JP2006325577A - アルコール生産システムおよびアルコール生産方法、ならびに糖生産方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 生ごみを有効利用すると共に、酒製造で使用されているSaccharomyces cerevisiaeに属する酵母を用いても殺菌、ｐＨ調整および酵母への栄養源の添加等が不要であり、かつ、効率良くアルコールを生成することができるシステムを提供する。
【解決手段】 アルコール生産部１０および廃液処理・利用部２０を備えている。アルコール生産部１０は、糖化部１１、濃縮部１２、第１発酵部１３、蒸留部１４および脱水部１５を有し、バイオマス原料（生ごみ）Ｗ１からアルコール（燃料用アルコール）Ｌ１を生成する。糖化部１１では、生ごみＷ１中に生息する微生物により乳酸Ａ１が生成して糖化液Ｌ２のｐＨが低くなる。濃縮部１２では、濃縮糖化液Ｌ３の全糖濃度が１００ｇ／ｌ以上３００ｇ／ｌ以下の範囲に濃縮されると共に濃縮糖化液Ｌ３のｐＨが乳酸Ａ１の濃縮により４．０近辺になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば生ごみなどの廃棄物から燃料用アルコールを得ることが可能なアルコール生産システムおよびアルコール生産方法に係り、特にアルコール発酵にお酒製造で使用するSaccharomyces cerevisiaeに属する酵母を用いる場合に有効なアルコール生産システムおよびアルコール生産方法、ならびに糖生産方法に関する。

近年、地球環境問題の観点からバイオマスの利用が注目されている。特に、次世代自動車燃料として期待されているエタノール等のアルコールをバイオマスから製造する技術についての研究開発が盛んに行われている。このアルコール生産は、バイオマス原料を、加水分解などの糖化工程により糖類に分解した後、酵母（微生物）を用いたアルコール発酵によりエタノールに変換することにより行われる。

一般的なバイオマス原料としては、サトウキビなどの糖質を含むものあるいはトウモロコシなどのデンプン質を含むものが多く用いられている。その他にも、バガスや稲わらのような草木系原料、木材チップ等の木質系原料、バイオマス等のセルロース系原料も原料として用いられている。しかし、これらの糖質やデンプン質原料は本来食用資源であり、これらの食用資源を長期的、安定的に工業用利用資源として用いることは、今後生じる人口増加問題と拮抗するため好ましくない。

そこで最近では、産業廃棄物等を用いたバイオマスが研究されており、例えば、セルロース系資源として利用可能な廃建材等からアルコールを生成する方法等が提案されている。

しかし、廃建材の中でも合板等の加工木材を用いる場合には、木材チップ等の未加工木材を用いた場合と比較して、発酵工程でのアルコールや有機酸の収率が低下するという問題があった。その原因は、加工木材には酢酸あるいはギ酸等が含まれている接着剤等が使用されており、これらが糖溶液中に含まれていると微生物による発酵を阻害する発酵阻害物質として作用するからである。この発酵阻害物質を除去する方法としては、イオン交換分離を採用することができるが、コストが高くなるなどの点で問題となる。そこで、糖溶液から発酵阻害物質糖を蒸発させて除去する前処理工程等を設けることにより、発酵収率を向上させる方法（第１の方法）などが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、アルコール発酵としては、醸造食品関連分野で古くから行われている方法が利用されており、例えば、Saccharomyces cerevisiaeを用いた方法等が最も一般に用いられている。しかし、アルコール生産性を重視する工業用や燃料用エタノールを生産する時は、一般にｐＨ５付近で用いられている。このため、培養液や発酵装置の殺菌や温度制御は避けることができない。

そこで、酵母についても、耐酸性および耐塩性を有する酵母の開発がなされている。このような耐酸性の酵母を用いる方法（第２の方法）により、例えば、バイオマス原料を硫酸等の酸で加水分解（糖化）したｐＨ３以下の糖溶液を用いた場合においてもアルコール発酵が可能となる。更に、上記酵母は耐酸性および耐塩性の他、耐糖性および耐アルコール性を複合的に有しているため、培地や発酵装置の殺菌などが不要になる（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−１８７６５０号公報 特開２００４−３４４０８４号公報

上述のように従来、２つの方法が提案されているが、それぞれ以下のような問題があった。すなわち、第１の方法では、上述のように培養液や発酵装置の殺菌や温度制御が不可避であることに加え、酢酸などの除去工程が発酵工程前に必要となることからプロセス的な負荷が大きくなる等の問題がある。一方、第２の方法では、耐酸性等を有する新たな酵母のスクリーニングが必要であり、また、アルコール発酵工程等において酵母に栄養源の添加が必要となることから経済的およびプロセス的な負荷が大きくなるなどの問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、産業廃棄物などの生ごみをバイオマス原料として有効利用すると共に、アルコール発酵に汎用のSaccharomyces cerevisiaeを用いても殺菌、温度制御およびｐＨ調整等が不要であり、効率良くアルコールを生成することのできるアルコール生産システムおよびアルコール生産方法を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、上記のようなアルコールを生成するために有用な糖を効率良く回収できる糖生産方法を提供することにある。

本発明のアルコール生産システムは、生ごみを糖化して糖化液を生成すると共に、生ごみ中に生息する微生物により主として乳酸を生成させて糖化液の水素イオン指数（ｐＨ）を低くする糖化部と、糖化部において生成された糖化液を用いてアルコール発酵させる第１発酵部と、を備えたものである。なお、本明細書において「生ごみ」とは、家庭、ホテル、コンビニエンスストア等から廃棄される加熱前後の食物（残飯等）を含むごみをいい、その成分として、中性成分（糖質）、脂溶性成分（脂質等）あるいはイオン性成分（タンパク質、アミノ酸、有機酸、無機塩類等）等を含むものである。なお、生ごみには紙、木片等の「燃えるごみ」として通常廃棄されるものが混在していてもよい。

また、本発明のアルコール生産方法は、生ごみを糖化して糖化液を生成すると共に、生ごみ中に生息する微生物により主として乳酸を生成させて糖化液の水素イオン指数（ｐＨ）を低くする糖化工程と、糖化工程において生成された糖化液を用いてアルコール発酵させる第１発酵工程と、を含むものである。

本発明のアルコール生産システム、アルコール生産方法では、上記のような各部（工程）を有していることにより、以下のようにしてアルコールが生成される。

まず、糖化部（工程）では、生ごみ中に生息する微生物が生ごみを糖化して糖化液を生成する共に、乳酸や酢酸が生成され、糖化液の水素イオン指数（ｐＨ）が低くなる。これにより、雑菌の増殖が抑制され、糖化液の殺菌が不要となる。また、糖化部として回転ブレードを用いると、糖化液と糖化残渣を分離することが可能である。糖化反応が終了後、メッシュろ過した後、ろ液を圧搾ろ過もしくは遠心分離により糖化清澄液を得る。具体的な糖化方法としては、生ごみと水と酵素とを混合したのち、３０℃以上、好ましくは５０℃以上の温度で糖化する。その際、水の量を生ごみの湿潤重量に対して１／４以上、更には１／２以上とすることが好ましく、また、酵素の量を湿潤の生ごみ１ｋｇに対して１００ｍｇ以上、更には３００ｍｇ以上とすることが好ましい。

次に、濃縮部（工程）において、糖化液に対して常圧濃縮または減圧濃縮が行われるようにしてもよい。このとき濃縮糖化液の全糖濃度が１００ｇ／ｌ以上３００ｇ／ｌ以下（糖化液の濃縮割合を１．５倍以上５倍以下）になるまで糖化液を濃縮することにより、アルコール発酵に必要な栄養源が濃縮されると共に糖化液中の単糖類の濃度が高くなり、アルコール発酵で生成されるアルコール濃度が高くなる。これにより、濃縮糖化液中のアルコールの濃度は５０ｇ／ｌ以上１５０ｇ／ｌ以下となる。また、乳酸の濃度が濃縮前の２倍以上、より具体的には１００００ｍｇ／ｌ以上、更には３００００ｍｇ／ｌ以上になるまで減圧濃縮することによって糖化液のｐＨがさらに低下し、これによっても雑菌の増殖が抑制される。また、濃縮部においては、乳酸の濃度を高くすることにより使用する酵母が好適に増殖することができるｐＨ値となり、糖化液の特別なｐＨ調整が不要となる。

上記のように濃縮過程において雑菌の増殖が抑制されるため、第１発酵部では、濃縮糖化液として、殺菌したものまたは殺菌していないものいずれも利用可能となり、また、ｐＨ調整したものまたはｐＨ調整していないものいずれも利用可能となる。

第１発酵部でのアルコール発酵としては、回分発酵方式、繰り返し回分発酵方式または連続発酵方式を利用することができる。また、酵母としては、ｐＨ２．５以上ｐＨ５．５以下の範囲で増殖・発酵するSaccharomyces cerevisiaeに属する非凝集酵母および凝集性酵母のうちの少なくとも一方を利用することができる。より具体的には、流加発酵方式も含めた回分発酵方式が、繰り返し回分発酵としては、ガス発生量に基づいて自動化して行う装置を用いる方式あるいは１日に１回の回分発酵を繰り返す方式がそれぞれ利用可能である。また、連続発酵方式を利用し、酵母として凝集性酵母を用いる場合には、発酵装置として機械攪拌およびガス循環などの機能を有すると共に後段に沈降分離部を設けた発酵槽、上部もしくは後段に沈降分離部を有する塔型リアクタ、または流動部にドラフトチューブを有する塔型リアクタを利用することができる。また、連続発酵方式を適用すると共にアルコール発酵ｐＨ４．５以下、アルコールの濃度は５０ｇ／ｌ以上１５０ｇ／ｌ以下、アルコール発酵温度を２５℃以上および希釈率Ｄを０．０５ｈ^-1以上としてアルコール発酵を行うことが好ましい。

上記濃縮部および上記第１発酵部において好適な条件とすることにより、アルコール発酵中に雑菌が増殖するのを完全に防ぐことが可能となる。

ここで、本システムおよび本生産方法では、第１発酵部に加えて、廃液処理・利用部として第２発酵部を備え、上記の蒸留部から排出された蒸留廃液をメタン発酵槽中で発酵させることによりバイオガスを生成するような構成とすることが好ましい。

このような構成とすることにより、バイオガスを回収したのち、濃縮部あるいは蒸留部のエネルギー源として利用することができる。その際、バイオガスの発生量の５％以上１０％以下の空気をメタン発酵槽中に導入してバイオガスと混合することにより、その混合ガス中の硫化水素の濃度を低減することが好ましく、更には、混合ガスを水槽とメタン発酵槽との間で循環させて硫化水素を空気酸化して硫黄にすることにより、混合ガス中の硫化水素の濃度を１０ｐｐｍ以下にすることが好ましい。

加えて、メタン発酵槽の後段に循環式生物学的脱窒槽を、その循環式生物学的脱窒槽の後段に硝化槽をそれぞれ設けることが好ましい。このような構成とすることにより、メタン発酵により生成するアンモニウムイオンを硝化槽で硝酸イオンに酸化したのち、この硝酸イオンを含む液の一部を脱窒槽に循環させることにより、メタン発酵後に残存する有機物と硝酸イオンとが同時に除去される。

また、本発明の糖生産方法は、生ごみに１０％以下の乳酸菌培養液を添加したのち嫌気状態に保持し、雑菌が実質的に増殖しない程度の処理ごみを生成する生ごみ処理工程を備えたものである。

本発明の糖生産方法では、具体的には、以下のようにして糖が生成される。

まず、生ごみ処理工程では、生ごみに１０％以下、好ましくは１％以下の乳酸菌培養液が添加されたのち嫌気状態で保持されるので、生ごみが乳酸発酵し、その鮮度が保持される。これにより、後の糖化工程において糖化液の回収率が向上し、糖化液中での酢酸等のアルコール発酵を阻害する有機酸（阻害有機酸）の生成等が抑制される。このようにして生ごみ処理部で処理された生ごみは処理ごみとなる。ここで、嫌気状態とは、生ごみが外気とほとんど触れないように密閉した状態のことを意味する。なお、上記生ごみ処理工程において、乳酸菌培養液が添加された生ごみを破砕することによりミンチ状の生ごみとしてもよい。

次に、糖化工程では、処理ごみと水と酵素とを混合したのち、例えば３０℃以上、好ましくは５０℃以上の温度で糖化すると共に、処理ごみ中に生息する微生物が処理ごみを糖化するのが好ましい。この際、回転ブレードを用いると、糖化液と糖化残渣を分離することが可能である。また、水の量は、処理ごみの湿潤重量に対して１／４以上、更には１／２以上とすることが好ましく、酵素の添加量は、湿潤の処理ごみ１ｋｇに対して５０ｍｇ以上、更には１００ｍｇ以上とすることが好ましい。ここで、酵素には、耐酸性グルコアミラーゼもしくは耐酸性および耐熱性を有するグルコアミラーゼを用いるようにしてもよく、このような酵素の添加後、さらにセルラーゼ酵素を用いるようにしてもよい。これにより、酵素の添加量を減らすことができ、糖をより効率良く回収することが可能となる。上記のような過程において、主に乳酸が生成され、糖化液の水素イオン指数（ｐＨ）が低くなるため、雑菌の増殖が抑制され、糖化液の殺菌が不要となる。そして、糖化反応終了後、メッシュろ過し、そのろ液を圧搾ろ過もしくは遠心分離により糖化清澄液を得る。

次に、濃縮工程において、糖化液に対して常圧濃縮または減圧濃縮を行うことが好ましい。このとき濃縮糖化液の全糖濃度が１００ｇ／ｌ以上３００ｇ／ｌ以下（糖化液の濃縮割合を１．５倍以上５倍以下）になるまで糖化液を濃縮することにより、アルコール発酵に必要な栄養源が濃縮されると共に糖化液中の単糖類の濃度が高くなり、アルコール発酵で生成されるアルコール濃度が高くなる。これにより、濃縮糖化液中のアルコールの濃度は５０ｇ／ｌ以上１５０ｇ／ｌ以下となる。また、乳酸の濃度が濃縮前の２倍以上、より具体的には１００００ｍｇ／ｌ以上、更には３００００ｍｇ／ｌ以上になるまで減圧濃縮することによって糖化液のｐＨがさらに低下し、これによっても雑菌の増殖が抑制される。また、濃縮工程においては、乳酸の濃度を高くすることにより使用する酵母が好適に増殖することができるｐＨ値となり、糖化液の特別なｐＨ調整が不要となる。

上記のように濃縮過程において雑菌の増殖が抑制されるため、アルコール発酵の際に、濃縮糖化液として、殺菌したものまたは殺菌していないものいずれも利用可能となり、また、ｐＨ調整したものまたはｐＨ調整していないものいずれも利用可能となる。

本発明のアルコール生産システムまたはアルコール生産方法によれば、糖化部（糖化工程）において、生ごみ中に生息する微生物により乳酸等を生成させて糖化液のｐＨを低くするようにしたので、殺菌，ｐＨ調整および酵母への栄養源の添加が不要になると共に、アルコールの生成濃度を高くするという効果を奏する。そして、これらの効果は、濃縮部（濃縮工程）において濃縮糖化液の全糖濃度を１００ｇ／ｌ以上３００ｇ／ｌ以下の範囲にし、さらに乳酸を濃縮することによりｐＨの値が自然に適性値になることによって、より顕著になる。

本発明の糖生産方法によれば、生ごみに１０％以下、好ましくは１％以下の乳酸菌培養液を添加したのち嫌気状態で保持するようにしたので、生ごみの鮮度を保持することができるため、糖化液の回収率が向上し、糖（グルコース）を効率良く生成することができる。さらに、糖化液でのアルコール発酵を阻害する酢酸等の生成が抑制されるため、その後のアルコール生成を効率良く行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本実施の形態に係るアルコール生産システム１の構成例を表すものである。なお、本発明のアルコール生産方法については、アルコール生産システム１の作用に具現化されるものであるので合せて説明し、重複する内容についてはその説明を省略する。

本実施の形態のアルコール生産システム１は、アルコール生産部１０および廃液処理・利用部２０を備えている。アルコール生産部１０は、糖化部１１、濃縮部１２、第１発酵部１３、蒸留部１４および脱水部１５を有し、バイオマス原料（生ごみ．廃棄物）Ｗ１からアルコール（燃料用や工業用アルコール）Ｌ１を生成するものである。バイオマス原料Ｗ１は、例えば、産業廃棄物として排出される生ごみなどであり、従ってこのアルコール生産システム１は、ごみ処理問題についての一解決手段ともなっている。

廃液処理・利用部２０は、蒸留部１４に続く第２発酵部２１と、第２発酵部２１に続くコージェネレーション部２２および循環式生物学的脱窒・硝化２３と、循環式生物学的脱窒・硝化２３に続く脱色部２４とを備えている。なお、コージェネレーション部２２において得られる蒸気は、濃縮部１２および蒸留部１４において利用することができるようになっている。

糖化部１１は、生ごみＷ１と酵素を反応させ生ゴミに含まれるデンプン質や一部のセルロース等を糖化し糖化液Ｌ２を生成する工程である。糖化期間中に生ごみＷ１中に生息する微生物により主として乳酸発酵が起こり、生成する乳酸Ａ１が主成分となる有機酸Ａが含まれており、これにより、糖化液Ｌ２の水素イオン指数（ｐＨ）が、例えばｐＨ２．５以上５．５以下に保たれる。糖化部１１に用いる装置としては、生ゴミと酵素との接触がよい反応槽であればよく、例えば回転ドラムや回転ブレード等が好ましい。特に、回転ブレードは、糖化終了後、糖化液を回収したのち、糖化残渣を粗粉砕しつつ回収することができるので好ましい。具体的な糖化方法としては、生ごみと水と酵素とを混合したのち、３０℃以上、好ましくは５０℃以上の温度で糖化する。その際、水の量を生ごみの湿潤重量に対して１／４以上、更には１／２以上とすることが好ましく、また、酵素の量を湿潤の生ごみ１ｋｇに対して１００ｍｇ以上、更には３００ｍｇ以上とすることが好ましい。

濃縮部１２は、糖化液Ｌ２をメッシュ濾過、そして圧搾濾過して得られた糖化清澄液を濃縮して濃縮糖化液Ｌ３を生成するものである。この濃縮糖化液Ｌ３の全糖濃度は１００ｇ／ｌ以上３００ｇ／ｌ以下（糖化液の濃縮割合は１．５倍以上５倍以下）であることが好ましい。この理由は、アルコール発酵に必要な栄養源が濃縮されると共に糖化液Ｌ２中の単糖類の濃度が高められることにより第１発酵部（アルコール発酵部）１３で生産されるアルコールＬ１の濃度を高めることができるからである。なお、濃縮糖化液中のアルコールの濃度は５０ｇ／ｌ以上１５０ｇ／ｌ以下である。濃縮方法としては常圧濃縮または減圧濃縮が用いられる。

また、濃縮部１２は、糖化により生成した乳酸Ａ１の濃度が濃縮前の２倍以上、より具体的には１００００ｍｇ／ｌ以上、更には３００００ｍｇ／ｌ以上になるまで糖化液Ｌ２を濃縮してｐＨを低下させる機能も有しており、そのため雑菌の増殖が抑制されるようになっている。すなわち濃縮糖化液Ｌ３（糖化液Ｌ２）の殺菌が不要となる。ここで、乳酸Ａ１の濃度が濃縮前の２倍以上になるまで糖化液Ｌ２が濃縮されることにより濃縮糖化液Ｌ３のｐＨが、例えば２．５以上５．５以下の範囲に自然となる。このｐH 領域で第１発酵部１３で使用する酵母は増殖するので、濃縮糖化液Ｌ３のｐＨを特別に調整する必要はない。

第１発酵部１３は、濃縮糖化液Ｌ３をアルコール発酵させて醪Ｌ４を生成するものである。アルコール発酵に用いる酵母としては、ｐＨが２．５以上５．５以下で増殖する非凝集酵母および凝集性酵母のうちの少なくとも一方が利用可能である。具体的には、非凝集酵母としては、Saccharomyces cereviciae EP1株など、凝集性酵母としてはSaccharomyces cereviciae KF-7 株、などがそれぞれ挙げられる。また、アルコール発酵の方式として
は、回分発酵、繰り返し回分発酵または連続発酵が利用可能である。回分発酵としては流加発酵方式でもよく、繰り返し回分発酵としてはガス発生量に基づいて自動化して行う装置を用いる方式あるいは１日に１回の回分発酵を繰り返す方式が好ましく、連続発酵方式としてはケモスタット方式が好ましい。

第１発酵部１３に用いる発酵装置としては、機械攪拌およびガス循環などの機能を有すると共に後段に沈降分離部を設けた発酵槽、上部もしくは後段に沈降分離部を設けた塔型リアクタ、または流動部にドラフトチューブを有する塔型リアクタなどが利用可能である。特に、アルコール発酵として連続発酵方式を用いると共に酵母として凝集性酵母を用いる場合には、上記発酵槽を用いることが好ましい。また、連続発酵方式を適用すると共にアルコール発酵温度を２５℃以上、好ましくは３０℃以上とし、希釈率Ｄを０．０５ｈ^-1以上、好ましくは０．２ｈ^-1以上、より好ましくは０．３ｈ^-1以上にしてアルコール発酵を行うことが好ましい。ここで希釈率Ｄ(h^-1) とは数１に示したように、濃縮糖化液供給速度Ｆ(m³/h)を発酵槽の実容積Ｖ(m³)で除した値である。
（数１）
Ｄ＝Ｆ／Ｖ

なお、上述したように、濃縮糖化液Ｌ３は乳酸濃度やｐH により雑菌の増殖を抑制するものであり、殺菌処理あるいはｐＨ調整を特に必要としないが、残存する雑菌を更に低減した状態あるいは好適なｐＨの状態で濃縮糖化液Ｌ３をアルコール発酵させる場合には、殺菌処理あるいはｐＨ調整を施してもよい。

ここで、上記濃縮部（濃縮糖化液のｐＨ４前後および乳酸濃度）および上記第１発酵部において好適な条件（発酵ｐＨ４前後で、Ｄを０．２h ^-1以上）とすることにより、アルコール発酵中に雑菌が増殖するのを完全に防ぐことが可能となる。

蒸留部１４は、醪Ｌ４を蒸留し、粗アルコールＬ５と蒸留廃液Ｌ６とに分離するものである。

脱水部１５は、粗アルコールＬ５を脱水して無水アルコールＬ１を生成するものである。この無水アルコールＬ１は、ガソリンに添加して使用される。わが国ではガソリンに対して３％添加することがすでに認められている。将来は添加割合がブラジルやアメリカのように増えていくものと期待される。

第２発酵部２１は、蒸留廃液Ｌ６をメタン発酵槽２１Ａ中でメタン発酵することによりバイオガスＧ１を生成するものである。このバイオガスＧ１は、例えば、エネルギー源などとして有用なメタン（ＣＨ４）と、無用な炭酸ガスや硫化水素を含んでいる。硫化水
素はガスエンジンやボイラーを腐食させるので、一般には乾式脱硫や湿式脱硫、さらには生物脱硫が行われているが、二次汚染や処理コストの問題がある。そこで、第２発酵部２１では、バイオガスＧ１の発生量の５％以上１０％以下の空気をメタン発酵槽中に導入してバイオガスＧ１と混合することにより、バイオガスＧ１および空気を含む混合ガスＧ２中の硫化水素の濃度を、例えば、１０ｐｐｍ以下まで低減させることが好ましい。それでも硫化水素の濃度が高い場合には、図２に示したように、メタン発酵槽２１Ａに加えて後段に水槽２１Ｂを設けて、メタン発酵槽２１Ａと水槽２１Ｂとの間で混合ガスＧ２を循環させることにより、混合ガスＧ２中の硫化水素の濃度を低減すればよい。このように簡単に脱硫されたバイオガスG1は、濃縮部１２あるいは蒸留部１４のエネルギー源として利用可能となる。

コージェネレーション部２２は、バイオガスＧ１（混合ガスＧ２）をエネルギー源として利用することにより、蒸気Ｇ３およびプラント電力Ｅ１にエネルギー変換するものである。この蒸気Ｇ３が濃縮部１２および蒸留部１４の熱源となる。すなわち、バイオガスＧ１を濃縮部１２あるいは蒸留部１４のエネルギー源として利用することができるようになっている。

また、第２発酵部２１においては、タンパク質が加水分解されアミノ酸となり脱アミノされてアンモニウムイオンが生成される。またメタン発酵されなかった有機酸を含む有機物が残存する。そこで、メタン発酵槽２１Ａおよび水槽２１Ｂの後段に、脱窒槽２３Ａを、更に脱窒槽２３Ａの後段に硝化槽２３Ｂ（循環式生物学的脱窒・硝化部２３）を設けることが好ましい。これにより、アンモニウムイオンが硝化槽２３Ｂで硝酸イオンに酸化されたのち、この硝酸イオンを含む液の一部を脱窒槽２３Ａに循環し処理することにより、有機酸を含む有機物と硝酸イオンとを同時に除去することができる。このように高度処理された処理水は、そのままあるいは脱色された後、河川放流するか、糖化部１１に加える水として再使用することも可能である。なお、メタン発酵槽２１Ａから排出される処理液は、上述のように処理することなく液肥Ｌ７として有効利用することも可能である。

脱色部２４は、高度処理した処理水を脱色して処理水Ｌ８にして河川放流するものである。なお、この処理水Ｌ８は糖化部１１で生ゴミに添加する水の代替として再使用することもできる。

次に、このような構成のアルコール生産システム１の作用について説明する。

まず、アルコール生産部１０の糖化部１１において、生ごみＷ１が例えば回転ブレードにより粉砕されつつ酵素により糖化されることによって糖化液Ｌ２が生成される。このとき生ゴミに生息する微生物により主として乳酸が生成され、糖化液Ｌ２の水素イオン指数（ｐＨ）が低くなる。

このｐＨの低下した糖化液Ｌ２は、糖化残渣と分離されたのちに濃縮部１２で例えば減圧濃縮によりにより濃縮される。このとき濃縮糖化液Ｌ３の全糖濃度が１００ｇ／ｌ以上３００ｇ／ｌ以下になるまで糖化液Ｌ２を濃縮し、更に濃縮糖化液Ｌ３のｐＨを低下させるために乳酸の濃度も濃縮前の２倍以上となるようにする。

濃縮部１２で生じた濃縮糖化液Ｌ３は、第１発酵部１３において、例えばSaccharomyces に属する凝集性酵母によりアルコール発酵される。なお、酵母としては、ｐＨ２．５以上ｐＨ５．５以下の範囲で増殖するものであれば、その他の凝集性酵母でもよく、また非凝集酵母でもよい。また、発酵方式としては、回分発酵方式、繰り返し回分発酵方式または連続発酵方式が用いられる。ここで生じた醪Ｌ４が蒸留部１４で蒸留されることにより、粗アルコールＬ５と蒸留廃液Ｌ６とに分離される。そして、その粗アルコールＬ５が脱水部１５において脱水されることによりアルコールＬ１となる。

一方、アルコール生産部１０において発生した蒸留廃液Ｌ６は廃液処理・利用部２０へ送られて以下のように処理あるいは利用される。

すなわち、この蒸留廃液Ｌ６は第２発酵部２１に送られ、そのメタン発酵槽２１Ａ中でメタン発酵することによりバイオガスＧ１となる。このバイオガスＧ１は、エネルギー源として有用なメタン（ＣＨ４）と共に無用な炭酸ガスと硫化水素を含んでいる。硫化水
素は人体に悪影響を与えるだけでなくボイラーや発電機を腐食させる。そこで、第２発酵部２１では、バイオガスＧ１の発生量の５％以上１０％以下の空気がメタン発酵槽２１Ａ中に導入され、これがバイオガスＧ１と混合されることによって、その混合ガスＧ２中の硫化水素の濃度が１０ｐｐｍ以下まで低減させる。なお、それでも硫化水素の濃度が高い場合には、メタン発酵槽２１Ａと水槽２１Ｂとの間で混合ガスＧ２を循環させることにより、混合ガスＧ２中の硫化水素の濃度が低減される。

また、このとき第２発酵部２１では、タンパク質が加水分解されアミノ酸になり、脱アミノされてアンモニウムイオンを生成する。またメタン発酵されなかった有機酸を含む有機物が残存するが、アンモニウムイオンが循環式生物学的硝化槽２３Ｂにおいて硝酸イオンに酸化され、この硝酸イオンを含む液の一部を脱窒槽２３Ａに循環することにより、有機物Ａと硝酸イオンとが同時に除去される。

硫化水素が除去されたバイオガスＧ１（混合ガスＧ２）はコージェネレーション部２２に送られて蒸気Ｇ３およびプラント電力Ｅ１にエネルギー変換される。このうち蒸気Ｇ３はアルコール生産部１０の濃縮部１２あるいは蒸留部１４の熱源として利用される。また、メタン発酵処理水は液肥として有効利用されるだけでなく、第２発酵部により高度処理→脱色された後、あるいは高度処理後河川に放流される。高度処理水あるいは高度処理→脱色された処理水は生ゴミの加水として再利用される。もしくは循環式生物学的脱窒・硝化部２３の脱窒槽２３Ａで曝気し、さらに硝化槽２３Ｂで曝気することによりBOD 成分を酸化分解し、アンモニウムイオンは硝酸イオンに酸化されるので、この処理水を硝酸イオンを含む液肥として利用できる。なお、硝化槽２３Ｂには浸漬平膜等を入れてもよい。

以上のアルコール生産システム１では、上記の処理を行うことによりアルコールＬ１を生成するものであるが、以下の特有の効果を奏するものである。

このアルコール生産システム１では、まず、糖化部１１において、生ごみＷに酵素を添加し糖化するが、このとき生ゴミに生息する微生物により主として乳酸が生成され、ｐH が酸性側にシフトすることにより、雑菌の増殖が抑制される。

次に、濃縮部１２において、糖化液Ｌ２が濃縮されることにより、濃縮糖化液Ｌ３が生成すると共に濃縮糖化液Ｌ３の全糖濃度が１００ｇ／ｌ以上３００ｇ／ｌ以下の範囲となるようにしたので、糖化液Ｌ３中の単糖類の濃度が高くなり、第１発酵部で生成アルコールＬ１濃度は高くなる。また、乳酸Ａ１の濃度も濃縮前の２倍以上になるまで濃縮するようにしているので糖化液Ｌ２のｐＨが低下する。従って、この濃縮過程においても雑菌の増殖が抑制されるだけでなく、第1 発酵部でｐＨ、乳酸濃度およびアルコール濃度により雑菌の増殖をほぼ完全に抑制できる。加えて、この濃縮部１１においては、乳酸Ａ１の濃度を高くすることにより、糖化液Ｌ２のｐＨを一定の範囲に調整するようにしているので、例えば、醸造用として一般に用いられているSaccharomyces cerevisiaeを好適に増殖させることができる。

このように本実施の形態のアルコール生産システム（方法）によれば、糖化部１１において、生ごみＷ中に生息する微生物により乳酸が生成して糖化液Ｌ２のｐＨが低くなり、更に、濃縮部１２において、濃縮糖化液Ｌ３の全糖濃度が１００ｇ／ｌ以上３００ｇ／ｌ以下の範囲に濃縮されると共に濃縮糖化液Ｌ３のｐＨが乳酸の濃縮によりｐＨ約４になるので、殺菌やｐＨ調整および酵母への栄養源の添加などが不要となる。さらに、第１発酵部で生成されるアルコール濃度が高くなり、かつ連続発酵においてＤ（濃縮糖化液の供給量を上げる。）を上げることにより雑菌が増殖する前に洗い出 (wash out) させることができるので、濃縮糖化液を殺菌することなく供給することができ、長期連続発酵が可能となる。

また、廃液処理・利用部２０として第２発酵部２１を備え、蒸留部１４から排出された蒸留廃液Ｌ６をメタン発酵槽２１Ａ中でメタン発酵させることによりバイオガスＧ１を生成するようにしたので、バイオガスＧ１をアルコール生産部１０における濃縮部１２あるいは蒸留部１４のエネルギー源として利用することが可能になる。その際、バイオガスＧ１の発生量の５％以上１０％以下の空気をメタン発酵槽２１Ａ中に導入してバイオガスＧ１と混合させることにより、その混合ガスＧ２中の硫化水素の濃度を低くすることができ、更には、混合ガスＧ２を水槽２１Ｂとメタン発酵槽２１Ａとの間で循環させて硫化水素を空気酸化して硫黄にすることにより、混合ガスＧ２中の硫化水素の濃度を１０ｐｐｍ以下より低くすることが可能になる。

また、メタン発酵槽２１Ａおよび水槽２１Ｂの後段に循環式生物学的脱窒槽２３Ａを、循環式生物学的脱窒槽２３Ａの後段に硝化槽２３Ｂを設けるようにしたので、メタン発酵後に残存する有機物と硝酸イオンとを同時に除去することができる。

以上、アルコール生産システム（方法）について説明したが、次に、図５を参照して、このようなシステム（方法）に有用な糖生産方法（第２の実施の形態）について説明する。

〔第２の実施形態〕
この糖生産方法は、生ごみ処理工程３１、糖化工程３２および濃縮工程３３を含み、バイオマス原料（生ごみＷ１）から濃縮糖化液Ｌ３として糖を生成するものである。

生ごみ処理工程３１では、生ごみＷ１に１０％以下好ましくは１％以下の乳酸菌培養液Ｌ０を添加したのち嫌気状態で保持し、処理ごみＷ２を生成する。具体的には、図６（Ａ）に示したように、例えば、容器４１に充填された生ごみＷ１に乳酸菌培養液Ｌ０を添加したのち、この生ごみＷ１の上に水が入ったビニール袋４２を載置して密閉することにより嫌気状態とする。この嫌気状態を保持することによって処理ごみＷ２となる。この際、図６（Ｂ）に示したように、生ごみ（Ｗ１２，Ｗ１３）を注ぎ足して処理することも可能であり、さらには、生ごみに乳酸菌培養液Ｌ０を添加した後、破砕することによりミンチ状にして処理するようにしても良い。また、添加する乳酸菌培養液Ｌ０の量は、生ごみＷ１の湿潤重量に対して１％以下の量でも十分である。

糖化工程３２では、処理ごみＷ２と酵素Ｆとを反応させ処理ごみＷ２に含まれるデンプン質や一部のセルロース等を糖化し糖化液Ｌ２を生成する。具体的には、処理ごみＷ２と水と酵素Ｆとを混合したのち、３０℃以上、好ましくは５０℃以上の温度で糖化する。この際、水の量は処理ごみＷ２の湿潤重量に対して１／４以上、更には１／２以上とすることが好ましい。

また、酵素Ｆには、ｐＨ３程度でも働く耐酸性を有する酵素、例えば耐酸性グルコアミラーゼを使用してもよい。あるいは、耐酸性と耐熱性を有するグルコアミラーゼを用いてもよい。また、このような酵素の添加後、さらにセルラーゼ酵素を添加するようにしてもよい。これにより、糖をより効率良く回収することが可能となる。酵素Ｆの量については、湿潤の処理ごみＷ２１ｋｇに対して５０ｍｇ以上、更には１００ｍｇ以上とすることが好ましい。

以上のような糖化工程３２に用いる装置としては、処理ごみＷ２と酵素Ｆとの接触がよい反応槽であればよく、例えば回転ドラムや回転ブレード等が好ましい。特に、回転ブレードは、糖化終了後、糖化液Ｌ２を回収したのち、糖化残渣Ｓを粗粉砕しつつ回収することができるので好ましい。

濃縮工程３３では、糖化液Ｌ２をメッシュ濾過、そして圧搾濾過して得られた糖化清澄液を濃縮して濃縮糖化液Ｌ３を生成する。この濃縮糖化液Ｌ３の全糖濃度は１００ｇ／ｌ以上３００ｇ／ｌ以下（糖化液の濃縮割合は１．５倍以上５倍以下）であることが好ましい。この理由は、濃縮糖化液Ｌ３をアルコール製造に用いる場合に、アルコール発酵に必要な栄養源が濃縮されると共に、糖化液Ｌ２中の単糖類の濃度が高められることにより濃度の高いアルコールを生成することができるからである。なお、濃縮糖化液Ｌ３中のアルコール濃度は５０ｇ／ｌ以上１５０ｇ／ｌ以下である。濃縮方法としては常圧濃縮または減圧濃縮が用いられる。

また、濃縮工程３３は、糖化により生成した乳酸Ａ１の濃度が濃縮前の２倍以上、より具体的には１００００ｍｇ／ｌ以上、更には３００００ｍｇ／ｌ以上になるまで糖化液Ｌ２を濃縮してｐＨを低下させる機能も有しており、そのため雑菌の増殖が抑制されるようになっている。すなわち濃縮糖化液Ｌ３（糖化液Ｌ２）の殺菌が不要となる。ここで、乳酸Ａ１の濃度が濃縮前の２倍以上になるまで糖化液Ｌ２が濃縮されることにより濃縮糖化液Ｌ３のｐＨが、例えば２．５以上５．５以下の範囲に自然と調整される。なお、このｐＨ領域でアルコール発酵で使用する酵母は増殖するので、濃縮糖化液Ｌ３に対してのｐＨの調整や殺菌処理を特に必要としないが、残存する雑菌を更に低減した状態あるいは好適なｐＨの状態で濃縮糖化液Ｌ３をアルコール発酵させる場合には、殺菌処理あるいはｐＨ調整を施してもよい。濃縮工程３３の好適な条件として、例えば、発酵ｐＨ４前後で、希釈率Ｄを０．２ｈ^-1以上とすることにより、アルコール発酵中に雑菌が増殖するのを完全に防ぐことが可能となる。

次に、この糖生産方法の作用・効果について説明する。

まず、生ごみ処理工程３１において、生ごみＷ１に１０％以下好ましくは１％以下の乳酸菌培養液Ｌ０を添加したのち嫌気状態で保持することにより、生ごみＷ１が乳酸発酵して、ｐＨが低下するため、生ごみＷ１の鮮度が保持される。従って、糖化液Ｌ２の回収率の低下や、糖化液Ｌ２中での酢酸等のアルコール発酵を阻害する有機酸の生成が抑制される。このように生ごみＷ１が処理されることにより処理ごみＷ２が得られる。

続いて、糖化工程３２において、処理ごみＷ２が例えば回転ブレードにより粉砕されつつ酵素Ｆにより糖化されることによって糖化液Ｌ２が生成される。また同時に、処理ごみＷ２中に生息する微生物によっても、主として乳酸発酵が起こり処理ごみＷ２が糖化される。その結果、乳酸Ａ１を主成分とする有機酸Ａが生成され、糖化液Ｌ２の水素イオン指数（ｐＨ）が、ｐＨ３〜４程度の酸性に保たれる。これによって、雑菌の増殖が抑制され、糖化液の殺菌が不要となる。

このｐＨの低下した糖化液Ｌ２は、糖化残渣Ｓと分離され、更に上述の濾過により糖化清澄液Ｌ３に精製されたのち、濃縮工程３３で濃縮糖化液Ｌ３として糖が回収される。

このように本実施の形態の糖生産方法によれば、生ごみ処理工程３１において、生ごみＷ１に１０％以下好ましくは１％以下の乳酸菌培養液Ｌ０を添加したのち嫌気状態で保持するようにしたので、生ごみＷ１の鮮度が保持される。従って、糖化液Ｌ２の回収率の低下や、糖化液Ｌ２中での酢酸等のアルコール発酵を阻害する有機酸の生成を抑制することができるため糖を効率良く生成することが可能となる。このように生成された糖（グルコース）は、アルコールのみならず、グルコース電池などの燃料電池の原料としても利用され得る。

以下、第１の実施の形態についての具体的な実施例について説明する。
（実施例１−１，１−２）
実施例１−１，１−２では、ホテルから排出された生ごみＷ１を用いて回分発酵試験を行った。

まず、厨芥や食べ残し等の食品ごみ（生ごみ）２０ｋｇと、水（水道水）１０ｌと、グルコアミラーゼとしてナガセケムテックス（株）のグルコチーム１２ｇとを糖化槽に投入し、５０℃の温度下で６時間攪拌した。そののち、メッシュろ過を行うことにより大きな固形分を除去し、更にフィルタープレスで微細な固形分を除去することにより約２０ｋｇの糖化液（糖化清澄液）Ｌ２を得た。ここで、湿潤重量とは食品ごみ中に混在する液状のごみも含めた重量（質量）を意味する。また、グルコチームには食品添加剤が半分含まれているので、実質的な酵素の投入量は６ｇである。

得られた糖化液Ｌ２の初期状態を分析した。その結果、初発グルコース濃度８２ｇ／ｌ、ｐＨ４．１０、全窒素濃度４．６５ｇ／ｌ、ＮＨ₄ ⁺ 性窒素濃度：４．３５ｇ／ｌ、ＮＯ₃ ^- 性窒素濃度：０．１ｇ／ｌ）であった。また、有機酸については乳酸濃度１５７００ｍｇ／ｌ、酢酸１５００ｍｇ／ｌであったことから乳酸発酵がかなり進んでいることが分かった。なお、一般の発酵では全糖濃度に対して硫安を１％添加する場合が多いが、本実施例では上記のように糖化液Ｌ２の全窒素濃度が初発グルコース濃度に対して５．７％と高かったことから硫安の添加は行わなかった。

（培地調製）
続いて、実施例１−１では、初期状態の糖化液Ｌ２を９０ｍｌ採取して空滅菌した３００ｍｌの三角フラスコに投入し、実施例１−２では、初期状態の糖化液Ｌ２に栄養源である酵母エキス（YE；Yeast Extract ）を１０ｇ／ｌとなるように添加したものを９０ｍｌ採取して空滅菌した３００ｍｌの三角フラスコに投入した。更に、予め調製しておいた前培養液１０ｍｌをそれぞれの三角フラスコに投入することにより、実施例１−１の無添加培地および実施例１−２のＹＥ添加培地を調製した。すなわち、実施例１−１，１−２では、糖化液に対して濃縮、ｐＨ調整および滅菌処理を行わずに各培地を調製した。前培養液の植菌量は一般には容積比で５〜１０％であるが、ここでは上述したように殺菌処理していない糖化液に１０％になるように前培養液を植菌した。これ以降の無殺菌の実施例についても同様である。前培養液については、５％ＹＰＤ培地（グルコース５ｇ／ｌ，酵母エキス（ＹＥ）１ｇ／ｌ, ポリペプトン１ｇ／ｌ）にスラント（斜面培地；酵母を寒天培地に保存しておく方法）で保存しておいた凝集性酵母を１白金耳植菌したのち、３０℃、１６０ｒｐｍで１６時間振とう培養して調製した。

（回分発酵試験）
実施例１−１, １−２の各培地が入った三角フラスコを３０℃の恒温水槽に浸漬し、４００ｒｐｍの条件下で回分発酵試験を行い、回分発酵試験開始から２４時間後および４８時間後におけるアルコール（エタノール）濃度の測定を行った。

表１は発酵２４時間後と４８時間後の実施例１−１，１−２の生成エタノール濃度を示している。この結果から、発酵開始から２４時間後では、実施例１−１（無添加培地）のエタノール濃度は実施例１−２（ＹＥ添加培地）のものに比べて約１０ｇ／ｌ低かった。しかし、発酵開始から４８時間後では、各実施例においてエタノール濃度の差は殆ど見られなかった。また、発酵開始から４８時間後における発酵収率はＹＥ添加培地では約９５％であった。本結果から、酵母エキスを添加することにより発酵速度が向上することが分かった。ここで、発酵収率（Ｗ）とは、式１の反応式を全アルコールの生成反応と仮定して、数２に示したように、エタノールの理論収量（Ｘ）に対する実際の収量（Ｙ）の割合を意味する。アルコールの理論収量（Ｘ）は、数３に示したように、その反応（質量）比（グルコース：アルコール＝１８０：９２）と濃縮糖化液Ｌ３中のグルコース量（Ｚ）とにより求まる。
（式１）
Ｃ６Ｈ１２Ｏ６→２Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋２ＣＯ２
（数２）
（発酵収率Ｗ）＝（実際の収量Ｙ）／（理論収量Ｘ）×１００
（数３）
（理論収量Ｘ）＝｛（濃縮糖化液Ｌ３中のグルコース量Ｚ）×９２｝／１８０

（実施例２−１〜２−４）
実施例２−１〜２−４では、コンビニエンスストアから排出された生ごみＷ１から糖化液Ｌ２を作製したのち、更にこの糖化液Ｌ２を濃縮した濃縮糖化液Ｌ３を用いて無添加培地およびＹＥ添加培地を調製すると共に、それぞれの培地に対して殺菌処理を行ったものと殺菌処理を行わなかったものについて回分発酵試験を行った。

まず、賞味期限切れ弁当等の比較的腐敗の少ない食品ごみ（生ごみ）と水（水道水）とを重量比が食品ごみ：水＝２：１（生ごみの湿潤重量１２．８ｋｇ，水道水約６kg）となるように糖化槽に投入し、更に、実施例１−１，１−２と同一のグルコアミラーゼ７．７ｇを投入して、５０℃の温度下で６時間攪拌した。そののち、メッシュろ過を行うことにより大きな固形分を除去し、更にフィルタープレスで微細な固形分を除去することにより約１２．５ｋｇの糖化液（糖化清澄液）Ｌ２を得た。なお、グルコチームには食品添加剤が半分含まれているので、実質的な酵素の投入量は３．８５ｇである。

続いて、得られた糖化液Ｌ２を５ｋｇだけ１０ｌのナスフラスコに入れ、エヴァポレーター（EYELA ROTARY VACUUM EVAPORATORN-11）を用いて１０ｍｍＨｇの減圧下、６０℃もしくは８０℃でグルコース濃度が約１７％になるまで減圧濃縮することにより濃縮糖化液Ｌ３を得た。なお、濃縮糖化液Ｌ３の初期状態は、グルコース濃度１７４ｇ／ｌ、乳酸濃度９９００ｍｇ／ｌ、酢酸濃度６４０ｍｇ／ｌであった。

続いて、実施例２−１，２−２では無殺菌の濃縮糖化液Ｌ３、すなわちそのままの濃縮糖化液Ｌ３を９０ｍｌ採取して空滅菌した３００ｍｌの三角フラスコに投入したのち、実施例２−１については実施例１−１と同様にして無添加培地を作製し、実施例２−２については実施例１−２と同様にしてＹＥ添加培地を作製した。また、実施例２−３，２−４では濃縮糖化液Ｌ３を９０ｍｌ採取して３００ｍｌの三角フラスコに投入したのち、滅菌器で１２０℃、１５分間殺菌した。実施例２−３については実施例１−１と同様にして無添加培地を作製し、実施例２−４については実施例１−２と同様にしてＹＥ添加培地を作製した。すなわち、実施例２−１〜２−４では、ｐＨ調整を行わずに各培地を調製した。

実施例２−１〜２−４についても実施例１−１，１−２と同様にして回分発酵試験を行い、エタノール濃度の測定を行った。

表２は実施例２−１〜２−４の発酵２４時間後と４８時間後の生成エタノール濃度を示している。この結果から、試験開始から２４時間後では、滅菌の有無に関わらず、いずれの実施例も濃縮により発酵速度が向上することが分かった。また、試験開始から４８時間後では、無殺菌の実施例２−１，２−２の方が殺菌処理を行った実施例２−２，２−３よりも若干エタノール濃度は高く、特に、実施例２−１の発酵収率は約９７％と高いものであった。なお、発酵収率の計算方法は実施例１−１，１−２と同様である。

また、濃縮糖化液Ｌ３を用いた実施例２−１から２−４は、糖化液Ｌ２を用いた実施例１−１（無添加培地）よりも発酵試験４８時間後の発酵収率が５〜７％高く、糖化液を濃縮することにより発酵収率を向上させることができることも分かった。

以上により、濃縮糖化液の殺菌、ＹＥなどの栄養源の添加、およびｐＨ調整の有無に関わらず、高効率でエタノールを生成させることができることが分かった。

（実施例３−１，３−２）
実施例３−１，３−２では、実施例１−１，１−２と同様にして、ホテルから排出された生ごみＷ１から糖化液Ｌ２を別途作製したのち、実施例２−１，２−２と同様に糖化液Ｌ２を濃縮して乳酸濃度の高い濃縮糖化液Ｌ３（無殺菌）を用いて無添加培地およびＹＥ添加培地を調製して回分発酵試験を行うことにより、乳酸濃度の影響を調べた。濃縮糖化液Ｌ３の初期状態については、グルコース濃度１５２．５ｇ／ｌ、乳酸濃度３１１００ｍｇ／ｌ、酢酸濃度１２００ｍｇ／ｌ、ｐＨ４．３であった。

表３は実施例３−１，３−２の発酵２４時間後と４８時間後の生成エタノール濃度を示している。この結果から、試験開始から２４時間後および４８時間後においてＹＥ添加の有無に関わらず、いずれの実施例も同等のエタノール濃度が得られた。ここで、実施例２−１，２−２と比較すると、試験開始から２４時間後および４８時間後においてエタノール濃度が若干低く、実施例３−１，３−２の４８時間後の発酵収率も９０％と実施例２−１の９７％と比較すると若干低かったが、９０％強の高い発酵収率を得ることができた。よって、乳酸濃度は１００００ｍｇ／ｌ以上であることが好ましく、３００００ｍｇ／ｌ以上でも遜色はなくエタノール発酵が可能であることが分かった。なお、本実施例の発酵収率の計算方法についても実施例１−１，１−２と同様である。

（実施例４）
実施例４では、ホテルから排出された生ごみＷ１から糖化液Ｌ２を別途作製したのち濃縮して得られた濃縮糖化液Ｌ３を用いて連続発酵試験を行った。

糖化液Ｌ２については実施例１−１，１−２と同様にして作製し、実施例２−１，２−２と同様にして糖化液Ｌ２を濃縮することにより濃縮糖化液Ｌ３を得た。濃縮糖化液Ｌ３の初期状態については、グルコース濃度１５３ｇ／ｌ、乳酸濃度３４９００ｍｇ／ｌ、酢酸濃度１４００ｍｇ／ｌ、ｐＨ４．０であった。なお、作製した濃縮糖化液Ｌ３は無殺菌であるので、連続発酵試験を開始するまで冷蔵庫に貯蔵した。

続いて、前培養液０．４５ｌを連続発酵槽に投入したのち、濃縮糖化液（無殺菌・無添加培地）をチューブ式ポンプを用いて塔型リアクタの底部から供給することにより連続発酵試験を開始した。前培養液は実施例１−１で用いたものと同様にして調製したものを用いた。

連続発酵槽としては、実容量０．４５ｌで上部に固気液三相分離部を備えたアクリル製の塔型リアクタを用いた。上部にはｐＨ電極を挿入してｐＨを制御できるようにした。流動部には外部ジャケットを設けて恒温水を流すことにより、発酵温度を所定の温度に維持できるようにした。底部にはボールフィルターを設置して塔型リアクタ内にボールフィルターを通して除菌された空気を微量通気できるようにした。また、上部および底部に分岐管を付け、上部から底部へと発酵中の濃縮糖化液（槽内液）を循環できるようにした。

（連続発酵試験）
試験開始から試験開始３日目までは、試験開始前の濃縮糖化液Ｌ３のｐＨが４．０であったので槽内液のｐＨを４．３になるように制御し、発酵温度３０℃、空気の通気量０．０２５ｖｖｍの条件で、希釈率Ｄが０．１ｈ^-1になるように供給した。試験開始３日目から試験開始２０日目までは、Ｄ＝０．２ｈ^-1、Ｄ＝０．３ｈ^-1となるように希釈率Ｄを段階的に上げていった。更に、試験開始２５日目から試験開始４０日目までは、槽内液のｐＨを制御することなくＤ＝０．３ｈ^-1の条件で連続発酵試験を継続して行った。

図３は、実施例４の連続発酵試験において段階的に希釈率を上げていったときの生成エタノール濃度の経日変化を示している。図４は、図３で各希釈率Ｄにおいて安定したデータを用いて希釈率Ｄに対するエタノールの生産性および希釈率Ｄに対する発酵収率を示した。これらの結果から、試験開始３日目でエタノール濃度が７０ｇ／ｌに達した。試験開始３日目から試験終了日（４０日目）までは、上述のように希釈率Ｄを段階的に上げてもエタノール濃度は７０ｇ／ｌ〜７２ｇ／ｌであり、ほとんど変化が見られなかったことから安定した連続発酵が可能であることが分かった。更に、試験開始２５日目から試験開始４０日目までは、発酵槽内のｐＨを制御をすることなくＤ＝０．３ｈ^-1の条件下で試験を継続したが、槽内液のｐＨは約４．０に低下したものの、エタノール濃度には変化なく、生産性２１ｇ／ｌ／ｈ〜２２ｇ／ｌ／ｈ、発酵収率９０％〜９２％を達成することができた。ここで、生産性は生成エタノール濃度Ｐと希釈率Ｄの積により求められるものである（生産性＝Ｐ×Ｄ）。なお、本実施例の発酵収率の計算方法についても実施例１−１，１−２と同様である。

次に、第２の実施の形態についての具体的な実施例および比較例について説明する。生ごみＷ１としては、湿潤重量１ｋｇ（水分を約８０％含む）あたり全糖として１１８ｇの糖を含有するものを用いた。なお、全糖の定量は、生ごみ１ｋｇに対して、水０．５ｋｇを加えよく混合したものからサンプルとして１０ｍｌ採取し、これに９０ｍｌの蒸留水と２５％塩酸溶液１０ｍｌを加え、沸騰水溶液中で加水分解した後、この加水分解液のｐＨを中和したものを用いて、ソモギー・ネルソン法により行った。
（実施例５−１〜５−５）
実施例５−１〜５−５では、容器４１に生ごみＷ１を投入したのち乳酸菌培養液Ｌ０を散布して３日間保持した処理ごみＷ２を用い、これに酵素Ｆを添加して５０℃の反応温度下で糖化を行った。酵素Ｆとしては、実施例５−１ではグルコチーム２００００、実施例５−２では長瀬酵素剤Ｎ−４０、実施例５−３ではスミチーム、実施例５−４ではスミチームＡＬ、実施例５−５ではスミチーム焼酎を用いた。更に、各実施例の他の糖化条件については表４に示した条件に調整した。

上記条件下で、反応時間１時間後と６時間後の有機酸（乳酸および酢酸）濃度およびｐＨを測定したところ、各反応時間に対する乳酸濃度が６２００ｍｇ／ｌと６２５０ｍｇ／ｌ、酢酸濃度が１３００ｍｇ／ｌと１３１０ｍｇ／ｌ、ｐＨは３．８と、測定値がほぼ一定であった。この結果より、雑菌がほとんど繁殖せず生ごみの鮮度が一定に保持されていることがわかった。

図７ないし図１１には、各実施例における糖化を行った時間（反応時間（ｈ））に対するグルコース濃度（ｇ／ｌ）の関係を示し、さらに表５には、糖化液のグルコース濃度および糖回収率についてまとめた。これらの結果から、実施例５−２（長瀬酵素剤Ｎ−４０）において最も高いグルコース濃度および糖回収率が得られ、長瀬酵素剤Ｎ−４０が他の酵素に比べて特に優れた耐酸性を有することがわかった。なお、グルコース濃度の定量は、Ｆ−キット・グルコース（ベーリンガー・マンハイム株式会社、輸入販売元Ｊ．Ｋ．インター
ナショナル）試薬を用いて行った。また、糖回収率は、式２により求めた（以下の実施例も同様）。
（式２）
（糖回収率）＝（酵素反応により生成したグルコース濃度／ 生ごみと水混合物中の全糖濃度）×１００

（実施例６−１〜６−４）
実施例６−１〜６−４では、容器４１に生ごみＷ１を投入したのち乳酸菌培養液Ｌ０を散布して３日間保持した処理ごみＷ２を用い、これに酵素Ｆを添加して６０℃の反応温度下で糖化を行った。酵素Ｆとしては、実施例６−１では長瀬酵素剤Ｎ−４０を２１２ｍｇ、実施例６−２では長瀬酵素剤Ｎ−４０を１７０ｍｇ、実施例６−３では長瀬酵素剤Ｎ−４０を１２７ｍｇ、実施例６−４ではグルコチーム２００００を６００ｍｇ（食品添加物５０％含有）用いた。更に、各実施例の他の糖化条件については表６に示した条件に調整した。

図１２ないし図１５には、各実施例における反応時間（ｈ）に対するグルコース濃度（ｇ／ｌ）の関係を示し、さらに表７には、各実施例の糖化液のグルコース濃度と糖回収率についてまとめた。この結果、実施例６−１において最も高いグルコース濃度が得られ、糖回収率は８５．５％にも達し、反応温度を５０℃とした実施例５−２よりも９％近く向上した。また、実施例６−２、実施例６−３において、長瀬酵素剤Ｎ−４０の添加量を削減した場合についても、８１．９％、８１．７％と高い糖回収率が得られた。一方、実施例６−４のグルコチーム２００００については、糖回収率が２４．４％となり、反応温度を５０℃とした実施例５−１よりも著しく低下した。このことから、長瀬酵素剤Ｎ−４０は、耐酸性に加え耐熱性にも優れた酵素であることがわかった。

実施例５−１〜５−５および実施例６−１〜６−４の結果から、糖化工程で用いる酵素には、耐酸性あるいは耐酸性および耐熱性を有する酵素を使用することが有効であることがわかった。

（比較例１，２）
実施例５−１〜５−５に対する比較例１，２では、容器に生ごみＷ１を投入し、乳酸菌培養液Ｌ０を散布しないで室温（２５℃〜３３℃）で３日間放置した処理ごみＷ３を用いて糖化を行った。この処理ごみＷ３の表面にはカビが繁殖し、生ごみ特有の腐敗臭がしていた。

次に、処理ごみＷ３に酵素を添加して５０℃の反応温度下で糖化を行った。酵素としては、比較例１ではグルコチーム２００００、比較例２では長瀬酵素剤Ｎ−４０を用いた。

上記条件下で、反応時間１時間後と６時間後の有機酸（乳酸および酢酸）濃度およびｐＨを測定したところ、乳酸濃度が７９５０ｍｇ／ｌと８５２０ｍｇ／ｌ、酢酸濃度が１４４０ｍｇ／ｌと１９１０ｍｇ／ｌ、ｐＨの値も３．６程度とやや酸性側にシフトしていた。すなわち、有機酸濃度が実施例５−１〜５−５よりも高い値を示し、また時間経過と共に増加する傾向にあった。これは、主に生ごみにおける雑菌汚染によるものと考えられるため、この結果からも、乳酸菌培養液を用いなかった場合には、雑菌の繁殖により腐敗が進んでいることがわかった。

図１６および図１７には、各比較例における糖化を行った時間（反応時間（ｈ））に対するグルコース濃度（ｇ／ｌ）の関係を示し、さらに表８には、糖化液のグルコース濃度と糖回収率についてまとめた。これらの結果から、比較例２（長瀬酵素剤Ｎ−４０）の方が比較例１（グルコチーム２００００）よりも高い糖回収率が得られるものの、乳酸菌培養液Ｌ０を用いた実施例５−１、５−２よりも糖回収率が低くなることが分かった。

実施例５−１〜５−５および比較例１，２の結果から、乳酸菌培養液を散布して生ごみの鮮度を保持することによって、生ごみからの糖回収率が向上することがわかった。

本発明の第１の実施の形態に係るアルコール生産システムの構成を表すブロック 図である。 第２発酵部とそれに続く循環式生物学的脱窒・硝化部の構成を表すブロック図である。 実施例４の希釈率を段階的に変化させた時の生成エタノール濃度の経日変化を表す特性図である。 実施例４の希釈率に対するエタノールの生産性および希釈率に対する発酵収率を表す特性図である。 本発明の第２の実施の形態に係る糖生産方法の構成を表すブロック図である。 生ごみ処理工程を説明するための図である。 実施例５−１の反応時間に対するグルコース濃度の関係を表す特性図である。 実施例５−２の反応時間に対するグルコース濃度の関係を表す特性図である。 実施例５−３の反応時間に対するグルコース濃度の関係を表す特性図である。 実施例５−４の反応時間に対するグルコース濃度の関係を表す特性図である。 実施例５−５の反応時間に対するグルコース濃度の関係を表す特性図である。 実施例６−１の反応時間に対するグルコース濃度の関係を表す特性図である。 実施例６−２の反応時間に対するグルコース濃度の関係を表す特性図である。 実施例６−３の反応時間に対するグルコース濃度の関係を表す特性図である。 実施例６−４の反応時間に対するグルコース濃度の関係を表す特性図である。 比較例１の反応時間に対するグルコース濃度の関係を表す特性図である。 比較例２の反応時間に対するグルコース濃度の関係を表す特性図である。

符号の説明

１…アルコール生産システム、２…アルコール生産方法、１０…アルコール生産部、１１…糖化部、１２…濃縮部、１３…第１発酵部、１４…蒸留部、１５…脱水部、２０…廃液処理・利用部、２１…第２発酵部、２１Ａ…メタン発酵槽、２１Ｂ…水槽、２２…コージェネレーション、２３…循環式生物学的脱窒・硝化部、２３Ａ…脱窒槽、２３Ｂ…硝化槽、２４…脱色部、３１…生ごみ処理工程、３２…糖化工程、３３…濃縮工程、４１…容器、４２…ビニール袋、Ａ…有機酸、Ａ１…乳酸、Ｅ１…プラント電力、Ｇ１…バイオガス、Ｇ２…混合ガス、Ｇ３…蒸気、Ｌ０…乳酸菌培養液、Ｌ１…燃料用アルコール、Ｌ２…糖化液、Ｌ３…濃縮糖化液、Ｌ４…醪、Ｌ５…粗アルコール、Ｌ６…蒸留廃液、Ｌ７…液肥、Ｌ８…処理水、Ｓ…糖化残渣、Ｗ１…生ごみ、Ｗ２、Ｗ３…処理ごみ

Claims (25)

1. 生ごみを糖化して糖化液を生成すると共に、前記生ごみ中に生息する微生物により主 として乳酸を生成させて前記糖化液の水素イオン指数（ｐＨ）を低くする糖化部と、
   前記糖化部において生成された糖化液を用いてアルコール発酵させる第１発酵部と
   を備えたことを特徴とするアルコール生産システム。
2. 前記糖化部において生成された糖化液を濃縮する濃縮部を有し、前記第１発酵部では前記濃縮部において生成された濃縮糖化液をアルコール発酵させる
   ことを特徴とする請求項１記載のアルコール生産システム。
3. 前記糖化部において生成された糖化液を濃縮する濃縮部と、
   前記濃縮部において生成された濃縮糖化液をアルコール発酵させる第１発酵部と、
   前記第１発酵部により生成された醪を蒸留し、粗アルコールと蒸留廃液とに分離する蒸留部と、
   前記粗アルコールを脱水してアルコールを生成する脱水部と
   を備えたことを特徴とする請求項２記載のアルコール生産システム。
4. 前記糖化部において、前記生ごみと、前記生ごみの湿潤重量に対して１／４以上の重量の水と、前記湿潤重量１ｋｇに対して１００ｍｇ以上の酵素とを混合したのち、３０℃以上の温度で糖化する
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のアルコール生産システム。
5. 前記糖化部において、前記生ごみを回転ブレードまたは回転ドラムの中で糖化し、生じた糖化残渣を前記糖化液から分離する
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のアルコール生産システム。
6. 前記回転ブレードにより得られた糖化液を回収したのち、前記糖化残渣を粗粉砕しつつ回収する
   ことを特徴とする請求項５記載のアルコール生産システム。
7. 前記濃縮部において、前記糖化液を常圧濃縮または減圧濃縮し、前記濃縮糖化液の全糖濃度を１００ｇ／ｌ以上３００ｇ／ｌ以下とすることによりアルコール発酵に必要な栄養源を濃縮する
   ことを特徴とする請求項２ないし６のいずれか１項に記載のアルコール生産システム。
8. 前記糖化液の濃縮割合を１．５倍以上５倍以下とする
   ことを特徴とする請求項７記載のアルコール生産システム。
9. 前記濃縮部において、前記乳酸の濃度が濃縮前の２倍以上になるまで前記糖化液を減圧濃縮もしくは常圧濃縮しそのｐＨを低下させると共に、前記糖化液中の単糖類の濃度を高めることにより雑菌の増殖を抑制する
   ことを特徴とする請求項２ないし８のいずれか１項に記載のアルコール生産システム。
10. 前記濃縮部において、前記糖化液を濃縮して前記乳酸の濃度を１００００ｍｇ／ｌ以上になるまで濃縮し、前記糖化液のｐＨを低下させて雑菌の増殖による汚染を抑制することにより前記濃縮糖化液の殺菌を不要とする
    ことを特徴とする請求項２ないし９のいずれか１項に記載のアルコール生産システム。
11. 前記濃縮部において、前記乳酸の濃度を高くすることにより前記糖化液のｐＨを調整する
    ことを特徴とする請求項２ないし１０のいずれか１項に記載のアルコール生産システム。
12. 前記第１発酵部において、アルコール発酵として、回分発酵、繰り返し回分発酵または連続発酵を適用すると共に、酵母としてｐＨ２．５以上ｐＨ５．５以下の範囲で増殖・発酵するSaccharomyces cerevisiaeに属する非凝集酵母および凝集性酵母のうちの少なくとも一方を用いる
    ことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のアルコール生産システム。
13. 前記第１発酵部において、前記アルコールの濃度を５０ｇ／ｌ以上１５０ｇ／ｌ以下、アルコール発酵ｐＨを４．５以下、発酵温度を２５℃以上および希釈率Ｄ（h ^-1）を０．０５ h^-1以上として雑菌が増殖する前に洗い出すことにより雑菌の増殖による汚染を抑制しつつ無殺菌の濃縮糖化液を連続発酵する
    ことを特徴とする請求項２ないし１２のいずれか１項に記載のアルコール生産システム。
14. 前記第１発酵部において、アルコール発酵として連続発酵方式および凝集性酵母を用いると共に、発酵装置として機械攪拌およびガス循環などの機能を有すると共に後段に沈降分離部を設けた発酵槽、上部もしくは後段に沈降分離部を設けた塔型リアクタまたは流動部にドラフトチューブを有する塔型リアクタを用いる
    ことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載のアルコール生産システム。
15. 廃液処理・利用部としてメタン発酵槽を有する第２発酵部を備え、前記メタン発酵槽において前記蒸留部で生成された蒸留廃液を発酵させることによりバイオガスを生成し、前記バイオガスを前記濃縮部および前記蒸留部の少なくとも一方のエネルギー源として利用する
    ことを特徴とする請求項２ないし１４のいずれか１項に記載のアルコール生産システム。
16. 前記第２発酵部において、バイオガスの発生量の５％以上１０％以下の空気を前記メタン発酵槽中に導入して前記バイオガスと混合させることにより、前記バイオガスと空気を含む混合ガス中の硫化水素の濃度を低減させる
    ことを特徴とする請求項１５記載のアルコール生産システム。
17. 前記第２発酵槽後段に水槽を有し、前記混合ガスを前記メタン発酵槽と前記水槽との間で循環させることにより硫化水素を空気酸化させて硫黄とし、前記混合ガス中の硫化水素の濃度を１０ｐｐｍ以下に低減させる
    ことを特徴とする請求項１５または１６に記載のアルコール生産システム。
18. 前記メタン発酵槽の後段に循環式生物学的脱窒槽を、前記循環式生物学的脱窒槽の後段に硝化槽をそれぞれ有し、メタン発酵により生成されたアンモニウムイオンを前記循環式生物学的硝化槽で硝酸イオンに酸化させたのち、この硝酸イオンを含む液の一部を前記脱窒槽に循環させることにより、前記メタン発酵後に残存する有機物と硝酸イオンとを同時に除去する
    ことを特徴とする請求項１７に記載のアルコール生産システム。
19. 前記硝化槽において得られた処理水または前記硝化槽の後段に設けた脱色部において得られた処理水を生ゴミに加える水の代替として前記糖化部に加える
    ことを特徴とする請求項１８に記載のアルコール生産システム。
20. 生ごみを糖化して糖化液を生成すると共に、前記生ごみ中に生息する微生物により主として乳酸を生成させて前記糖化液の水素イオン指数（ｐＨ）を低くする糖化工程と、
    前記糖化工程において生成された糖化液を用いてアルコール発酵させる第１発酵工程と
    を含むことを特徴とするアルコール生産方法。
21. 前記糖化工程において生成された糖化液を濃縮する濃縮工程を含み、
    前記第１発酵工程では前記濃縮工程において生成された濃縮糖化液ををアルコール発酵させる
    ことを特徴とする請求項２０記載のアルコール生産方法。
22. 生ごみに１０％以下の乳酸菌培養液を添加したのち嫌気状態に保持し、雑菌が実質的に増殖しない程度の処理ごみを生成する生ごみ処理工程
    を含むことを特徴とする糖生産方法。
23. 前記乳酸菌培養液を添加したのち酵素を混合して糖化すると共に、前記処理ごみ中に生息する微生物により主として乳酸を生成させて前記糖化液の水素イオン指数（ｐＨ）を低くする糖化工程と、
    前記糖化工程において生成された糖化液を濃縮する濃縮工程
    を含むことを特徴とする請求項２２記載の糖生産方法。
24. 前記生ごみ処理工程において、前記乳酸菌培養液を添加した生ごみを破砕した後、嫌気状態に保持し、ミンチ状の処理ゴミを生成する
    ことを特徴とする請求項２２または２３記載の糖生産方法。
25. 前記酵素が、耐酸性を有するグルコアミラーゼもしくは、耐酸性および耐熱性を有するグルコアミラーゼである
    ことを特徴とする請求項２２ないし２４に記載の糖生産方法。
    

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