バイオマス利活用の技術 柚山　義人

8. バイオマス多段階利用の実証研究

1．実証研究の概要

■地域においてバイオマスを持続的に利活用していくためには，原料としてのバイオマスの生産（発生），収集，変換，貯蔵，再生資源（変換によって得られる物質やエネルギー）の輸送及び利用，廃棄等のプロセスを適切につないだシステムを構築する必要がある。また，収集・変換効率の高い技術の開発，バイオマスから得られる製品としての物質や燃料の多様化や付加価値を高める技術の開発，製品価値の高い順にできるだけ長く繰返し利用し，最終的にはエネルギー利用するといった多段階的な利用技術の開発などにより，全体として効率の高いシステムを開発・実用化していくことが重要となっている。バイオマス・ニッポン総合戦略においても，地域の中で発生（生産）するバイオマスを原料として多種多様な有用物質や燃料を体系的に生産・利用するバイオマス多段階利用システムの構築を技術開発の1つの方向性としている。

話題提供者らは，農林水産省農林水産技術会議事務局の委託事業「農林水産バイオリサイクル研究」の中で，バイオマス多段階利用の「都市近郊農畜産業型」として，千葉県香取市山田地域を対象に，「地域モデル」の構築と，その一部を具現化するためにバイオマス変換プラント群（山田バイオマスプラント）を試作・設置しての実証研究を行った。産学官連携，農工協働のプロジェクトである。具体的には，構想作成，運営体制の整備，諸手続の実施，プラント・設備・装置の設計，試作・設置，運転・性能試験，物質・エネルギー収支の解析，経済性の検討，再生資源の活用試験，環境への影響評価などを行い，多段階利用システムの有効性と課題を明らかにした。要素技術としては，メタン発酵，メタン吸蔵，消化液濃縮，炭化，水蒸気爆砕，堆肥化，コジェネ等を組み合せ，これらにおける中間生成物や駆動エネルギーのやりとりによって，化石資源を極力使わずに原料バイオマスを使い尽くし，有用な物質やエネルギーを製造し利用すること（バイオマスリファイナリー）を基本コンセプトとした。

実際のプラント群の規模は，試験研究のための予算額と協力が得られる範囲を考慮し，対象とした香取市山田地域（旧山田町）全体の最大バイオマス発生ポテンシャルと比較すると約1/100とした。メタン発酵プラントへ牛糞尿や食品残渣などの原料バイオマスを生重量ベースで1日当り約5トン投入する規模である。この量は，約100頭の乳牛の糞尿量に相当する。現時点でのバイオマス多段階利用システムを図1に示す。メタン発酵消化液を常識的なコスト，エネルギー投入で再資源化する技術開発は，本研究における重点事項の1つである。消化液の利活用については，（その10）で紹介する。

図1　バイオマス多段階利用（都市近郊農畜産業型）のモデル


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■メタン発酵プラントへ原料バイオマスを5トン/日投入すると，98％以上に精製されたメタンが65Nm3/日できる設計である。但し，この量は，原料バイオマスの性状により変化する。メタンは炭化とメタン自動車とコジェネレーションの燃料として使用する。なお，プラント群は，問題点を解消するため，あるいは実験条件を変更するため，随時，微改造や増設を行っている。



2．山田町について

■実証研究の対象地域である山田町は，利根川下流域である千葉県北東部に位置し，水田・畑地と林地が広がる人口約11,000人，世帯数約3,000戸，総面積52km2の農村である。農家戸数は1,196戸と全世帯の約40％，農用地は2,413haで総面積の47％を占めている。農業は，米と野菜の複合経営と畜産業が盛んである。山田町の年間バイオマス発生量は約20万ｔで約92％が家畜排せつ物である。その約70％は堆肥として利用されているが，より有効な方法が模索されていた。

山田町には，農事組合法人和郷園をはじめ，地域との関わりを大切にしながら，高いビジネス感覚をもって農林業を発展させようという団体が存在している。町では「町興し」のきっかけにしようと，2001年頃から企画財政課が中心となり，「山田町バイオマス戦略会議」を立ち上げ勉強会を始めた。この中で，山田町における家畜数を調査し，メタン発酵技術を適用した場合の物質・エネルギー収支を試算した。また，農政課では，地域農業のリーダーで構成する「山田町農業シンクタンク」を立ち上げ，バイオマスに関する勉強や炭化装置の見学及び炭の使用試験を行ってきた。町長は関係者の熱意と意識の高さから，バイオマスの利活用を推進すべしと判断し，千葉県や関東農政局に将来の事業化に向けた意思を表明してきた。一方，和郷園では，既設のリサイクルセンターでの経験を活かす新しい技術・設備を導入し，当地に適するバイオマス利活用システムをつくることを指向していた。町では，2003年2月13日に「バイオマスやまだ総合戦略研究会」を開催し，情勢分析や今後の展望を検討した。また，2003年度には，千葉県の「バイオマス立県ちば」に呼応して，バイオマス利活用フロンティア推進事業の採択を受け，町内のバイオマス賦存量や仕向け先を詳しく調査し報告書をまとめた。2004年には，「山田町バイオマス利活用地区計画」を策定した。また，第4次総合計画の基本構想の中に，資源循環型農業の実現を掲げ，畜産農家と野菜生産農家の連携により堆肥や液肥の有効利用を行い，資源循環型農業の構築を図り，消費者に安心で安全な農畜産物の提供を行えるシステム作りを，中長期的な目標とした。この様な情勢にものって実証研究も展開された。




3．個々の装置等の概要

（1）メタン発酵プラント

■牛糞尿や食品加工残渣（野菜汁）などを密閉したタンク（メタン発酵槽）に入れて，酸素を遮断し暖めることにより，微生物の働きでメタン（CH4）を約60％含むバイオガスと消化液を生成する。タンクの加温には，（9）のコジェネ電気ヒーターを用いる。（5）のボイラーからの水蒸気を用いることも考えられる。ここでは，37℃程度の中温発酵としている。滞留時間は27日程度である。バイオガスとともに生成される消化液は肥効成分に富んでいる。本プラントには，原料バイオマスを固液分離するための前処理用脱水機，硫化水素除去のための脱硫塔，余剰ガス燃焼装置，消化液貯留槽を付設している。


（2）メタン燃料化設備

■メタン発酵プラントで生成されるメタン・炭酸ガスの混合ガスを98％以上のメタンに精製し，そのメタンガスを吸着材を充填したガスタンクに高密度に吸着貯蔵する。貯蔵したガスは，（4）の炭化装置（固体燃料化用），（5）の炭化プラント（工業原料化用兼バイオマスボイラー），（8）のコジェネ，天然ガス仕様のバイオマス運搬兼広報用の軽トラック，フォークリフト，構内作業車（メタン自動車）の燃料として使用している。メタン自動車（軽トラック）は1Nm3のメタンで20km程度走行可能である。フォークリフトにはメタンを高濃度に吸着貯蔵できる吸着剤を充填した低圧タイプの効率のよい燃料容器を搭載するという最新技術が使用されている。

本設備は，次の装置で構成している。

1. 吸着分離型メタン濃縮装置
2. 吸着式メタン貯蔵装置
3. メタン充填装置（メタン自動車用）


（3）メタン発酵消化液再資源化設備

■消化液を農業分野で有効活用するための装置。本設備は，次の装置で構成している。

1. 固液分離装置（高分子凝集剤を用いてスクリュープレス式で消化液を固液分離する装置）
2. 濃縮液肥化装置（固液分離液を施設園芸の養液栽培や露地野菜栽培で用いられるように濃縮液肥化する装置）


（4）炭化装置（固体燃料化用）

■地域に点在する半乾燥固体残さ，牛糞などのバイオマス資源を炭化し，固体燃料（炭）を製造する機能を有し，エネルギー回収という役割を担う。炭化温度は，350～600℃である。現在は，（6）の乾燥残渣を原料としている。農作物残渣や（7）の水蒸気爆砕装置で生成される固体残渣等も原料とすることができる。生成物である炭は，（5）でボイラーの燃料として利用する。投入する原料によっては，炭入り堆肥やメタン発酵消化液吸着材としても期待する。


（5）過熱水蒸気式炭化プラント（工業原料化用兼バイオマスボイラー）

■製材残材や間伐材などの木質系バイオマス等を300～400℃程度に昇温した過熱水蒸気を用いて炭化する。この過程でエッセンシャルオイル，酢液，タールなどを製造する。水蒸気製造・供給というボイラーとしての役割も持つ。過熱水蒸気は，常圧で無酸素に近いという特徴を持ち，酸化反応により排出される有害物質等の発生が極めて低減される。本プラントは，（1）で生成されるメタンの一部を燃料として用いることができる。


（6）乾燥設備

■メタン発酵消化液を固液分離した固体残渣を自然乾燥させる。乾燥残渣は，（4）の炭化装置で固体燃料化され，（5）の炭化プラントで用いられる。


（7）水蒸気爆砕装置（物理化学処理）

■木質系バイオマス，稲藁，もみがら，農作物残渣などを高温高圧（最大約280℃，2.3Ｍｐa程度）の水蒸気で化学的処理をし，その後圧力を一気に開放することにより物理的処理をすることにより，細胞膜の破壊等を行う。エッセンシャルオイル，酢酸，糖類，フルフラール類などの工業原料を製造する。昔，路地裏に来たポンポン菓子をつくる機械のイメージである。但し，この操作は密閉系で行われるので，爆発音はしない。



（8）コジェネレーション

■98％以上に精製されたメタンガスを燃料として，電気と熱を生成する。熱は（1）のメタン発酵プラントの加温に用いている。



考えて頂きたいこと

■原油を余すところなく使い尽くすオイル・リファイナリーの技術は大したものです。この機会に，原油から，何がどのくらい製造されているのか調べてみましょう。


次回予告

■次回は，今回で紹介した実証研究の成果と得られた教訓について述べます。


引用文献
1）農林水産バイオリサイクル研究「システム実用化千葉ユニット」編：アグリ・バイオマスタウン構築へのプロローグ，（独）農業・食品産業技術総合研究機構農村工学研究所．（ISBN 978-4-9902838-4-1），2007


＜コラム＞　バイオガスと天然ガス

天然ガスは，今から6千万年～2億3千万年くらい前，海や湖のプランクトンや植物が死んで底にたまり，地下2000～4000mの60～150℃の温度下で，バクテリアの働きにより数十～数百万年もかかって生成されたものです。このため，化石エネルギーと呼ばれています。

一方，バイオガスは，現代の地上の植物が光合成により吸収した二酸化炭素をメタン発酵技術で変換することにより，約30日で生成できます。

科学技術の力で持続可能なバイオマスエネルギーを生産し，限りある化石資源の消費を抑えたいものです。

柚山　義人　H20.5.14
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