JP2008545403A - エタノール／水混合物を調製するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、エタノール／水混合物の調製方法および調製装置であって、発酵性糖へと加水分解可能な糖から選択される発酵性原料（１）と必要な補助物質（２，３）とがリアクター（４）内へと供給され、エタノール／水混合物がリアクターの発酵溶液からエバポレーター（１３）で分離され、非発酵性物質（６）がリアクター（４）から除去される。本発明では、発酵が生じている間、リアクター（４）の発酵溶液（７，９）が第１流下膜式エバポレーター（１３）内へと連続的に供給され；エタノール／水混合物が第１流下膜式エバポレーター（１３）にて蒸発に付され、第１流下膜式エバポレーター（１３）から得られる蒸発物（１４）が凝縮に付され、凝縮したエタノール／水混合物が、第１流下膜式エバポレーター（１３）と直列に配置された第２流下膜式エバポレーター（１８）にて濃縮に付され；第２流下膜式エバポレーター（１８）から水がアンダーフロー（２０）として取り出され；また、不揮発性物質（１５）が第１流下膜式エバポレーター（１３）から取り出されてリアクター（４）へと戻される。

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに規定されたようなエタノール／水混合物を調製する方法に関する。かかる請求項１に記載の方法では、発酵性糖または発酵性糖へと加水分解可能な原料をエタノール原料として使用し、形成されるエタノール／水混合物を制御している。更に、本発明は、請求項１１のプリアンブルに規定されたような装置に関すると共に、請求項１６のプリアンブルに規定されたような使用にも関する。

現在、廃棄物および廃水が発生する操作に対して、廃棄物および廃水をより効率的に処理する方法が望まれている。工業および地域社会から排出され、種々の発酵性糖分または発酵性糖分に変化できる化合物を含んだ廃水および廃棄物は、それらをエタノールとして用いることによって処理できる。それゆえ、廃水のＢＯＤ量およびＣＯＤ量を減じることができたり、廃棄物中の炭水化物（または糖質）の量を減じることができたりする。廃棄物および廃水から調製されたエタノールは、種々の用途に合うように精製することができる。問題は、エタノールの調製に適し得る廃棄物及び少量の流れは分散して存在するため、移送及びかかる移送コストの点で経済的に実施しにくいことである。更に、既知のプロセスを用いて、生産量が２００〜２０００トン−エタノール／年となるように分散して存在する少量の流れからエタノールを調製することは、投資コスト的に高すぎると見積もられている。

工業的に用いられる「発酵に基づく既知のエタノール調製プロセス」は、比較的容量が大きく、約１００００〜１５００００トン−エタノール／年である。プラントの一部はバッチ式発酵に基づいているものの、より多くの部分が連続式発酵に基づいている。発酵したエタノールは、蒸留装置を用いて、例えば９５重量％に達するまで蒸留されたり、あるいは、それより薄いエタノール／水となるように、蒸留に付すことができる。蒸留装置は、エタノール／水混合物からマッシュ（又は「（すり潰されて）ドロドロになったもの」、mash）を分離するのに用いられるストリッピングを備えている。蒸留は、通常、１段もしくは多段のバッチ式もしくは連続式の蒸留である。蒸発した蒸留液（留出液）は、コンデンサーを用いて液化することができる。

上述のような大きなプラントでは、非発酵性の蛋白質、糖および酵母を含んだ固形分、ならびに、ストリッピング後に得られる「エタノールを含んでいないマッシュまたはシロップ」を分離することができ、それらを家畜飼料として用いることができる。バイオエタノールを工業的に製造する現在のプラントでは、発酵に起因して、二酸化炭素が生じる。かかる二酸化炭素は、例えばガス・メーターを用いてガス相（発酵機で生じるガス相）から分離することができる。しかしながら、現在のエタノール製造プラントでは、エタノールや糖が生じると共に、比較的高いＣＯＤ値を有する利用できない廃棄物および廃水が生じてしまう。マッシュは、飼料供給者によって決められている要件を必ずしも満たすとは限らないので、他の方法によって（例えば燃焼することによって又は処分することによって）処理しなければならない。

現在知られているエタノール調製方法を小規模の工業生産（年当たりのエタノール生産量が１００００トン未満）に適用する際の問題点は、ａ）かかる調製方法の実施に必要な使用法および構造が複雑であること、ｂ）装置の投資コストが比較的高く、装置の使用時の運転コストも比較的高いこと、ｃ）生じる廃棄物および少ない流れの量および質の点で問題があること、ｄ）装置に必要とされる労力が大きいこと、ｄ）８０体積％よりも多いエタノール／水混合物を処理するには可燃性液体についての規制があること、である。

最も近い従来技術とされる米国特許第４８２２７３７号公報では、濃縮エタノール／水混合物を調製するエタノールの連続式調製方法が開示されている。物質は発酵機から連続的に除去されて固形物セパレーターを介してエバポレーターへと送られる。エバポレーターではエタノールが分離され、不揮発性物質が逆浸透ユニットへと導入される。逆浸透ユニットでは水が分離排出されると共に、発酵性糖を含んだものが得られる。発酵性糖を含んだ部分は発酵機へと戻される。かかる方法は、２つの蒸発ユニットを用いて実施することができる。その場合、逆浸透ユニットから得られる濃縮物は、もう一方の蒸発ユニットに導入され、更にエタノールが除去される。

本発明の目的は、上述の不利益な点を除去することである。本発明の目的の１つは、燃料または溶剤などとして実際に使用するのに適当なエタノールを廃物から調製するための新規な方法および装置を開示することである。

本発明の方法および装置は、特許請求の範囲に記載された特徴を有している。

本発明のエタノール／水混合物の調製方法では、「糖（もしくは糖類）および発酵性糖へと加水分解可能な原料から選択される発酵性原料」ならびに「必要な補助物質（必要な補助剤）」がリアクター内に供給される。補助物質として空気を挙げることができる。原料はリアクター内に供給され、発酵溶液が形成される。エタノール／水混合物は発酵溶液からエバポレーターにて分離され、非発酵性物質がリアクターから分離される。本発明の方法では、発酵が生じている間、リアクターの発酵溶液が第１流下膜式エバポレーター(又は第１流下薄膜型蒸発缶、first falling-film evaporator）へと連続的に供給される。第１流下膜式エバポレーターではエタノール／水混合物が蒸発（または気化）する。第１流下膜式エバポレーターから得られる蒸発物は凝縮され、凝縮したエタノール／水混合物が、第１流下膜式エバポレーターと直列に接続された第２流下膜式エバポレーター(又は第２流下薄膜型蒸発缶、second falling-film evaporator）で濃縮される。第２流下膜式エバポレーターからは水がアンダーフロー（underflow）として取り出される。不揮発性物質は第１流下膜式エバポレーターから取り出されて、リアクターへと戻される。

本発明の方法は、特に以下の（ａ）〜（ｃ）に基づいている：
（ａ）連続的に設けられた２つ以上の流下膜式エバポレーターを使用すること。これにより、発酵溶液からエタノール／水蒸気（第２流下膜式エバポレーターの蒸発物）と比較的純粋な水とを分離することができる。
（ｂ）第１流下膜式エバポレーターから生じる不揮発性物質をリアクターへと戻すこと。これにより、不揮発性物質中の発酵しなかった糖が、より濃縮された形態でリアクターへと戻されるので、その分だけ発酵が増す（又は加速される）ことになる。
（ｃ）流下膜式エバポレーターを使用することによって、非発酵性物質の濃度および量（例えば乾燥物およびエタノールの濃度など）に影響を与えることができる。

好ましくは、発酵の間、プロセスから「発酵性糖、または、発酵性糖へと加水分解可能な炭水化物」は排出されない。

好ましい態様では、リアクターは発酵ベッセルである。

本発明のある態様では、第２流下膜式エバポレーターで分離された水が、かかる第２流下膜式エバポレーターへと１回より多く戻されることが好ましい。これにより、第２流下膜式エバポレーターから排出される水のエタノール濃度を最小限にすることができる。

本発明のある態様では、発酵溶液がリアクターから固形分セパレーター（solid matter separator）へと送られる。固形分セパレーターでは、固形分を含んだスラッジが発酵溶液から分離される。次いで、発酵溶液は固形分セパレーターから第１流下膜式エバポレーターへと送られる。ある態様では、固形分セパレーターで分離された「固形分を含んだスラッジ」がリアクターへと戻される。また、ある態様では、固形分セパレーターで分離された「固形分を含んだスラッジ」がプロセスから取り除かれる。

本発明の方法のある態様では、直列に接続された２つよりも多い流下膜式エバポレーターを用いて、エタノール／水混合物を分離および濃縮する。

本発明のある態様では、エタノール／水混合物が、３５〜６５重量％のエタノール濃度となるように濃縮される。より好ましい態様では、エタノール／水混合物が、約４０〜５０重量％のエタノール濃度となるように濃縮される。

本発明のある態様では、２つのエバポレーターが設けられている間において凝縮を行ってもよく、および／または、個々のエバポレーターの後で凝縮を行ってもよい。

エタノールの調製に際して生じるいわゆる残留物の水含量、自由水含量、乾燥物含量およびエタノール含量、ならびに、発酵性糖の濃度および「発酵性糖へと加水分解可能な糖」の濃度は、残留物を除去する前の以下の（ａ）〜（ｃ）のプロセスにより影響を受け得る：
（ａ）固形分セパレーターから得られる溶液をエタノールを回収すべく第１流下膜式エバポレーターへと供給する発酵段階のプロセス；
（ｂ）固形分セパレーターから第１流下膜式エバポレーターへと送られる溶液のエタノール含量が低下した場合、固形分セパレーターから得られる固形分をプロセスから取り出す排出段階のプロセス；および
（ｃ）第２流下膜式エバポレーターから得られる水をエバポレーター内へと戻すように供給し続ける「発酵および排出段階」のプロセス。

更に、本発明は、エタノール／水混合物を調製する以下の要素を有して成る装置も含まれる：
− 原料（発酵溶液として使用される原料）および必要な補助剤が供給されることになるリアクター（例えば発酵ベッセル）；
− 発酵溶液からエタノール／水混合物を分離するエバポレーター；
− リアクターから排出される発酵溶液をエバポレーターへと供給するための導管；ならびに
− 非発酵性物質（または発酵しなかった物質）をリアクターから排出するための排出パイプ。
かかる本発明の装置は、
− 発酵溶液からエタノール／水混合物を分離する第１流下膜式エバポレーター；
− エタノール／水混合物を濃縮する「第１流下膜式エバポレーターと直列に設けられた第２流下膜式エバポレーター」；
− 第１流下膜式エバポレーターから得られたエタノール／水混合物を、第２流下膜式エバポレーターへと供給する前に、凝縮させるコンデンサー；
− 第２エバポレーターから得られた水をアンダーフローとして排出するための排出パイプ；ならびに
− 第１流下膜式エバポレーターから不揮発性物質を取り出して、それをリアクターへと戻すための導管
を含んでいる。

本発明の装置のある態様において、リアクターと第１流下膜式エバポレーターとの間に固形分セパレーターが配置されている。固形分セパレーターは、発酵溶液が第１流下膜式エバポレーターへと送られるに先立って、かかる発酵溶液から「固形分を含んだスラッジ」を分離する。

本発明のある態様では、装置は、固形分含有スラッジを固形分セパレーターからリアクターへと戻すためのリサイクル・パイプ（recycling pipe）を有して成る。

本発明のある態様では、装置は、直列に接続された２つよりも多い「エタノール／水混合物を分離および濃縮するための流下膜式エバポレーター」を有して成る。

本発明の装置に用いられる要素（各種デバイス）は、全体的に一体的に構成されていることが好ましい。

上述の本発明の方法を用いて調製されたエタノール／水混合物は、ガソリンまたはディーゼルなどの燃料成分として用いることができる。尚、エタノール／水混合物は、所望のエタノール含量となるように濃縮される。濃縮されたエタノール混合物を他の燃料成分と混合すると、所定の燃料混合物を得ることができる。

ある態様では、エタノール／水混合物のエタノール含量が８５重量％よりも大きくなるようにエタノール／水混合物が更に濃縮される。好ましくはフィンランドでエタノール／水混合物のエタノール含量が９９．７重量％になるようにエタノール／水混合物が更に濃縮される。

所望の量および「規制および生成物仕様によって許容される量」となるようにエタノール混合物を他の燃料成分と混合してもよい。

本発明のエタノール／水混合物は、店で生じるバイオ廃棄物およびベーカリー、ミルク加工またはジャガイモ加工にて生じる廃物などを含む食品産業の廃棄物から調製することができる。

本発明では、発酵溶液の体積当りのエタノール生産量（生産速度）を従来のエタノール調製法の場合よりも相当に大きくすることができる。エタノール／水混合物は、発酵に際して、発酵ベッセルから連続的に取り出される。そのような場合、従来の方法よりも大きい発酵速度が得られる。スムーズな連続的な発酵段階および発酵ベッセルからの排出段階においては、エタノール／水混合物が濃縮されて３５〜６５重量％のエタノール／水混合物が形成される。このような濃縮は、エタノールを更なる処理、利用および品質制御に付す観点から満足のいくものである。

スムーズな連続的な発酵段階および発酵ベッセルからの排出段階では、エタノール調製に際して生じる少量のフロー（例えば、マッシュ、二酸化炭素および純粋などの少量の流れ）が、別個のフローとしてプロセスから除かれる。マッシュなどの発酵廃物の発生量（体積ベース）は、従来の方法よりも少なくなっている。従来技術と比べて、本発明では、生じる少量のフローの品質および副生成物として得られる水の品質に影響を好ましく及ぼすことができる。例えば、二酸化炭素の排出は、従来の方法と比べてかなり少なくなる。

種々の原料に対して本発明の方法を用いること、また、比較的少量の原料（例えば、年単位のエタノールが１００００トン未満となるほどの少量の原料）に対して本発明の方法を用いることは、従来技術の方法よりもイニシャル・コストおよびランニング・コストの点で経済的である。本発明の方法で使用される原料には他の種々の産業の廃棄物が含まれるので、原料を得ることは容易であり、その価格は手ごろな価格である。更に、他の種々の産業の廃棄物を利用し、それから他の用途のために所望の生成物を調製することによって、本発明は、持続可能な開発を可能とする。

エタノール調製の向上に関連した他の従来技術の方法と比べて、本発明の方法は、よりシンプルであり、使用に際してより少ない制御でよい（そのことは、年単位のエタノールが１００００トン未満となる場合に特に当てはまる）。本発明の装置は、シンプルであり、廃物が利用され得る場所に設けることができる。

本発明は、ロジスティック（物流）の向上にも部分的に寄与する。なぜなら、エタノール／水混合物を、例えば、オイル・ターミナルやガソリン・ターミナル（ガソリン・トラックなどが戻ってくることになる）に輸送できるからである。

以下では、図面を参照して、本発明の実施態様をより詳細に説明する。

実施態様１（又は実施例１）
本発明の方法では、従来のエタノール調製法よりも、発酵体積当たりのエタノールの生産量（もしくは生産速度）を増加させることができる。本発明の方法では、エタノール／水混合物が、約５０重量％のエタノール濃度にまで濃縮される。エタノール／水には他の物質が含まれ得る。別個の流れ(separate flows)であるので、エタノール調製で生じる少量の流れ（minor flow）を利用することができると共に、かかる「少量の流れ」の量および品質を制御することができる。本発明の方法では、廃棄物および廃水の量が少なくなっている。更に、副生成物（または共に生じる生成物）として純粋な水を得ることができる。

本発明の方法では、低い圧力および低い温度で流下膜式エバポレーターを運転することができるので、エバポレーターへと送られる発酵溶液に存在するエタノール生成微生物（またはエタノール発酵能を有する細菌、ethanol-producing microbe）が、エバポレーター条件で死滅することがない。例えば、０．９３バールの低い圧力の条件で流下膜式エバポレーターを用いて行う蒸発では、蒸発温度を３８℃未満にすることができる。その場合、例えば酵母が、発酵ベッセルへと戻される前にてエバポレーター条件によって死滅することはない。蒸発に先立ってエタノール生成微生物が分離される場合、あるいは、エタノール生成微生物が発酵ベッセルのキャリアーに設けられる場合（即ち、固定される場合）、大気圧下で蒸発を行うことができるので、プロセスがよりシンプルとなる。発酵溶液が相当量の固形分を含んでいる場合、蒸発に先立ってセパレーターを使用することが必要とされ得る。エネルギー効率を犠牲にすると、再循環を行うことによって、即ち、流下膜式エバポレーターから得られた蒸発物を凝縮させて再度流下膜式エバポレーターに戻すことによって、エタノール／水混合物を８０重量％にまで濃縮することができる。

実施態様２（または実施例２）
かかる実施態様は、本発明の方法および本発明の方法を実施するための装置に関している。尚、本実施態様における装置は、図１に示している。

原料が、導管１を介して発酵ベッセル４に供給される。必要な補助物質および空気は、導管２および３を介して発酵ベッセル内へと供給することができる。必要に応じて、発酵ベッセル４に含まれている物（特に無機物質）を導管６を介してプロセスから取り除いてもよい。エタノール発酵に起因して生じるガス（主としてＣＯ_２を含んで成るガス）は、導管５を介して発酵ベッセル４から除去される。発酵溶液の組成ならびに乾分含量およびエタノール生成微生物の量に応じて、発酵溶液が、導管７を用いて固形物セパレーター８（例えばデカンター型遠心分離機）に送られた後、導管１２を介して第１流下膜式エバポレーター１３に送られたり、あるいは、導管９を介して発酵ベッセル４から直接的に第１流下膜式エバポレーター１３へと送られる。固形分に富んだスラッジは、導管１０を介して固形分セパレーター８から発酵ベッセル４へと戻される。必要に応じて、固形分セパレーター８の固形分に富んだスラッジは、導管１１を介してプロセスから取り除くことができる。第１流下膜式エバポレーター１３で生じる蒸発物は、かかるエバポレーター１３から導管１４を介してコンデンサー１６へと送られる。コンデンサー１６から生じる液化流れは、導管１７を介して第２流下膜式エバポレーター１８へと送られる。不揮発性物質は、第１流下膜式エバポレーター１３から導管１５を介して発酵ベッセル内へと送られる。第２流下膜式エバポレーター１８のアンダーフロー（主に水から成るアンダーフロー）は、導管２０を介して取り除かれる。第２流下膜式エバポレーター１８で生じた蒸発物は、導管１９を介してコンデンサー２１内へと送られた後、コンデンサー２１から導管２２を介して最終コンデンサー２３へと送られる。最終コンデンサー２３で生じる完全に凝縮したエタノール／水混合物は、導管２４を介してエタノール／水混合物の貯留タンク２５へと送られる。最終コンデンサーのオフガスは、導管２６を介してプロセスから除去される。更に、フロー１２とフロー１４とを熱交換するために、また、フロー１７とフロー１９とを熱交換するために、熱交換機を用いることができる。最終的に得られる凝縮物２３は比較的小さい流れであり、水を約２０℃に凝縮させる冷媒循環物と熱交換することができる。図１の態様では、発酵ベッセルが１つであるものの、１つよりも多くの発酵ベッセルを直列または並列に設けてもよい。また図示する態様では、直列に接続された２つの流下膜式エバポレーター１３および１８が設けられているものの、直列に接続された流下膜式エバポレーターを２つよりも多く設けてもよい。

発酵ベッセル４は、次の３つの異なる実施段階を有している：
１）仕込み段階（または充填段階）
２）発酵段階および供給物の添加段階（ある液面の範囲内に収まるような添加段階）、ならびに
３）発酵ベッセルからの排出段階

仕込み段階は、導管１および２から原料および必要な補助物質が発酵ベッセル４へと供給されることによって開始される。必要に応じて、エタノール生成微生物の質量を増加させるために、滅菌された空気または酸素を導管３を介して発酵ベッセル内へと供給してもよい。仕込み段階では、導管７、９および６は「閉」の状態にされる。

発酵段階では、発酵ベッセル４の液面（またはレベル）、導管２２のエタノール含量および発酵ベッセルの発酵性原料の糖含量がある値を超えないことを限度として、また、発酵性糖へと加水分解可能な原料の炭水化物含量がある値を越えないことを限度として、導管１を介して発酵ベッセル内へと更なる原料供給が行われる。発酵溶液の固形分によって流下膜式エバポレーターが汚染される可能性（またはコンタミが生じる可能性）がある場合では、発酵溶液が導管７を介して固形分セパレーターへと送られる。尚、発酵溶液の固形分によって引き起こされるコンタミが許容される場合では、発酵溶液が導管９を介して流下膜式エバポレーター１３へと直接的に送られる。このような態様により、エタノールが発酵溶液から得ることができ、得られたエタノールが貯留タンク２５へと送られることになると共に、水が導管２０を介して発酵溶液から分離される。流下膜式エバポレーターで行われる蒸発は常圧で実施することができ、その場合、排出される溶液の温度は、約８０〜８５℃となる。なお、流下膜式エバポレーターで行われる蒸発は、より低い圧力（例えば０．９３バール）で実施することもでき、その場合、排出される溶液の温度は、約３６℃となる。十分に低い圧力（例えば０．９３バール）および３６℃の温度の条件下での蒸発では、かかるエタノール生成微生物を蒸発に付される溶液から必ずしも分離する必要なく、エタノール生成微生物を死滅させずに導管９を介して発酵ベッセル４の溶液を第１流下膜式エバポレーター１３へと送ることができる。更に、エタノールを生成する微生物（例えば酵母）が固定化されている場合では、分離は必ずしも必要ではない。流下膜式エバポレーター１３および１８で低い圧力を用いることによって、必要な蒸発エネルギーが減じられるものの、凝縮物１６、２１および２３の体積が増加し、かかる凝縮物への伝熱効果が弱められることになる。

流下膜式エバポレーター１３へと導く導管１２は、発酵ベッセル４の液面および導管１の流れがある値を超えないことを限度として、発酵段階にて一時的に「閉」の状態にすることができる。平均して、約４０％のエタノール／水混合物が生成することになり、それが生成物貯留タンク２５へと送られる。尚、十分な含有量を得る場合には更に処理してもよいことに留意されたい。

排出段階では、非発酵性物質および／または生じる水（スムーズな連続運転を阻害し得る）が、発酵ベッセル４から排出される。非発酵性物質が「得られた発酵」を阻害する場合、また、発酵性糖および「発酵性糖へと加水分解され得る炭水化物」が発酵ベッセルにおいて消費されると、排出段階が行われる。排出段階では、ある液面以上には、より多くの原料を供給することができない。この場合、発酵溶液が導管７を介して固形分セパレーターへと送られた後、そこから導管１２を介して流下膜式エバポレーター１３へと送られる。あるいは、発酵溶液が流下膜式エバポレーター１３へと直接的に送られることになる。発酵溶液のエタノール含量が十分に少ない場合（例えばエタノール含量が０．５重量％の場合）、導管９および導管１２が「閉」の状態にされ、スラッジが導管１１を介してプロセスから取り除かれ、発酵ベッセルの非発酵性物質が導管６を介してプロセスから取り除かれる。

コンデンサー１６および２１では、外部冷却（external cooling）を用いることができる。導管２６からエタノールができる限り排出されないように、コンデンサー２３では、蒸気温度を十分に低くしなければならない。更に、供給、発酵および排出の段階において、発酵ベッセルの温度を調整してもよい。換言すれば、主として発酵ベッセルを冷却してもよい。

実施態様３（又は実施例３）
本実施態様は、本発明の方法に使用される原料として、チーズ製造に際して副生成物として生じた乳清を使用した例である。尚、本実施態様は、図２を参照して説明する。

チーズ製造に際して副生成物として生じる典型的な乳清は、ラクトースを４．８重量％含んでおり、エタノール生成微生物のための物質として機能する。例えば、遺伝子操作された酵母は、エタノール生成微生物として機能し得る。典型的には、乳清は、３重量％未満の固形分を含んでいる。本実施態様では、エタノール生成微生物が、従来技術を用いることによって発酵ベッセルに固定化されているので、流下膜式エバポレーター１３，１８ならびにコンデンサー１６，２１および２３が空気圧（または大気圧）および８０℃〜９０℃の温度条件下で運転される。非発酵性物質は、「炭水化物含量が従来の場合より少なくなるものの、タンパク質含量が従来の場合よりも相当に多くなった絞り滓の飼料（juice fodder）」として用いることができる。発酵段階では、供給フロー１が０．９ｋｇ／ｓであり、その場合、流出フロー２４が０．０５４ｋｇ／ｓであって、流出フロー２４のエタノール含量が４０重量％となる。かかる場合、主として略純粋な水から成るフロー２０は０．３０６ｋｇ／ｓである。フロー９の流量は１．４４ｋｇ／ｓであり、そのエタノール含量は１．５重量％であり、糖含量は１．８重量％である。不揮発性物質の還流１５は、１．０８ｋｇ／ｓであり、エタノールを含んでおらず、その糖含量は２．４重量％である。換言すれば、本実施態様では、発酵溶液が０．５４ｋｇ／ｓの割合で発酵ベッセルに蓄積することになる。即ち、乳清の糖含量が低いことに起因して、本発明の方法が半連続的な方法となり、発酵ベッセル４の液面がある値を超えないことを限度として、乳清をプロセス内に供給することができる。

実施態様４（又は実施例４）
本実施態様は、本発明の装置の原料として、廃棄物（waste dough）を使用した例である。尚、本実施態様は、図３を参照して説明する。

典型的には、廃棄物は、約５０〜６０％の乾燥物質を含んでいる。尚、乾燥物質の６０〜８０重量％は穀物に由来するスターチ（starch）であり、約５重量％が種々の糖分である。廃棄物は、水で希釈されており、その中に含まれるスターチを加水分解して本発明の方法に用いる。本実施態様では、乾燥物質およびエタノール生成微生物（酵母）は、流下膜式エバポレーター１３および１８に供給される前に発酵溶液から分離されるので、エバポレーターおよびコンデンサー１６，２１および２３が、常圧および８０〜９０℃の温度の条件下で運転される。非発酵性物質は、飼料として用いるのに適している。発酵段階では、供給フロー１が０．１ｋｇ／ｓの場合、流出フロー２４が０．０１２５ｋｇ／ｓであって、流出フロー２４のエタノール含量は４０重量％である。かかる場合、主として略純粋な水から成るフロー２０は０．０７０８ｋｇ／ｓである。フロー１２の流量は０．１６６ｋｇ／ｓであり、そのエタノール含量は３．０重量％であり、糖含量は４．０重量％である。不揮発性物質の還流１５は、０．０８３ｋｇ／ｓであり、エタノールを含んでおらず、その糖含量は９．０重量％である。０．０１６６ｋｇ／ｓの割合で非発酵性物質が形成され、排出段階が行われる際に取り除かれる。本実施態様では、発酵ベッセル内に発酵溶液は蓄積しない。本発明の態様は連続的に操作される。

本発明の方法を適用することによって、食品加工産業、農業および他の産業で生じる種々の少量の廃水流れから、３５〜６５重量％のエタノール／水混合物、好ましくは４０〜５０重量％のエタノール／水混合物を調製することができるが、更に処理すると所望のエタノール含量を達成することができ、例えば、車などの乗り物の燃料として用いたり、エタノール混合物を用いる種々の工業プロセスの溶剤として用いたりすることができる他、エタノールもしくはエタノール混合物の他の用途に用いることができる。更に、本発明の方法で生じるリアクターまたは発酵ベッセルの非発酵性物質／廃棄物は、動物の飼料または土壌調整剤として利用することができる。

本発明は、上述の実施態様の例に単に限定されず、特許請求の範囲で規定された発明概念の範囲内にある限り多くの変更を加えることができる。

図１は、本発明の装置の第１態様を示している。 図２は、本発明の装置の第２態様を示している。 図３は、本発明の装置の第３態様を示している。

Claims (17)

1. 発酵性糖へと加水分解可能な糖から選択される発酵性原料（１）と必要な補助物質（２，３）とがリアクター（４）内へと供給され、エバポレーター（１３）でリアクターの発酵溶液からエタノール／水混合物が分離され、非発酵性物質（６）がリアクター（４）から除去されるエタノール／水混合物の調製方法であって、
   発酵が生じている間、リアクター（４）の発酵溶液（７，９）を第１流下膜式エバポレーター（１３）へと連続的に供給し；
   エタノール／水混合物を第１流下膜式エバポレーター（１３）において蒸発させており、第１流下膜式エバポレーター（１３）から得られる蒸発物（１４）を凝縮させ、凝縮したエタノール／水混合物を、第１流下膜式エバポレーター（１３）と直列に配置された第２流下膜式エバポレーター（１８）において濃縮しており；
   第２流下膜式エバポレーター（１８）から水をアンダーフロー（２０）として取り出し；また
   不揮発性物質（１５）を第１流下膜式エバポレーター（１３）から取り出してリアクター（４）へと戻す、
   ことを特徴とする方法。
2. リアクター（４）が発酵ベッセルであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 水のエタノール濃度が最小となるように、第２流下膜式エバポレーター（１８）で分離された水を第２流下膜式エバポレーター（１８）へと再度戻した後、水（２０）として第２流下膜式エバポレーター（１８）から除去することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 発酵溶液をリアクター（４）から固形分セパレーター（８）へと供給した後、固形分セパレーター（８）から第１流下膜式エバポレーター（１３）へと供給しており、
   固形分セパレーター（８）では、発酵溶液から固形分含有スラッジ（１０，１１）を分離することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 固形分セパレーター（８）によって分離された固形分含有スラッジ（１０）をリアクター（４）へと戻すことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 固形分セパレーター（８）によって分離された固形分含有スラッジ（１１）をプロセスから取り除くことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
7. エタノール／水混合物が分離および制御されるように、直列に接続された２つよりも多い流下膜式エバポレーター（１３，１８）を用いることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. エタノール濃度が約３５〜６５重量％となるようにエタノール／水混合物を濃縮することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. エタノール濃度が約４０〜５０重量％となるようにエタノール／水混合物を濃縮することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
10. 導管（１）を介して発酵性原料（１）を発酵ベッセル（４）へと供給し；
    導管（２）および（３）を介して必要な補助物質を発酵ベッセル（４）へと供給し；
    発酵ベッセル（４）を空にする際、導管（６）を介して非発酵性物質を取り出し；
    エタノール発酵に起因して発酵ベッセル（４）で生じたガスを導管（５）を介して発酵ベッセル（４）から除去し；
    発酵溶液の組成に応じて、発酵溶液を導管（７）を介して固形分セパレーター（８）を通るように第１流下膜式エバポレーター（１３）内へと移送するか、あるいは、導管（９）を介して発酵ベッセル（４）から直接的に発酵溶液を第１流下膜式エバポレーター（１３）へと移送し；
    固形分セパレーター（８）で生じる固形分に富んだスラッジを、導管（１０）を介して発酵ベッセル（４）へと戻すか、あるいは、導管（１１）を介してプロセスから取り除き；
    第１流下膜式エバポレーター（１３）から得られる蒸発物を導管（１４）を介してコンデンサー（１６）へと供給し、コンデンサー（１６）から得られる液化フローを導管（１７）を介して、第１流下膜式エバポレーター（１３）と直列に接続された第２流下膜式エバポレーター（１８）へと供給し；
    第１流下膜式エバポレーター（１３）から得られる不揮発性物質を導管（１５）を介して発酵ベッセル（４）へと供給し；
    第２流下膜式エバポレーター（１８）で生じる主に水から成るアンダーフローを導管（２０）を介して取り出し；
    第２流下膜式エバポレーター（１８）で得られる蒸発物を導管（１９）を介してコンデンサー（２１）へと供給した後、コンデンサー（２１）から導管（２２）を介して最終コンデンサー（２３）へと供給し、コンデンサー（２１）から得られる凝縮したエタノール／水混合物を導管（２４）を介してエタノール／水混合物の貯留タンク（２５）へと供給し、最終コンデンサー（２３）のオフガスを導管（２６）を介してプロセスから排出する、
    ことを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
11. 発酵溶液として使用される原料と必要な補助物質とが供給されるリアクター（４）、発酵溶液からエタノール／水混合物を分離するためのエバポレーター（１３）、リアクター（４）から得られる発酵溶液をエバポレーター（１３）へと導くための導管（７，９，１２）、リアクターから非発酵性物質を排出するための排出パイプ（６）を有して成る、エタノール／水混合物を調製する装置であって、
    相互に直列に設けられた「発酵溶液からエタノール／水混合物を分離するための第１流下膜式エバポレーター（１３）」および「エタノール／水混合物を濃縮するための第２流下膜式エバポレーター（１８）」；
    第１流下膜式エバポレーター（１３）から得られるエタノール／水混合物を第２流下膜式エバポレーター（１８）へと送る前に凝縮させるためのコンデンサー；
    第２流下膜式エバポレーター（１８）から水をアンダーフローとして排出するための排出パイプ（２０）；ならびに
    第１流下膜式エバポレーター（１３）から排出される不揮発性物質をリアクター（４）へと戻すための導管（１５）
    を有して成ることを特徴とする装置。
12. リアクター（４）が発酵ベッセルであることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
13. リアクター（４）と第１流下膜式エバポレーター（１３）との間に配置された固形分セパレーター（８）を更に有して成り、
    固形分セパレーター（８）では固形分含有スラッジ（１０，１１）が発酵溶液から分離される、
    ことを特徴とする、請求項１１または１２に記載の装置。
14. 固形分含有スラッジを固形分セパレーター（８）からリアクター（４）へと戻すためのリサイクル・パイプ（１０）を更に有して成ることを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれかに記載の装置。
15. 直列に接続された２つよりも多い「エタノール／水混合物を分離および濃縮するための流下膜式エバポレーター（１３，１８）」を有して成る、請求項１１〜１４のいずれかに記載の装置。
16. 請求項１〜１０のいずれかに記載の方法で調製されたエタノール／水混合物を燃料成分として用いる使用であって、
    エタノール／水混合物を所望のエタノール含量となるように濃縮し、濃縮したエタノール混合物を他の燃料成分と混合して所定の燃料混合物を形成することを特徴とする使用。
17. エタノール／水混合物を燃料成分として用いる使用であって、８５重量％よりも大きいエタノール混合物となるようにエタノール／水混合物を濃縮することを特徴とする使用。

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