JP2009225756A

JP2009225756A - アルコール連続生産方法

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Publication number: JP2009225756A
Application number: JP2008077765A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Toyama; 正幸遠山; Kazue Takaoka; 一栄高岡
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2008-03-25
Filing date: 2008-03-25
Publication date: 2009-10-08
Anticipated expiration: 2028-03-25
Also published as: JP5215010B2

Abstract

【課題】菌体流出を防止し、アルコール原料と酵母の接触効率を向上させて、凝集沈殿性を有する酵母のアルコール生産能力を十分に生かすことが出来る高濃度アルコール連続生産方法を提供すること。
【解決手段】発酵槽内に凝集沈殿性を有する酵母を存在させ、発酵槽にアルコール原料を供給してアルコール発酵を行う際に、発酵槽下方に強制的な液流を発生させてアルコールを生産するアルコール連続生産方法であって、該発酵槽内のアルコール発酵液の上下方向の異なる位置で菌体濃度ｄ１と菌体濃度ｄ２と菌体濃度ｄ３を各々測定し、該菌体濃度ｄ１と前記菌体濃度ｄ２の比（ｄ２／ｄ１）が１．７以上であり、かつ前記菌体濃度ｄ１と前記菌体濃度ｄ３の比（ｄ３／ｄ１）が７．６以下となるように発酵槽下方の液流を制御することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルコール連続生産方法に関し、詳しくは、凝集沈殿性を有する酵母を用いたアルコール連続生産方法に関する。

特許文献１には、サッカロマイセス属セレビシエ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）ＡＭ１２菌株（以下、必要によりＡＭ１２菌と称する）からなる酵母を用いたアルコールの生産方法が開示されており、ＡＭ１２菌は優れたアルコール生産能とアルコール耐性、凝集沈降性を有するという記載がある。
特開昭５９−１３５８９６号公報

アルコールの連続生産では、発酵槽に連続的にアルコール原料を供給して酵母によりアルコール発酵を行い、一方で得られたアルコール培養液を発酵槽から引き抜いている。菌体リサイクルのないアルコール連続生産では、アルコール培養液中の菌体は発酵槽に戻されることはない。

発酵槽内では、アルコール原料と酵母の接触回数が多いほど反応効率が上がるので、攪拌等で完全混合することが好ましい。しかし、完全混合すれば、アルコール培養液を発酵槽から引き抜く際に、多量の酵母が一緒に抜き出されて、発酵槽内の菌体濃度が減少してしまう。

アルコール培養液の引き抜き量に対して、酵母の増殖量が少なければ、流出した菌体分を補うことができないので、発酵槽内に存在する酵母の菌体量が減少し、アルコール原料と酵母の接触回数は酵母の減少により大幅に低下して、アルコール生成反応の効率が低下する問題がある。

一方、発酵槽内を攪拌しなければ、凝集沈降性を有する酵母は沈降し、発酵槽底部に沈積してしまう。菌体は沈降が進むと、所定時間経過後は沈降領域から圧密領域に入るので、底部に菌体の層ゾーン（圧密ゾーン）が形成される。発酵槽の底部からアルコール原料を供給すると、この層ゾーンをアルコール原料が通過して、アルコール原料と酵母の接触が生じることになるが、かかる層ゾーンでの接触では圧密されていること、及びアルコール原料に対して酵母菌体量が過剰であることからアルコール原料と酵母の反応効率は極端に悪くなる問題がある。

特に、ＡＭ１２菌は、高いアルコール生産性とアルコール耐性を示す一方で、菌体の増殖能力が低いという特徴があり、上記問題が顕著に見られる。

本発明は、上記の問題を解決するものであり、本発明の課題は、菌体流出を防止し、アルコール原料と酵母の接触効率を向上させて、凝集沈殿性を有する酵母のアルコール生産能力を十分に生かすことが出来る高濃度アルコール連続生産方法を提供することにある。

また本発明の他の課題は、以下の記載により明らかになる。

上記課題は、以下の各発明によって解決される。

（請求項１）
発酵槽内に凝集沈殿性を有する酵母を存在させ、発酵槽にアルコール原料を供給してアルコール発酵を行う際に、発酵槽下方に強制的な液流を発生させてアルコールを生産するアルコール連続生産方法であって、
該発酵槽内のアルコール発酵液の上下方向の異なる位置で菌体濃度ｄ１と菌体濃度ｄ２と菌体濃度ｄ３を各々測定し、該菌体濃度ｄ１と前記菌体濃度ｄ２の比（ｄ２／ｄ１）が１．７以上であり、かつ前記菌体濃度ｄ１と前記菌体濃度ｄ３の比（ｄ３／ｄ１）が７．６以下となるように発酵槽下方の液流を制御することを特徴とする高濃度アルコール連続生産方法。

（請求項２）
前記発酵槽内のアルコール発酵液の上下方向の異なる位置で菌体濃度ｄ１と菌体濃度ｄ２と菌体濃度ｄ３を各々測定し、該菌体濃度ｄ１と前記菌体濃度ｄ２の比（ｄ２／ｄ１）が２．０以上であり、かつ前記菌体濃度ｄ１と前記菌体濃度ｄ３の比（ｄ３／ｄ１）が６．６以下となるように発酵槽下方の液流を制御することを特徴とする請求項１記載の高濃度アルコール連続生産方法。

（請求項３）
前記発酵槽内のアルコール発酵液の上下方向の異なる位置で菌体濃度ｄ１と菌体濃度ｄ２と菌体濃度ｄ３を各々測定し、該菌体濃度ｄ１と前記菌体濃度ｄ２の比（ｄ２／ｄ１）が２．３以上であり、かつ前記菌体濃度ｄ１と前記菌体濃度ｄ３の比（ｄ３／ｄ１）が６．１以下となるように発酵槽下方の液流を制御することを特徴とする請求項１記載の高濃度アルコール連続生産方法。

（請求項４）
前記凝集沈殿性を有する酵母が、サッカロマイセス属セレビシエ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）ＡＭ１２菌株であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の高濃度アルコール連続生産方法。

（請求項５）
前記発酵槽内の平均酵母菌体濃度が、２０〜３３ｇ（乾燥重量）／Ｌであることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の高濃度アルコール連続生産方法。

（請求項６）
前記発酵槽下方に液流を強制的に発生させる手段が、主として攪拌機の回転によるものであり、前記菌体濃度ｄ１と前記菌体濃度ｄ２の比（ｄ２／ｄ１）が１．７未満の場合には該発酵槽内の攪拌機の回転を停止するか又は回転数を減少し、かつ前記菌体濃度ｄ１と前記菌体濃度ｄ３の比（ｄ３／ｄ１）が７．６を越えたら攪拌機の回転を開始するか又は回転数を増加するように攪拌機の回転を制御することを特徴とする請求項１、４又は５記載の高濃度アルコール連続生産方法。

（請求項７）
菌体濃度の測定を、濁度計によって行うことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の高濃度アルコール連続生産方法。

本発明によると、菌体流出を防止し、アルコール原料と酵母の接触効率を向上させて、凝集沈殿性を有する酵母のアルコール生産能力を十分に生かすことが出来る高濃度アルコール連続生産方法を提供することができる。

本発明のアルコール連続生産方法は、発酵槽内に凝集沈殿性を有する酵母を存在させ、発酵槽にアルコール原料を供給してアルコール発酵を行う際に、発酵槽下方に強制的な液流を発生させてアルコールを生産する方法である。

ここで、発酵槽下方の強制的な液流を発生させるのは、発酵原料と酵母の接触回数を増加させて発酵反応効率を上昇させるためである。しかし、発酵槽内に、攪拌等に由来する液流を発生させると、菌体が舞い上がり、そのまま発酵槽から外部に発酵液と共に排出されるおそれがあるが、本発明に用いる凝集沈殿性を有する酵母は、その菌体特有の性質として凝集沈降する働きが顕著であるので、発酵槽内の液面付近では菌体濃度が低くなり、発酵槽からの菌体流出は抑制される。

本発明者らは、発酵槽の上下方向の異なる３つの位置において測定される菌体濃度の比が特定範囲にあるように発酵槽下方の液流が調整されると、菌体流出を防止し、凝集沈殿性を有する酵母のアルコール生産能力を十分に生かすことが出来ることを見出したものである。

本発明において、アルコール連続生産というのは、発酵槽にアルコール原料である糖液を例えば連続的に供給しながら、一方で生成物を例えば連続的に取り出すことをいう。

従って、アルコール原料を供給するのが不連続であっても、時間当たりの供給量が一定していればよい。

また、本発明のアルコール連続生産においては、発酵槽から菌体の流出を抑制しているが若干の菌体は流出する可能性がある。しかし、かかる菌体流出によって発酵槽内の菌体濃度が減少することは防止されている。本発明では発酵槽の上下方向で適度な濃度バランスが維持されているために発酵槽内での菌体増殖量は流出量に比べれば多く、菌体を常時発酵槽に追加していくことは基本的に意図していない。しかし、種菌として追加することはあるだろうし、若干流出した菌体を分離して発酵槽内に返送することは本発明の効果を何等阻害するものでない。

以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。

図１において、１は発酵槽であり、アルコール原料は発酵槽１の底部の原料供給口１０から供給される。発酵槽１内には凝集沈殿性を有する酵母が入れられている。

原料供給口１０から発酵槽１内に例えば連続的にアルコール原料が供給されると、酵母によってアルコール発酵され、アルコール発酵液が得られる。アルコール発酵液は、排出口１１から引き抜かれる。なお、アルコール原料は発酵槽の底部から供給されれば供給の方法は限定されず、原料供給口１０の設置は一例を示したに過ぎない。同様にアルコール発酵液の引き抜きも上部から引き抜くものであればその引き抜き方法は限定されない。

本発明では、発酵槽内のアルコール発酵液の上下方向の異なる位置で菌体濃度ｄ１と菌体濃度ｄ２、菌体濃度ｄ３を各々測定する。

上下方向の異なる位置は、発酵槽の形態によって種々の位置を取り得る。発酵槽の形態は、例えば、図１に示すような円筒形に限らず、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示されるような形態である場合もある。

例えば、図１に示す円筒形の場合には、菌体濃度ｄ１は、液面〜０．４Ｈ（液面高さＨ）までの深さ領域（ａ）に設けた菌体濃度測定点Ａで測定する。そのためにその位置に濃度計１２を設置する。また菌体濃度ｄ２は、０．２Ｈ〜０．８Ｈまでの深さ領域（ｂ）に設けた菌体濃度測定点Ｂで測定する。測定のために菌体濃度測定点の位置に濃度計１３を設置する。更に菌体濃度ｄ３は、０．６Ｈ〜０．９５Ｈまでの深さ領域（ｃ）に設けた菌体濃度測定点Ｃで測定する。測定のために菌体濃度測定点の位置に濃度計１４を設置する。

菌体濃度を測定する濃度計としては、濁度計（吸光度測定）などが挙げられる。なお、菌体濃度測定点Ａは菌体濃度測定点Ｂよりも常に上に設けられ、菌体濃度測定点Ｂは菌体濃度測定点Ｃよりも常に上に設けられる。

図４に示すような円筒形以外の形態の発酵槽において濃度測定位置を一義的に決定するには、直径（Ｒ）に対する液面高さ（Ｈ）の比（Ｈ／Ｒ）が、０．５〜２．０であれば、上記の円筒形の深さ領域を適用できる。

なお、直径Ｒは、水平方向の槽断面の最大長さであり、角型の場合は対角線の長さのうち最大長さを指し、液面高さＨは発酵槽内のアルコール発酵液を液面から下方に向かって槽内部の底面までを指す。

また、濃度測定位置は、上記のように液面からの深さによって規定する方法以外に、発酵槽１内のアルコール発酵液の体積によって規定することもできる。

たとえば、菌体濃度ｄ１は、液面〜０．４Ｖ（Ｖは発酵液の体積）までの深さ領域（ａ）に設けた菌体濃度測定点Ａで測定する。また菌体濃度ｄ２は、液面から０．２Ｖ〜液面から０．８Ｖまでの深さ領域（ｂ）に設けた菌体濃度測定点Ｂで測定する。更に菌体濃度ｄ３は、液面から０．６Ｖ〜液面から０．９５Ｖまでの深さ領域（ｃ）に設けた菌体濃度測定点Ｃで測定する。

本発明では、発酵槽下方に強制的な液流を発生する手段が設けられる。液流を強制的に発生させる手段は、主として攪拌機の回転によるものが好ましい。即ち、攪拌機だけでもよいし、攪拌機と空気曝気の併用のいずれでも良いが、制御の便宜性を考慮すれば攪拌機のみによることが好ましい。

ここで、強制的な液流を発生させる手段が攪拌羽根である場合に、その攪拌羽根を設置する部位である「発酵槽下方」というのは、発酵槽液面深さＨに対して、液面から０．５Ｈより下方に設置させることが好ましく、より好ましくは液面から０．８Ｈより下方に設置されることである。

１５は攪拌機であり、１５Ａは攪拌機用モータ、１５Ｂは攪拌羽根であり、本発明では、板状のパドルが好ましい。攪拌羽根１５Ｂの設置位置は、図示の態様では、深さ領域（ｂ）の下方であり、攪拌方向は水平方向である。

具体的に説明すると、発酵槽の直径が１２６ｍｍであり、発酵槽内の液量が、１０００ｍＬ（発酵槽の底から８５ｍｍ）である場合、液面から７７ｍｍ下方に４枚板羽根（攪拌翼の回転最大径（Ｘ）６４ｍｍ、各羽の大きさは１５×１２ｍｍ）の中心が位置するように設けることが好ましい。液面から７７ｍｍ下方というのは、液面から０．９Ｈ（Ｈは液面深さ）の部位に当たる。

攪拌羽根の回転数は、３０〜１５０ｒｐｍが好ましく、より好ましくは４０〜１２０ｒｐｍの範囲、更に好ましくは５０〜１００ｒｐｍの範囲で適宜決められる。

この回転数は、上記の発酵槽を使用して見出された数値であるので、発酵槽等の条件が異なれば好ましい回転数も変動する。即ち槽の大きさや攪拌羽根の直径、槽の深さが変わったときには、回転数はスケールアップあるいはスケールダウンの手法で考慮する必要がある。スケールアップあるいはスケールダウンするときには以下に述べる計算方法で算出される攪拌強度（動力）から求められる回転数を採用すればよい。

参考に、実施例に用いた発酵槽の動力を求める。

発酵槽の機器データ（内径Ｄ：０．１２６ｍ、液深Ｈ：０．０８５ｍ、翼径ｄ：０．０６４ｍ、翼幅ｂ：０．０１２ｍ、攪拌速度：５０ｒｐｍ、４枚平羽根タービン（邪魔板なし）、）およびアルコール発酵液の物性データ（密度ρ：１．０６２（ｋｇ／ｍ^３）、粘度μ：３５．５５（Ｐａ・ｓ））から、翼回転数ｎを求め（＝０．８３３ｓ^−１）、次式にて攪拌レイノルズ数Ｒｅを求める（数１）。

撹拌に必要な動力に関する無次元数である動力数Ｎｐは、撹拌レイノルズ数Ｒｅとの関係から、邪魔板なしの場合の翼幅ｂ’の２枚羽根パドル翼に関する永田の式（数２）

を変形し、羽根枚数ｎ_ｐが２以外の場合には羽根枚数と羽根幅の積ｎｐ×ｂが同じである２枚羽根パドル翼、すなわち羽根幅ｂ’＝（ｎ_ｐｂ）／２として上式よりＮ_ｐが推算される。４枚羽根（ｎ_ｐ＝４）の場合、ｂ’＝（ｎ_ｐｂ）／２＝０．０２４ｍなので、低Ｒｅ範囲および邪魔板無しの場合の動力数は永田の式（数２）より、Ｎ_ｐ＝４９３４８７．８となり、この発酵槽において回転数５０ｒｐｍで攪拌するために必要な動力Ｐは、数３式によって求められ、０．３２５６５５Ｗとなる。

発酵槽の仕様や攪拌羽根の仕様等が変わる場合にも、上記のように動力を計算し、回転数を求めることができる。

次に本発明において、各菌体濃度測定点における菌体濃度の測定頻度は、３０分〜１時間に１回程度が液流制御、例えば攪拌制御を好適に行う上で好ましい。上記の測定データは、制御部１６に入力される。

以下に、本発明の高濃度アルコール連続生産制御方法における好ましい態様を説明する。

この態様は、菌体濃度測定点Ａの菌体濃度ｄ１と菌体濃度測定点Ｂの菌体濃度ｄ２と菌体濃度測定点Ｃの菌体濃度ｄ３に依拠して、攪拌機の回転を制御する方式である。

図２に示すフローチャートの如く、菌体濃度測定点Ａの菌体濃度ｄ１、菌体濃度測定点Ｂの菌体濃度ｄ２、菌体濃度測定点Ｃの菌体濃度ｄ３が測定されると（Ｓ１１）、そのデータは図３に示す制御部１６の入力部１６０に入力される（Ｓ１２）。入力された測定データは記憶部１６１に保存することも好ましい。

入力部１６０から送られたデータは、判断手段１６２において、所定の判断がなされ、その判断結果は出力部１６３に送られ、出力部１６３で制御用の出力信号に変換され、その制御信号は攪拌機１５に送られ、攪拌羽根の回転の停止又は開始が制御される。

判断手段１６２は、菌体濃度ｄ１、菌体濃度ｄ２、ｄ３の比を算出し、その比が閾値の範囲か否か判断する（Ｓ１３）。

制御に用いる閾値は、好ましい態様としては、ｄ２／ｄ１が１．７以上、ｄ３／ｄ１が７．６以下であることであり、より好ましくはｄ２／ｄ１が２．０以上、ｄ３／ｄ１が６．６以下であることであり、更に好ましい態様は、ｄ２／ｄ１が２．３以上、ｄ３／ｄ１が６．１以下であることである。

図示の例では、ｄ２／ｄ１が２．３以上、ｄ３／ｄ１が６．１以下である閾値を設定した場合を代表的事例として説明している。

ｄ２／ｄ１が、２．３以上の範囲にある場合は、攪拌機の回転は測定時の状態を維持する。２．３以上の範囲にない場合には、攪拌機の回転を調整する（Ｓ１４）。具体的には、攪拌羽根の回転を停止するか又は回転数を減少させる。

次に、菌体濃度ｄ１と菌体濃度ｄ３の比（ｄ３／ｄ１）を算出し、その比が６．１以下の範囲にあるか否か判断する（Ｓ１５）。

６．１以下の範囲にある場合は、攪拌機の回転は測定時の状態を維持する。

６．１以下の範囲にない場合には、攪拌機の回転を調整する（Ｓ１４）。具体的には、攪拌羽根の回転を開始するか又は回転数を増加させる。

攪拌羽根の回転を調整した後は、再度ｄ１、ｄ２及びｄ３を測定する。

Ｓ１４における攪拌機の回転の制御は攪拌羽根の回転を停止するか又は回転数を減少させる場合と、攪拌羽根の回転を開始するか又は回転数を増加させる場合がある。

本態様において、ｄ２／ｄ１の比が１．７未満の場合には、攪拌が強すぎてアルコール発酵液が抜き取られる発酵槽上部にも菌体が多く存在し、流出しやすくなっている。

攪拌機１５の回転が停止した状態または、回転数が減少した状態にすると、菌体の沈降が進むので、菌体濃度ｄ１は菌体濃度ｄ２に対して小さくなり、ｄ２／ｄ１の値は大きくなる。

一方、７．６を超えている場合は出力部１６３から攪拌機１５に開始信号を送り、攪拌羽根の回転を開始するか又は回転数を増加させる。

本態様において、閾値の上限値を超えているときは、攪拌が弱すぎて菌体が必要以上に沈降し、層ゾーン（圧密ゾーン）が形成され始めていると考えられる。この状態は、アルコール原料と酵母の反応効率が悪くなっているということである。攪拌羽根の回転を開始した状態または回転数を増加させた状態にすると、攪拌によって菌体の沈降が解消されるので菌体濃度ｄ１が菌体濃度ｄ３に対して大きくなり、ｄ３／ｄ１の値は小さくなる。

回転調整の効果を確認する上では、回転調整を行った後の測定は、調整から１分以上、好ましくは３分以上間をおいて行うことが望ましい。

以上、本発明の好ましい態様を説明したが、本発明において、凝集沈殿性を有する酵母としては、上記ｄ２／ｄ１や上記ｄ３／ｄ１が上記のような値を示す沈降性を備えた酵母であれば構わないが、好ましくは、サッカロマイセス属セレビシエ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）ＡＭ１２菌株（ＡＭ１２菌）からなる酵母が用いられる。

ＡＭ１２菌は、工業技術院生物工業研究所微生物工業技術研究所（現：独立行政法人産業技術総合研究所特許生物寄託センター（ＩＰＯＤ））に、微工研受託番号第６７４９号として寄託されており、入手できる。

本発明は、発酵槽内の攪拌動力を調整し、凝集と混合のバランスを取って酵母菌体濃度が薄い部分と濃い部分を作り出すので、酵母菌体の発酵槽外への流出防止と、アルコール原料と酵母の効率的な接触の促進をはかることができる。

すなわち、発酵槽上部（薄い部分）から引き抜くアルコール発酵液に含まれる酵母菌体の濃度が１４ｇ（乾燥重量）／Ｌ未満、好ましくは１０ｇ（乾燥重量）／Ｌ未満、より好ましくは７ｇ（乾燥重量）／Ｌ未満であり、発酵槽の上下方向の中間部位（濃い部分）における酵母菌体の濃度が、３１〜３８ｇ（乾燥重量）／Ｌ、より好ましくは３２〜３７ｇ（乾燥重量）／Ｌ、更に好ましくは３３〜３６ｇ（乾燥重量）／Ｌとなる。

本発明において、発酵槽内のアルコール発酵液中の平均酵母菌体濃度は、２０〜３３ｇ（乾燥重量）／Ｌ、好ましくは２５〜３２ｇ（乾燥重量）／Ｌ、より好ましくは、２６〜３１ｇ（乾燥重量）／Ｌである。なお、ここで平均酵母菌体濃度とは、完全混合状態の時に測定される菌体濃度であり、発酵槽内の全酵母菌体量（乾燥重量：ｇ）を発酵槽内のアルコール発酵液量（Ｌ）で除した値に等しい。

本発明で用いるアルコール原料は、穀物由来の原料が好ましく、例えば米、麦、イモなどは糖濃度が高いので好ましい例として挙げられる。糖濃度としては、穀物原料の糖化反応効率の観点から、グルコース換算で１００〜３００ｇ／Ｌの範囲が好ましく、より好ましくは１５０〜２００ｇ／Ｌの範囲である。

希釈率（アルコール原料供給速度を培養体積で割った値）は好ましくは０．１〜０．３の範囲であり、より好ましくは０．１４〜０．１８の範囲である。

ＡＭ１２菌は、前述のように高いアルコール生産性を持つのでその能力を生かすには、発酵槽に供給するアルコール原料を増やし（希釈率を上げる）、次々とアルコールを生産すればよい。

しかし、希釈率を上げると、発酵槽の底部から供給されるアルコール原料によって起こる液流が、菌体を巻き上げ攪拌の作用をもたらし、菌体が流出してしまうことがある。

本発明の制御方法では、発酵槽内の状態を、ｄ２／ｄ１、ｄ３／ｄ１といった菌体濃度の比によって判断し、発酵槽内の攪拌機の回転を調整するので、こういった場合でも、菌体の流出を抑え、好適な菌体濃度分布になるようにすることができる。

本発明のアルコール生産方法によって発酵槽内の菌体量を多く維持することで、高負荷の連続アルコール生産にも対応できるようになり、結果としてアルコール生産性を上げることができる。

本発明において、発酵槽内に空気供給管（図１における符号１７）を設けることもできる。

空気量は酸素補給の意味で０．１〜０．２（ｖｖｍ）が好ましく、より好ましくは０．１２５〜０．１７（ｖｖｍ）の範囲である（ｖｖｍ：volume gas / (volume liquid / minute)）。酵母の菌体増殖を促す上では、アルコール発酵を阻害しない範囲で、できるだけ多くの空気を供給できることが好ましい。

発酵槽内の培養液の温度は、格別限定されないが、酵母の至適発酵温度の観点から、４０℃以下が好ましく、より好ましくは３０〜３５℃の範囲である。温度調節には、ヒーターおよび冷却器などの調節手段を採用できるが、格別限定されない。

ｐＨは、格別限定されないが、酵母の至適ｐＨの観点から、３〜７の範囲が好ましく、より好ましくは３．５〜５．０の範囲である。ｐＨ調整手法としては、ｐＨメータで計測したデータに基づきｐＨ調整剤を連続的に供給してｐＨを調整するｐＨ制御システムを採用することができる。

以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はかかる実施例によって限定されない。

実施例１
＜図１に示す発酵槽による連続発酵＞
ＡＭ１２菌を用いて、発酵槽にアルコール原料（グルコース）を供給すると共に、供給する原料と同じ速度で発酵液（培養液）を抜き出し、連続発酵を菌体リサイクルなしで行った。以下の実験では、発酵槽内に存在するＡＭ１２菌酵母菌体は、単に菌体ともいう。

発酵槽は、直径１２６ｍｍであり、発酵槽内の液量は、１０００ｍＬであり、発酵槽の底から液面までの高さ（Ｈ）は８５ｍｍである。

発酵槽の運転条件は、温度３０℃、ｐＨ５、アルコール原料中の糖濃度は、グルコース換算で２００ｇ／Ｌである。

＜実験１＞
本実験は、発酵槽内の攪拌を制御する際の制御因子である菌体濃度測定点Ａ、菌体濃度測定点Ｂ、菌体濃度測定点Ｃにおける各菌体濃度ｄ１、ｄ２、ｄ３と、槽内の攪拌機の回転数との関係を調べた。

菌体濃度測定点Ａは液面下１０ｍｍ（０．１１Ｈ）、菌体濃度測定点Ｂは、液面下５０ｍｍ（０．５８Ｈ）、菌体濃度測定点Ｃは液面下８０ｍｍ（０．９４Ｈ）に設定した。

攪拌機は攪拌羽根（４枚板羽根：攪拌翼の回転最大径６４ｍｍ、各羽の大きさは１５×１２ｍｍ）が液面から７７ｍｍ下方（０．９１Ｈ）に羽根の中心が位置するように設置し、回転数を変更可能なものを用いた。

その結果を図５に示す。

図５に示すように、運転開始の回転数は３００ｒｐｍに設定し、回転数を減少して行った。菌体濃度測定点Ａにおけるの菌体濃度は、２５０ｒｐｍで低下し始め、５０ｒｐｍでは菌体濃度６．２ｇ／Ｌ程度まで低下した。つまり５０ｒｐｍであれば、液面〜０．２Ｈの菌体濃度は極めて低く、菌体の流出の危険性がほとんど心配ないと言える。

菌体濃度測定点Ｂと菌体濃度測定点Ｃの菌体濃度は、回転数が５０ｒｐｍまで減少させてもほとんど低下しないことがわかった。５０ｒｐｍ以下になるとｄ２、ｄ３の菌体濃度は減少していくが、図５に示されている菌体濃度測定点Ｂと菌体濃度測定点Ｃの、菌体濃度の推移は大変似ていることが判った。

凝集と混合のバランスを取って酵母菌体濃度が薄い部分と濃い部分を作り出し、酵母菌体の発酵槽外への流出防止と、アルコール原料と酵母の効率的な接触を促すうえでは、ｄ２／ｄ１、ｄ３／ｄ１の値が大きく、かつ、アルコール原料と酵母の反応（接触）効率が悪い層ゾーンを形成せずにｄ２やｄ３の濃度が高くなっている（図５で菌体濃度を示す曲線がピークを示す）回転数の範囲が効率的と考え、３０ｒｐｍ〜１５０ｒｐｍにおける濃度比を求めた。

３０ｒｐｍ、４０ｒｐｍ、５０ｒｐｍ、１００ｒｐｍ、１２０ｒｐｍ、１５０ｒｐｍにおける、ｄ２／ｄ１の値は、それぞれ６．６、６．０、５．６、２．３、２．０、１．７であった。

また、３０ｒｐｍ、４０ｒｐｍ、５０ｒｐｍ、１００ｒｐｍ、１２０ｒｐｍ、１５０ｒｐｍにおける、ｄ３／ｄ１の値は、それぞれ７．６、６．６、６．１、２．４、２．２、１．８であった。

上記より、ｄ２／ｄ１の最小値は、１．７であり、ｄ３／ｄ１の最大値は７．６である。

本発明では、上記の知見より、攪拌機の制御因子の閾値として、ｄ２／ｄ１＝１．７、ｄ３／ｄ１＝７．６を採用した。

＜実験２＞
この実験は、ｄ２／ｄ１＝２．３、ｄ３／ｄ１＝６．１を閾値として、攪拌機の回転数の制御を行い、エタノール生産性に与える影響について調べた。

実験１と同じ発酵槽を用いて、糖濃度が２００ｇ／Ｌ（グルコース換算）のアルコール原料を供給し、エタノールの連続生産を行った。

なお、菌体濃度測定点の位置は実験１と同じである。

図６は発酵槽内の平均酵母菌体濃度、及び抜き取られたアルコール発酵液中のグルコース濃度、エタノール濃度を示すグラフ、図７はエタノール生産性と希釈率を示すグラフ、図８は攪拌の回転数と通気流量を示すグラフである。

エタノール生産性を上げるため、菌体の増殖にあわせて、希釈率Ｄは、連続生産開始から２２日目までは０．１、２２〜３３日目までは０．１４、３３〜５０日目は０．１８と上げたが、希釈率を０．１８にした３３日目で、平均酵母菌体濃度（図６の四角印）が２０ｇ／Ｌを下回る量まで減少している。

これは、希釈率が０．１８になったことによって、連続生産開始時の攪拌機の回転数１５０ｒｐｍでは、攪拌が強くなりすぎて菌体が上層に舞い上がり流出したためである。

さらに、エタノール濃度（図６の三角印）が低下し、グルコース濃度（図６の丸印；エタノールに変換されなかったアルコール原料）が上昇して、エタノール生産性が悪くなった。

ここで、本発明を用いて、回転数の調整を４０日目から行った。

ｄ２／ｄ１＝２．３未満だったので、回転数を減少させる制御を行ったところ、４１日目には平均酵母菌体濃度が３０ｇ／Ｌ以上になった。その結果、攪拌制御前のエタノール実濃度平均値は７５．２ｇ／Ｌであったが、攪拌制御後は９３．９ｇ／Ｌと上昇し、エタノール生産性も向上した（表１）。また、回転数を減少させて運転を続けることによりｄ３／ｄ１の値が上昇し、６．１を超えたときには、回転数を増加させる制御を行った。

なお、本実施例の発酵槽は円筒状であることから、０．１１Ｈの深さ地点にある菌体濃度測定点Ａは液面〜０．４Ｖ（Ｖは発酵液の体積）までの深さ領域（ａ）にあり、０．５８Ｈの深さ地点にある菌体濃度測定点Ｂは０．２Ｖ〜液面から０．８Ｖまでの深さ領域（ｂ）にあり、０．９１Ｈの深さ地点にある菌体濃度測定点Ｃは液面から０．６Ｖ〜液面から０．９５Ｖまでの深さ領域（ｃ）にある。

本発明に使用できる発酵槽の一例を示す概略図本発明の制御の一例を示すフローチャート制御部の概略図本発明に用いることができる発酵槽の形状の他の例を示す図攪拌機の回転数と菌体濃度の関係を示すグラフ酵母菌体濃度とグルコース濃度、エタノール濃度を示すエタノール生産性と希釈率を示すグラフ攪拌機の回転数と通気流量を示すグラフ

符号の説明

１：発酵槽
１０：原料供給口
１１：排出口
１２：菌体濃度測定点Ａにおける菌体濃度を測定する濃度計
１３：菌体濃度測定点Ｂにおける菌体濃度を測定する濃度計
１４：菌体濃度測定点Ｃにおける菌体濃度を測定する濃度計
１５：攪拌機
１５Ａ：攪拌機用モータ
１５Ｂ：攪拌羽根
１６：制御部
１６０：入力部
１６１：記憶部
１６２：判断手段
１６３：出力部
１７：空気供給管

Claims

発酵槽内に凝集沈殿性を有する酵母を存在させ、発酵槽にアルコール原料を供給してアルコール発酵を行う際に、発酵槽下方に強制的な液流を発生させてアルコールを生産するアルコール連続生産方法であって、
該発酵槽内のアルコール発酵液の上下方向の異なる位置で菌体濃度ｄ１と菌体濃度ｄ２と菌体濃度ｄ３を各々測定し、該菌体濃度ｄ１と前記菌体濃度ｄ２の比（ｄ２／ｄ１）が１．７以上であり、かつ前記菌体濃度ｄ１と前記菌体濃度ｄ３の比（ｄ３／ｄ１）が７．６以下となるように発酵槽下方の液流を制御することを特徴とする高濃度アルコール連続生産方法。
前記発酵槽内のアルコール発酵液の上下方向の異なる位置で菌体濃度ｄ１と菌体濃度ｄ２と菌体濃度ｄ３を各々測定し、該菌体濃度ｄ１と前記菌体濃度ｄ２の比（ｄ２／ｄ１）が２．０以上であり、かつ前記菌体濃度ｄ１と前記菌体濃度ｄ３の比（ｄ３／ｄ１）が６．６以下となるように発酵槽下方の液流を制御することを特徴とする請求項１記載の高濃度アルコール連続生産方法。
前記発酵槽内のアルコール発酵液の上下方向の異なる位置で菌体濃度ｄ１と菌体濃度ｄ２と菌体濃度ｄ３を各々測定し、該菌体濃度ｄ１と前記菌体濃度ｄ２の比（ｄ２／ｄ１）が２．３以上であり、かつ前記菌体濃度ｄ１と前記菌体濃度ｄ３の比（ｄ３／ｄ１）が６．１以下となるように発酵槽下方の液流を制御することを特徴とする請求項１記載の高濃度アルコール連続生産方法。
前記凝集沈殿性を有する酵母が、サッカロマイセス属セレビシエ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）ＡＭ１２菌株であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の高濃度アルコール連続生産方法。
前記発酵槽内の平均酵母菌体濃度が、２０〜３３ｇ（乾燥重量）／Ｌであることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の高濃度アルコール連続生産方法。
前記発酵槽下方に液流を強制的に発生させる手段が、主として攪拌機の回転によるものであり、前記菌体濃度ｄ１と前記菌体濃度ｄ２の比（ｄ２／ｄ１）が１．７未満の場合には該発酵槽内の攪拌機の回転を停止するか又は回転数を減少し、かつ前記菌体濃度ｄ１と前記菌体濃度ｄ３の比（ｄ３／ｄ１）が７．６を越えたら攪拌機の回転を開始するか又は回転数を増加するように攪拌機の回転を制御することを特徴とする請求項１、４又は５記載の高濃度アルコール連続生産方法。
菌体濃度の測定を、濁度計によって行うことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の高濃度アルコール連続生産方法。