JP4830566B2

JP4830566B2 - 生ごみ処理装置

Info

Publication number: JP4830566B2
Application number: JP2006075107A
Authority: JP
Inventors: 和博近藤
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2026-03-17
Also published as: JP2007245085A

Description

本発明は、食料品販売店、飲食店、一般家庭などで発生した生ごみを分解処理する生ごみ処理装置に関する。

好気性バクテリアを利用して生ごみを分解処理する技術は、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された塵芥（生ごみ）処理機は撹拌羽根と換気装置とを有する生ごみ処理槽内に培養基材と好気性バクテリアとを入れ、ここに破砕機を通して破砕した生ごみを投入し、培養基材と生ごみとを撹拌する塵芥処理機において、上記培養基材とバクテリアとに加えて、更に生ごみを分解する酵素を処理材として備えるものである。その他にも、生ごみを処理する装置としては加熱により水分を蒸発させて減容する装置がある。

そして、生ごみなどに対して、嫌気性バクテリアによるメタン発酵を行い、発生したメタンガスを燃料として発電を行う方法がある（特許文献２）。

更に、生ごみや廃プラスチック、古紙を圧縮、乾燥して製造した固形燃料（ＲＤＦ）を用いて発電を行う方法（いわゆるＲＤＦ発電）が開示されている（特許文献３）。
特開平７−１３２２７４号公報特表２００１−５０４０３５号公報特開平１０−２９２９０９号公報特開２００５−３１０６１３号公報

ここで、特許文献１に開示されたような生ごみ処理装置は乾燥、撹拌に動力が必要であり、生ごみの処理に高いランニングコストが必要で有ると共に、電気が得られない状況下においては生ごみの分解が不可能になる。また、生ごみを乾燥不十分な状態で放置すると、予期せぬ発酵が進行して発熱することもある。

そして、特許文献２に開示されたような技術ではメタン発酵時に副産物として金属への腐食性がある硫化水素が発生し、発電を継続的に行うには硫化水素の除去が問題になる。

また、特許文献３に開示されたような技術ではＲＤＦ中の水分含有量が高いと、バクテリアの活動により予期せぬ発熱が進行することがある。また、燃料として利用するのでダイオキシンの発生が問題になる。

本発明は上記実情に鑑み完成されたものであり、生ごみの処理効率が高く且つランニングコストが低い生ごみ処理装置を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する本発明の生ごみ処理装置は、酵素反応にて生ごみを低分子量化して液体の有機物燃料を含有する分解物を得る生ごみ分解手段と、
該有機物燃料と残渣とに該分解物を分離する分離手段と、
分離された該残渣を微生物学的手法又は熱にて処理する残渣処理手段と、
分離された該有機物燃料を酵素反応にて酸化して発電を行い、前記生ごみ分解手段及び前記残渣処理手段に給電する発電手段とを備え、
前記生ごみ分解手段は酵素反応にて前記生ごみから前記有機物燃料としての糖類を生成する糖化酵素反応槽を有し、該糖化酵素反応槽と前記残渣処理手段との間に、熱交換を行う第１熱交換器が設けられることを特徴とする。

つまり、生ごみを分解する生ごみ分解手段と、その分解物を用いて発電を行う発電手段とを組み合わせることで、発電手段で得られた電力を用いて生ごみ分解手段と残渣処理手段を運転するものである。

日本における生ごみ成分は穀物由来の糖類が多く、特にコンビニエンスストアにおいて排出される生ごみは弁当などの残飯に由来する糖類が質量基準で２０％近くあることが知られている。糖類は酸化により高いエネルギーを生み出すことが可能であり、生ごみ中の糖類を発電に好適となるように低分子化した上で発電を行うと共に、残渣については分解・堆肥化するシステムを構成した。

更に前記発電手段は、前記生ごみ分解手段及び／又は前記残渣処理手段に熱交換可能に隣接しているものが望ましい。これらの手段が適正に作動する温度は、いずれも常温以上であり、互いに熱交換可能に配置することで熱が有効利用できる。

前記生ごみ分解手段としては前記生ごみを破砕した後に、アミラーゼ及び／又はセルラーゼにて該破砕物を分解する手段（酵素反応で分解を行う手段）であるものが挙げられる。

また、前記残渣処理手段としては前記発電手段から生成する発電残渣も処理する手段が挙げられる。

そして前記発電手段は、
アノード側集電電極と、該アノード側集電電極に担持された、有機物燃料を酸化し電子を生成する酸化酵素群及び生成した電子を該アノード側集電電極に渡す電子メディエータとをもつ燃料極と、
該燃料極における該有機物燃料の酸化で生成するプロトンを対極側に輸送する電解質層と、
該燃料極から運ばれたプロトンを空気中の酸素により酸化し水を生成する空気極とを有する手段が挙げられる。

そして、前記生ごみ分解手段における酵素反応、及び／又は、前記発電手段における酵素反応は耐熱性酵素を用いて行い、前記残渣処理手段は好熱性細菌により前記残渣を処理する手段であることが望ましい。耐熱性酵素としては好熱性細菌由来のアミラーゼやセルラーゼなどである。また、酸化酵素についても耐熱性酵素を採用することが望ましい。

本発明の生ごみ処理装置は生ごみを分解して生成する有機物燃料を利用して発電を行うので、電気が通じていない地域でも生ごみを迅速に処理することができる。また、大量の生ごみが発生する飲食店、コンビニエンスストア、スーパーなどにおいて生ごみの処理と共に発電まで行うことができるので、生ごみの処理のランニングコストを低減することができる。

本発明の生ごみ処理装置について実施形態に基づき以下詳細に説明する。

構成：本実施形態の生ごみ処理装置は、図１に示すように、生ごみ分解手段１と分離手段２と発電手段３と残渣処理手段４とを有する。本実施形態にて処理できる生ごみとしては特に限定しないが、穀物を多く含むもの（特に糖分、デンプンやセルロースなどを多く含むもの）が望ましい。

生ごみ分解手段１は生ごみを低分子量化して有機物燃料を含有する分解物を得る手段である。有機物燃料としては単糖乃至オリゴ糖、アルコールが例示される。生ごみ中で分解されるものとしては穀物類（デンプンなど）が挙げられる。本手段にて分解されなかった生ごみの成分はそのまま残渣となる。生ごみ分解手段１には、分解反応を速やかに進めるために、生ごみを物理的に破砕する破砕手段をもつことが望ましい。破砕手段としては通常のディスポーザや粉砕器などが採用できる。

有機物燃料を生ごみから得る方法としては酵素反応及び／又は化学反応が挙げられる。酵素反応を採用する場合に用いることができる酵素は生ごみの組成により適正なものが変化する。なお、一般的な生ごみには多糖類としてデンプンが多く含まれることが予測されるので酵素としてはアミラーゼが好適である。また、生ごみ中には多糖類としてはセルロースなどの植物繊維が含有されることが予測できるのでセルラーゼを含有することも望ましい。アミラーゼやセルラーゼなどの酵素は生ごみを投入する毎に投入した生ごみの量に応じた適正量を添加することができるほか、固定化酵素として生ごみ分解手段１中に配置しておくこともできる。

生ごみ（多糖類）を分解するために採用できる化学反応としては酸の存在下での加水分解が挙げられる。含有させる酸としては特に限定されないが、後の発電手段３における反応を阻害しないようなものが望ましい。例えば、（希）硫酸、（希）塩酸などである。

分離手段２は生ごみ分解手段１にて処理された後の分解物を有機物燃料と、その他の残渣とに分離する手段である。具体的に分離を行う手段としては限定しない。通常、分解されて生成する有機物燃料は液体であり、残渣は固体であるので、固−液分離に通常用いられる手段により分解物から有機物燃料が分離できる。例えば、ろ過や遠心分離が採用できる。ここで、後述する発電手段３として酵素反応を応用する方法を採用する場合には、酵素反応を阻害しない限り、分離された有機物燃料の純度はあまり高くなくても良い。

残渣処理手段４は分解物から有機物燃料を分離した後の残渣を分解する手段である。具体的には微生物学的手法にて処理する方法が好ましい方法として挙げられる。すなわち、好気性細菌を添加して撹拌を行うなどの手段にて実現できる。残渣中に含まれるものとしてはタンパク質、脂質などや、食品容器などが挙げられる。微生物学的手法にて分解する場合には、プラスチック製の食品容器などは分解困難なので本手段にて処理した後も残存することになる。残渣処理手段４は、後述の発電手段３から発生する発電残渣も処理する手段であることが望ましい。また、微生物学的手法に代えて熱処理を採用することもできる。残渣に熱を加えることで水分などの揮発成分が蒸発し減容することができる。残渣処理手段４にて処理した後の残分はそのまま堆肥などに応用可能である。

発電手段３は有機物燃料を用いて発電を行う手段である。望ましい発電手段３としては燃料電池を挙げることができる。燃料電池の構成としては、得られる有機物燃料の種類・純度により適正なものが変化する。例えば、高純度の有機物燃料が得られる場合には一般的な燃料電池（リン酸形燃料電池や、高分子電解質形燃料電池）に応用することができる。そして、有機物燃料の純度にかかわらず、酸化酵素を利用した酵素燃料電池を採用することができる。

酵素燃料電池は有機物燃料を酵素にて酸化する際に生成するエネルギーを取り出す電池である。具体的には燃料極と電解質層と空気極とを有する。燃料極はアノード側集電電極と酸化酵素群と電子メディエータとをもつ。酸化酵素群及び電子メディエータはアノード側集電電極に担持されている。

酸化酵素群は有機物燃料を酸化し電子を生成する１種以上の酸化酵素を含む。酸化酵素としては有機物燃料の種類に応じて適正なものが変化するが、有機物燃料としてグルコースが採用される場合（デンプンやセルロースをアミラーゼやセルラーゼにて分解するとグルコースが生成する）にはグルコースデヒドロゲナーゼやグルコースオキシダーゼなどが採用できる。これらの酵素はグルコースから水素を引き抜きグルコン酸を生成する。

電子メディエータは前述の酸化酵素群にて有機物燃料を酸化することで得られた電子をアノード側集電電極に渡す部材である。有機物燃料の酸化により生成する電子はそのまま電子メディエータを介してアノード側集電電極に渡される形態のほか、中間に、有機物燃料の酸化反応に伴って還元体が生成される、ＮＡＤ^＋、ＮＡＤＰ^＋等の補酵素とそれら補酵素を酸化する補酵素酸化酵素などの反応を介して電子メディエータに電子を渡す形態を採用することもできる。具体的な電子メディエータとしては、メディエータの酸化還元電位が目的とする酵素の酸化還元電位に近く、メディエータの酸化体と還元体とが燃料酸化反応溶液中において安定で、酵素から速やかに電子伝達を行う性質をもつものが採用でき、メチレンブルー、２，２’−アジノビス（３−エチルベンゾチアゾリン−６−スルホン酸）、オスミウム錯体、２，６−ジクロロインドフェノール、１−メトキシ−５−メチルフェナジニウムメチル硫酸塩、フェロセン、２−アミノ−３−カルボキシ−１，４−ナフトキノン、ビタミンＫなどを挙げることができる。

これら酸化酵素群及び電子メディエータは適正な方法にてアノード側集電電極に担持することができる。例えば、適正な高分子材料中に分散させることで担持することができる。アノード側集電電極としては多孔質材料から形成されることが望ましく、例えば、カーボンペーパなどを採用することができる。

電解質層は燃料極における有機物燃料の酸化で生成するプロトンを対極側に輸送する部材であり、プロトン伝導性材料から形成されている膜が例示される。プロトン伝導性材料としては特に限定されず、スルホ基などのプロトン伝導性基をもつ高分子電解質材料、例えば、ナフィオン（商標）などのパーフルオロ系炭化水素材料や炭化水素系材料を採用することができる。

空気極は燃料極から運ばれたプロトンを空気中の酸素により酸化し水を生成する部材である。具体的には、白金などの貴金属触媒を担持した微粉末状炭素材料をプロトン伝導性材料中に分散して製膜した部材が例示できる。更には空気を空気極に効率的に導入し且つ集電を確実に行うためにカーボンペーパなどから形成される拡散層を積層することもできる。

この発電手段３は、前述した生ごみ分解手段１、残渣処理手段４に熱交換可能に隣接していることが望ましい。特に生ごみ分解手段１の糖化酵素反応槽と残渣処理手段４との間で熱のやりとりが可能になるような構成を採用することが望ましい。糖化酵素反応槽及び残渣処理手段４においては、リン・窒素を多量に含む溶液や細菌を用いることが望ましく、そのために加温が行いやすい形態にする。また、発電手段３のアノードでは有機物燃料の酵素酸化反応を行うため、異常発酵防止と酵素反応促進のために高い温度にすることが望ましく、残渣処理手段４から発生する熱を熱交換により有効利用することができる。

ここで、上述の手段において酵素反応を採用した場合の酵素について説明する。生ごみ分解手段１及び残渣処理４においては、好熱性細菌を用いることで常温生育細菌による腐敗反応の進行が抑制でき、悪臭の発生抑制やエネルギー効率の向上が実現できる。

特に残渣処理手段４においては７０℃程度の高い温度で生育する好熱性細菌を採用することで水分減少を図ることもできるので望ましい。好熱細菌としては、Thermus thermophilus、Geobacillus stearothemophilus、Clostridium themoalcaliphilum、Clostridium paradoxumが例示できる。発電手段３にて採用する酵素は他の微生物や酵素との関係で好熱性細菌が生育するのに望ましい温度に至適温度を有するものを採用することが望ましい。至適温度としては４５℃以上、７５℃以下が採用でき、５５℃以上、６５℃以下とすることが望ましい。

なお、発電手段３により生成した電力を用いて生ごみ分解手段１及び残渣処理手段４における温度を適正に制御（例えば、温度が低い場合にはヒータなどで加熱を行い、温度が高い場合には冷却水を流すなどの方法にて冷却する）しても良い。また、発電手段３で発生した電力を一時的に貯蔵する二次電池やキャパシタから構成される電力貯蔵手段をもつことが望ましい。電力を一時的に貯蔵することで生ごみ分解手段１、分離手段２、残渣処理手段４などを発電手段３の状態にかかわらず貯蔵した電力で駆動することができる。

作用効果：本実施形態の生ごみ処理装置は以上の構成を有することから以下の作用効果を発揮する。本装置にて生ごみを処理するためには、まず、生ごみ分解手段１中に生ごみを投入する（経路Ａ）。生ごみ分解手段１では、酵素反応若しくは化学反応、又は両者の組み合わせを利用した反応にて生ごみをグルコースやアルコールなどの有機物燃料に分解する。分解生成した有機物燃料を含む分解物は分離手段２に移送される（経路Ｂ）。分離手段２は分解物から有機物燃料を分離して発電手段３に移送する（経路Ｃ）。分解できない部分は残渣となり、分離手段２にて残渣処理手段４に移送される（経路Ｄ）。

発電手段３では有機物燃料を酸化することで発電を行う手段であり、生成する電力にて生ごみ分解手段１、分離手段２、残渣処理手段４を運転・駆動する。そして、残余の電力を取り出すことが可能であり、通常の発電装置として用いることもできる。発電手段３から生成する発電残渣はそのまま廃棄されたり（経路Ｅ１）、残渣処理手段４に移送したりする（経路Ｅ２）。

従って、生ごみの処理により生成する電力を有効利用することができるのでランニングコストを低減することができる。また、発電の量によっては自身の運転制御に要する電力を全てまかなうことも可能になり、電力が供給されていない地域においても生ごみの処理を継続的に行うことができる。

更に、発電手段３、生ごみ分解手段１、分離手段２及び残渣処理手段４のそれぞれにおいて過剰な熱が発生した場合に、これらの手段の間を熱交換可能に配設することで互いに熱のやりとりを行うことができ、熱の有効利用を図ることができる。

残渣処理手段４にて処理された残渣は最終的に肥料などとして用いることができる（経路Ｆ）。

図２は、本実施形態の生ごみ処理装置の更に具体的な形態を示すものである。生ごみ分解手段１は、生ごみを破砕する破砕手段１１と、該破砕手段１１を駆動する破砕駆動手段１２と、破砕手段１１により破砕された生ごみが収容されて、酵素反応により生ごみから有機物燃料としての糖類を生成する糖化酵素反応槽１３とを有する。なお、糖化酵素反応槽１３には、酵素反応を行うための耐熱性酵素（糖化酵素）が収容されている。耐熱性酵素としては、好熱性細菌由来のもの（好熱性細菌由来アミラーゼ、好熱性細菌由来セルラーゼ）を例示することができ、具体的には、Thermus thermophilus、Geobacillus stearothemophilus、Clostridium themoalcaliphilum、Clostridium paradoxum等の好熱性細菌に由来するものが例示できる。

分離手段２は、生ごみ分解手段１により得られる分解物から遠心分離により糖類と残渣とを分離する遠心分離装置である。具体的には、分解物を収容する収容槽２１と該収容槽２１を回転駆動する駆動手段２２とにより構成される。

発電手段３は、燃料極３１と空気極３２とを有する酵素燃料電池であり、燃料極３１には、酸化酵素として４７℃以上、７５℃以下、好ましくは５５℃以上、６５℃以下の温度範囲で活性な耐熱性酵素が担持されている。このような耐熱性酵素は、例えば好熱性菌由来のものが例示できる。更に具体的には、Thermus thermophilus、Geobacillus stearothemophilus、Clostridium themoalcaliphilum、Clostridium paradoxum等の好熱性細菌に由来するものが例示できる。

残渣処理手段４は、残渣を微生物学的に分解するものであり、残渣を分解するため、Thermus thermophilus、Geobacillus stearothemophilus、Clostridium themoalcaliphilum、Clostridium paradoxumなどの好熱性細菌が収容されたバクテリア処理槽４１と、該バクテリア処理槽４１の温度を調整する温度調整手段４２と、該バクテリア処理槽４１内の残渣を撹拌する撹拌手段４３と、を有する。温度調整手段４２により、バクテリア処理槽４１内の温度は４５℃以上、７５℃以下の温度範囲に調整されている。温度調整手段４２は例えば電気ヒータである。

また、発電手段３は、その燃料極３１において残渣処理手段４のバクテリア処理槽４１と第２熱交換器５を介して隣接している。また、残渣処理手段４と生ごみ分解手段１とは、第１熱交換器６を介して熱交換可能に接続されている。更に図２に示すように、発電手段３と、破砕駆動手段１２、駆動手段２２、撹拌手段４３、温度調整手段４２とはそれぞれ電気的に接続されており、発電手段３からの給電によりそれぞれ動作するようになっている。

本実施形態における生ごみ処理装置の一例を示したブロック図である。本実施形態における生ごみ処理装置の一例を示したブロック図である。

符号の説明

１ … 生ごみ分解手段
２ … 分離手段
３ … 発電手段
４ … 残渣処理手段
５ … 第２熱交換器
６ … 第１熱交換器

Claims

酵素反応にて生ごみを低分子量化して液体の有機物燃料を含有する分解物を得る生ごみ分解手段と、
該有機物燃料と残渣とに該分解物を分離する分離手段と、
分離された該残渣を微生物学的手法又は熱にて処理する残渣処理手段と、
分離された該有機物燃料を酵素反応及び／又は化学反応にて酸化して発電を行い、前記生ごみ分解手段及び前記残渣処理手段に給電する発電手段とを備え、
前記生ごみ分解手段は酵素反応にて前記生ごみから前記有機物燃料としての糖類を生成する糖化酵素反応槽を有し、該糖化酵素反応槽と前記残渣処理手段との間に、熱交換を行う第１熱交換器が設けられることを特徴とする生ごみ処理装置。
前記生ごみ分解手段は前記生ごみを破砕した後に、アミラーゼ及び／又はセルラーゼにて該破砕物を分解する手段である請求項１に記載の生ごみ処理装置。
前記残渣処理手段は前記発電手段から生成する発電残渣も処理する請求項１又は２に記載の生ごみ処理装置。
前記発電手段は、
アノード側集電電極と、該アノード側集電電極に担持された、有機物燃料を酸化し電子を生成する酸化酵素群及び生成した電子を該アノード側集電電極に渡す電子メディエータとをもつ燃料極と、
該燃料極における該有機物燃料の酸化で生成するプロトンを対極側に輸送する電解質層と、
該燃料極から運ばれたプロトンを空気中の酸素により酸化し水を生成する空気極とを有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の生ごみ処理装置。
前記残渣処理手段にはバクテリア処理槽を有し、該バクテリア処理槽と前記燃料極との間には熱交換が行える第２熱交換器が設けられている請求項４に記載の生ごみ処理装置。
前記生ごみ分解手段における酵素反応、及び／又は、前記発電手段における酵素反応は耐熱性酵素を用いて行い、
前記残渣処理手段は好熱性細菌により前記残渣を処理する手段である請求項１〜５のいずれか一項に記載の生ごみ処理装置。