Python-Based Process Modelling and Optimisation of Pyrolysis Valorisation of Palm Kernel Shells and Empty Fruit Bunches for Biochar Production: A Circular Economy Assessment

ガーナのパーム油産業の中心部では、毎日膨大な量の廃棄物が生成されています。果実1トンを収穫するごとに、そのプロセスからは、ナッツ由来の硬い殻のような破片と、かつて果実を保持していた大きな繊維質の房という、2種類の異なる残留物が残されます。現在、この材料のほとんどは、野外に放置されて腐敗するか、あるいは燃やされており、この慣習は煙と温室効果ガスを大気中に放出させると同時に、貴重な資源を無駄にしています。科学者たちは、これらの残り物が「熱分解（パイロリシス）」と呼ばれるプロセスを通じて、有用なものへと変貌させられることを古くから知っていました。これは、酸素のない状態でバイオマスを加熱し、バイオ炭として知られる炭素に富んだ固形物、ならびにガスやオイルへと分解する方法です。バイオ炭は多才な物質であり、土壌の健康を改善し、水を浄化し、本来ならば地球を温暖化させるはずの炭素を閉じ込めることができます。しかし、この可能性を信頼できる現実へと変えるには、プロセスをどのように実行すべきかを正確に知る必要があります。温度と加熱時間は極めて重要ですが、高価で時間のかかる実験室での試行錯誤なしに、これら特定のガーナの残留物に対する完璧なバランスを見つけ出すことは困難でした。

ガーナの大学の研究チームは、コンピュータモデリングの力を利用してこのパズルを解くという、異なるアプローチを取りました。物理的な研究所で何千トンもの殻や房を燃やす代わりに、彼らは科学研究に広く用いられるプログラミング言語であるPythonを使用して、詳細なデジタルシミュレーションを構築しました。彼らは、パーム廃棄物のさまざまな構成要素（セルロース、ヘミセルロース、リグニン）が加熱されたときにどのように反応するかを模倣する仮想モデルを作成しました。既存の科学文献からのデータをこのモデルに投入することで、彼らは様々な条件下でどれだけのバイオ炭が生産されるかを予測することができました。予測の堅牢性を確保するため、彼らは数千回のシミュレーションシナリオを実行し、廃棄物の組成や運転条件に小さなランダムな変動を導入しました。これにより、単一の結果だけでなく、実際の農業に見られる不一致を考慮した、起こりうる結果の範囲を見ることができました。そして、高度な数学的手法を用いて、バイオ炭の生産量を最大化しつつ、炭素含有量に関する厳格な品質基準を満たす、単一の最適な条件のセットを探索しました。

シミュレーションの結果、明確かつ一貫した進むべき道が明らかになりました。研究者たちは、最終製品の品質がプロセスを制限する最も重要な要因であることを発見しました。高価値市場やカーボンクレジット制度に適したプレミアムグレードのバイオ炭を生産するには、材料に少なくとも60パーセントの固定炭素が含まれていなければなりません。この要件により、プロセスは摂氏393度付近の特定の温度で作動することになります。温度が低すぎるとバイオ炭の純度が低くなり、高すぎると固形物がガスへと分解され、総生産量が減少してしまいます。モデルは、この最適温度において、パーム核殻は約50分間加熱する必要があり、空の果実の房はそれよりわずかに長い57分間を必要とすることを決定しました。これらの精密な条件下では、プロセスは殻に対して42.2パーセント、房に対して38.5パーセントのバイオ炭出力を得られます。また、分析により、廃棄物に含まれるリグニンの量が最大の不確実性の源であることが強調されました。リグニンは植物の中で最も耐熱性が高い部分であるため、その含有量の変動が最終的な生産量に最も大きな影響を与えるからです。

研究者たちがこれらの知見をガーナの典型的なパーム油工場に適用したところ、経済的および環境的な構図が驚くほど明確になりました。1時間あたり10トンの果実の房を処理する標準的な工場は、年間で5,500トン以上のバイオ炭を生産するのに十分な廃棄物を生成します。これは単なる理論上の数字ではありません。これは、廃棄物管理から資源創造への具体的な転換を意味しています。研究では、野外での燃焼からこの熱分解法に切り替えることで、単一の工場が毎年約31,854トンの二酸化炭素換算量を削減できることが計算されました。このメリットは2つの源泉から得られます。一つはバイオ炭の中に永久に閉じ込められる炭素であり、もう一つは廃棄物を野外で燃やすことを回避することによる排出量削減です。財務面においても、展望は同様に有望です。バイオ炭が控えめな価格で売られ、カーボンクレジットの価格が低いという保守的な市場想定の下でも、この事業は純利益を生み出します。より好ましい市場シナリオでは、年間収益は300万米ドルを超える可能性があります。空の果実の房は殻よりも豊富であり、これが経済的価値の大部分を牽引するため、工場の敷地内における循環型経済の主要なエンジンとなります。

本研究は、この計算フレームワークが、西アフリカにおけるパーム油廃棄物からのバイオ炭生産を商業化するための信頼できるブループリントを提供すると結論付けています。研究者たちは、まず徹底的な物理的実験を行うことなく、収益性が高く環境に優しいプロセスに必要な正確な運転条件を特定することが可能であることを実証しました。唯一の大きな制約は、国際基準が求める高い炭素の質を維持する必要があることであり、それが温度と時間を決定づけています。コンピュータモデルは強力な基礎を提供しますが、著者らは、これらの結果を現地の操業条件下で確認し、技術の完全なライフサイクルを分析するために、ガーナでのパイロット規模のテストを今後の課題として挙げています。現時点では、このシミュレーションは、かつては厄介な廃棄物と見なされていたものが、価値ある資産へと変貌し、重大な環境負荷をクリーンエネルギー、土壌改良、そして経済成長の源へと変えられることを証明しています。