体来进行发电。
发明效果
根据本发明，可溶化槽或甲烷发酵槽之类的用于从有机废弃物生成甲烷气体的设备收纳于箱体。因此，能够将用于生成甲烷气体的设备搬到各个地方，因此移动简单，能够增大设备场所的自由度。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式所涉及的甲烷发酵系统的结构的示意图。
图2是表示与收纳有发电机的箱体连结的甲烷发酵系统的结构的示意图。
图3是表示与多个不同的处理列连结的甲烷发酵系统的结构的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一实施方式详细地进行说明。
本实施方式所涉及的甲烷发酵系统通过对有机废弃物进行甲烷发酵，从而生成甲烷气体，并将所生成的甲烷气体用作生物质能源。这里，有机废弃物是指以蛋白质、碳水化合物、脂肪、纤维素等高分子有机化合物或由它们而来的化合物为主的物质，实质上不包含固体状无机化合物。但是，如果是可简单地溶化且对微生物的繁殖没有不良影响的固体状无机化合物，则也可以多少包含一些。
作为所涉及的有机废弃物，例如，能够举出畜禽污泥、污水污泥、食物垃圾之类的餐厨垃圾类等有机废弃物。这些有机废弃物可以在可溶化处理前用作对固体物浓度进行了浓缩处理后的原料。并且，也可以添加糖、有机酸或将它们混合所得的甲烷发酵处理过程中的代谢途径的有机物。
如图1所示，在将上述有机废弃物作为处理物的甲烷发酵系统1中，将箱体2、3(第一、第二箱体)构成为筐体。箱体2是20英尺的箱体，箱体3是40英尺的箱体。通过收纳在箱体2、3的构成要素构成了一连串处理列。
在箱体2中，作为主要的收纳物，收纳有带破碎机的螺杆泵(mohnopump)10、混合槽11和可溶化槽12。另外，在箱体3中，作为主要的收纳物，收纳有甲烷发酵槽13和脱硫装置14。
在带破碎机的螺杆泵10与混合槽11之间形成有配管20。在混合槽11与可溶化槽12之间形成有配管21。并且，在可溶化槽12与甲烷发酵槽13之间形成有配管22。配管22分为箱体2侧的配管和箱体3侧的配管，并通过例如由接头连结两个配管而构成。在甲烷发酵槽13形成有配管23。
有机废弃物被投入到箱体2的带破碎机的螺杆泵10，依次通过配管20、混合槽11、配管21、可溶化槽12、配管22、甲烷发酵槽13和配管23，从箱体3排出。所排出的处理物被用作堆肥。
并且，在甲烷发酵槽13与脱硫装置14之间形成有配管24。并且，在脱硫装置14安装有配管25。
有机废弃物从箱体2的外部投入到带破碎机的螺杆泵10(粉碎部)。带破碎机的螺杆泵10将所投入的有机废弃物粉碎成适当的大小，并经由配管20输送到混合槽11。
在混合槽11的内部设置有搅拌机，用搅拌机搅拌所投入的有机废弃物。由此，收纳在混合槽11的有机废弃物成为混合均匀的状态。并且，在混合槽11安装有紫外线照射部30。在紫外线照射部30中，例如，使出射紫外线的发光二极管(led)向混合槽11内进行照射。紫外线照射部30对投入到混合槽11的处理物照射紫外线，以进行处理物的杀菌。
在配管21安装有泵40以及三通电磁阀41。通过它们的动作，混合槽11的有机废弃物经由配管21而被输送到可溶化槽12。
可溶化槽12对所投入的处理物进行可溶化处理。在可溶化槽12中，例如，进行使用了蛋白酶产生菌等可溶化菌的高温可溶化处理。在可溶化槽12安装有培养槽(可溶化菌供给部)31。在培养槽31中培养有可溶化菌，可溶化菌从培养槽31供给到可溶化槽12。
由于在可溶化槽12设置有用于使槽内成为高温的投入式加热器33。由此，可溶化槽12的槽内的温度保持为高温。在可溶化槽12的槽内安装有用于搅拌有机废弃物的搅拌机和电机。并且，在可溶化槽12还设置有用于将空气提供给有机废弃物的空气插入口。如此，在可溶化槽12中，通过进行搅拌或曝气来促进可溶化。高温好氧性意味着如下状态，即，将温度设为50℃～100℃，优选不施加压力而在标准状态下(空气气氛下)使机废弃物可溶化的状态。
可溶化处理是将固体状或水悬浮液状的普通高分子状的有机化合物分解至可溶解于水的低分子状态的处理。在本实施方式中，用蛋白酶产生菌实施超高温可溶化。蛋白酶产生菌是可在菌体外产生分泌蛋白质分解酶(蛋白酶)的菌。
作为蛋白酶产生菌，例如，可举出bacillus菌种，特别是可举出bacillussp.mu3(微生物菌种保藏中心第niteap-156号)。该耐热性的蛋白酶产生菌具有即使在80℃下仍然能够充分活动的超高温好氧性。该菌所产生的酶的分子量为约57000，具有优异的耐热性，在较宽的ph范围内，具有高蛋白质分解能力。
超高温是指50℃～100℃，优选为60℃～90℃，尤其优选为70℃～80℃。超高温可溶化是在水溶液介质中，在好氧性或厌氧性条件下，优选在好氧性条件下，以使有机废弃物浓度成为50wt％以下，优选为5～40wt％，更优选为10～30wt％的量，使有机废弃物与蛋白酶产生菌接触而进行的。在本实施方式中，在尤其优选的条件下，能够将原料的固体物浓度(ds)提高到有机废弃物浓度成为10～30wt％，优选为ds20％以上，ph为5～8，优选为6附近，可溶化槽气氛是好氧性为最佳条件。
供蛋白酶产生菌消化的时间是12～72小时，优选为24～48小时。在好氧性或厌氧性条件下实施的情况下，能够在搅拌、曝气条件下实施。当在所涉及的条件下实施时，如后文所述，能够当场除去氨，从而能够同时进行原料的可溶化和除氨，由此能够促进甲烷发酵。在将bacillussp.mu3用作蛋白酶产生菌的情况下，由于该菌是好氧性且耐热性菌，因此能够在边用空气曝气边搅拌的条件下进行可溶化，从可溶化、除氨这两方面来看都是最佳的。
在该实施方式所涉及的可溶化工序中，除了蛋白酶产生菌之外，还能够将脂肪酶产生菌、葡萄糖苷酶产生菌以及/或者纤维素酶产生菌等产生各种分解酶的菌体单独或者组合起来进行添加。如果它们的生长、繁殖条件相似，则能够在同一反应槽中使用，而在条件不同的情况下，只需设置多个可溶化槽12，并在在不同的条件下使用各个可溶化槽12即可。该情况下，优选为，在用脂肪酶产生菌、葡萄糖苷酶产生菌以及/或者纤维素酶产生菌的可溶化槽中进行了可溶化之后，在利用蛋白酶产生菌的高温可溶化槽中进行可溶化。
在可溶化槽12设置有氨吸附槽32。氨吸附槽32被设置为用于吸附并除去由可溶化槽12中的可溶化处理产生的氨。
在配管22也设置有泵40以及三通电磁阀42，通过它们的动作，在可溶化槽12中被实施了可溶化的处理物经由配管22输送到甲烷发酵槽13。甲烷发酵槽13对所收纳的处理物进行甲烷发酵处理。
在甲烷发酵处理中，通常使用在厌氧性气氛下活动的甲烷菌，并利用其消化作用。甲烷菌的活性温度区域一般是0～70℃，虽然在这以上的高温区域中还存在有直到90℃左右仍幸存的菌种，但几乎全部灭绝。低温区域中，3℃到4℃被设为界限。甲烷气体生成速度受到该活性温度非常大的影响。
发酵槽温度越高，气体生成速度越快，气体产生量越增大。实际上已确认甲烷菌易于生存的温度区域是以下3个区域：(1)20℃以下的低温区域，(2)25℃～35℃的中温区域，(3)45℃以上的高温区域。虽然低温、中温、高温的甲烷发酵中的任意温度均适用于本发明的甲烷发酵温度，但是优选在40℃～70℃下进行高温甲烷发酵，更优选为在50℃～55℃下进行甲烷发酵。
在对被进行了高温可溶化的有机废弃物进行甲烷发酵处理的情况下，通过采用干式(将投入的固体物浓度设为10％以上的干式)的处理方式，能够高效地进行甲烷发酵处理，在本实施方式中，也能够应用干式的处理方式。
在本实施方式中，具有如下优点，即，由于能够在高温好氧性条件下实施可溶化处理，在厌氧性条件下实施甲烷发酵处理，因此在温度方面，能够利用可溶化处理的高温度来提高甲烷发酵的温度，并且，作为菌繁殖条件，可溶化处理(好氧性条件)的菌在甲烷发酵工序(厌氧性条件)中会失活，因此不会妨碍甲烷发酵。
在本实施方式中，上述高温好氧性意味着如下状态，即，将温度设为50℃～100℃，优选不施加压力而在标准状态下(空气气氛下)下使有机废弃物可溶化的状态。
利用泵43将在甲烷发酵槽13中处理完毕的处理物从配管23排出。所排出的处理物能够用作堆肥。
在甲烷发酵槽13中所生成的气体经由配管24输出到脱硫装置14。脱硫装置14对所输入的气体进行脱硫处理，并经由配管25将取出的甲烷气体输出到箱体3的外部。
输出到箱体3的外部的甲烷气体被用于发电。例如，如图2所示，可以将甲烷气体输送到收纳在箱体4的发电设备(发电部)以进行发电。箱体4是20英尺的箱体，在其内部收纳有贮气罐50和燃气发电机51。贮气罐50贮存经由配管25从箱体3输送来的甲烷气体。燃气发电机51用从贮气罐50输送来的甲烷气体使燃气轮机旋转而进行发电。利用燃气发电机51产生的电力被送到封闭配电箱(受电设备)。
并且，例如，如图3所示，也可以采用如下方式，即，具备多个箱体2以及箱体3的处理列，并将从各个处理列的箱体3输出的甲烷气体收集到一个发电设备4’，存储甲烷气体，以进行发电。虽然发电设备4’的结构与图2的箱体4大致相同，但与用于收集大量甲烷气体的箱体4相比，能够增大产生的电力。
在这样的系统中，例如，只需将投入的有机废弃物进行分类并投入到各个处理列即可。例如，如图3所示，可以按照将从农场a输送出的有机废弃物投入到处理列5a，将从食品工厂b输送出的有机废弃物投入到处理列5b，将从牧场c输送出的有机废弃物投入到处理列5c，将从住宅区d输送出的有机废弃物投入到处理列5d的方式，将废弃物的出处固定。这样一来，能够在各个处理列尽可能使所投入的有机废弃物含有的蛋白质、碳水化合物、脂肪、纤维素等高分子有机化合物或由它们而来的化合物的比例固定。
当所投入的有机废弃物中的化合物的比例发生变化时，甲烷发酵槽13中的发酵菌的数目会显著减少，有可能使甲烷气体的生成量下降。因此，通过使有机废弃物中的化合物的比例保持为固定，能够使在甲烷发酵槽13中使甲烷气体发酵的菌的状态保持为甲烷气体容易发酵的状态。其结果为，能够在各个处理列5a～5d中使甲烷气体的产生效率稳定，从而能够稳定地向发电设备4’的发电机提供甲烷气体。
另外，由箱体2、3构成的各个处理列5a～5d可以彼此不接近，也可以不通过配管与发电设备4’连接。可以在远距离位置设置处理列5a～5d，用气体搬运车将各个处理列5a～5d中所产生的甲烷气体搬运到发电设备4’。
并且，根据本实施方式，如图1所示，在可溶化槽12设置有收纳处理物的内容器12a和围绕内容器12a设置的外容器12b。需要实施可溶化处理的处理物被收纳在内容器12a内。在外容器12b与内容器12a之间收纳有热媒介。在本实施方式中，将热水用作热媒介。
并且，在甲烷发酵系统1中设置有通过将处理物从甲烷发酵槽13取出到外部再返回到内部，利用泵63使处理物循环的处理物循环部60。并且，在甲烷发酵系统1中设置有通过将热媒介(水)从可溶化槽12取出到外部再返回到内部，从而使热媒介循环的热媒介循环部61。
处理物循环部60与热媒介循环部61有一部分相接。在该相接的部分设置有热交换器(热交换部)62。热交换部62在循环于热媒介循环部61中的热媒介与循环于处理物循环部60中的处理物之间进行热交换。
在热交换器62设置有作为处理物循环部60的一部分的处理物配管，作为热媒介循环部61的一部分的热媒介配管覆盖处理物配管的周围。各个配管由导热性高的材质，例如，铜形成。在该处理物配管与热媒介配管之间进行热交换。被热媒介加热后的处理物返回到甲烷发酵槽13，在发酵效率高的温度下进一步进行甲烷发酵。通过这样的热交换器62，使得在甲烷发酵槽13中发酵的处理物的温度保持均匀，从而利用发酵菌的发酵效率维持为不会下降。
如上述详细说明的那样，根据本实施方式，可溶化槽12、甲烷发酵槽13之类的用于从有机废弃物生成甲烷气体的设备被收纳在箱体2、3。因此，能够将用于生成甲烷气体的设备搬送到各个地方，因此移动简单，能够增大设备场所的自由度。
并且，在本实施方式中，通过由可溶化槽12中的可溶化处理所产生的热量来使收纳于甲烷发酵槽13的处理物的温度保持为固定。这样一来，不需要事先储存用于使甲烷发酵槽13的温度保持为固定的热水的贮水罐，因此能够使整个系统小型化。通过这些设计，使得系统更容易移动。
另外，虽然在本实施方式中，将在可溶化槽12中被加热的温水作为热媒介，使收纳在甲烷发酵槽13的处理物保持在恰当的温度，但除此之外，也可以利用在箱体4、发电设备4’进行发电的燃气发电机51所产生的热量来使收纳在甲烷发酵槽13的处理物保持在恰当的温度。
只要不脱离本发明的广义上的构思和范围，本发明能够有各种实施方式以及变形。并且，上述实施方式是用于说明本发明的实施方式，并不对本发明的范围加以限定。即，本发明的范围并不局限于实施方式，而是由权利要求的保护范围界定的。并且，在权利要求保护的范围内以及与之同等的发明的意义的范围内所施以的各种变形均被视为在本发明的范围内。
本申请基于2016年3月24号提出的日本国专利申请2016-60637号。在本说明书中以参照的方式引入日本国专利申请2016-60637号的说明书、权利要求书、附图的所有内容。
工业上的可利用性
本发明能够用在生物质发电等中的甲烷气体的生成。
符号说明
1－甲烷发酵系统；2、3、4－箱体；4’－发电设备；5a、5b、5c、5d－处理列；10－带破碎机的螺杆泵；11－混合槽；12－可溶化槽；13－甲烷发酵槽；14－脱硫装置；20、21、22、23、24、25、26－配管；30－紫外线照射部；31－培养槽；32－氨吸附槽；33－加热器；40－泵；41、42－三通电磁阀；43－泵；50－贮气罐；51－燃气发电机；60－处理物循环部；61－热媒介循环部；62－热交换器。