JP2010523142A

JP2010523142A - ビール発酵副産物を用いたバイオエタノールの製造方法

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Publication number: JP2010523142A
Application number: JP2010502918A
Authority: JP
Inventors: ジュンウォンパク; スンヨンリ
Original assignee: ビ−アイピ−エルカンパニ− リミテッド; ジュンウォンパク; スンヨンリ
Priority date: 2007-04-09
Filing date: 2007-05-04
Publication date: 2010-07-15
Also published as: KR20070077476A; EP2148914A1; WO2008123637A1; KR100866032B1; CN101410498A

Abstract

【課題】ビール発酵廃酵母液からエタノールを製造する方法を提供する。
【解決手段】５〜１２％程度エタノールが含まれているビール発酵廃酵母液から分別蒸溜を通じてエタノールのみを抽出する。好ましくは、その次にエタノールを抽出したビール発酵廃酵母液を培養液として発酵過程を経てセルロースを生成させた後、この生成物質を加水分解と発酵過程を経てエタノールに転換させる。また、ビール発酵廃酵母液にバイオマスを投入してエタノールを製造する。

Description

本発明は、ビール発酵廃酵母液、麦芽殻などのビール発酵副産物からバイオエタノールを製造する方法に関する。具体的には、本発明は、５〜１２％程度のエタノールが含まれているビール発酵廃酵母液から分別蒸溜を通じてエタノールのみ抽出する方法に関する。好ましくは、その次にエタノールを抽出したビール発酵廃酵母液を培養液として発酵過程を経てセルロースを生成させた後、この生成物質を加水分解と発酵過程を経てエタノールに転換させる方法に関する。

原油高とエネルギー安保、温室ガス規制強化を背景に代替エネルギーの開発が世界的イシューとして浮上する中、世界的に次世代燃料としてバイオエタノールの普及が急速に進んでいる。米国のブッシュ政権は、２０１７年までに石油消費を２０％減らす代わり、バイオエタノールなどの代替エネルギーの利用を拡大すると宣言し、日本、中国、アセアン国家もバイオエタノールの生産拡大政策を推進中である。

バイオエタノールは、サトウキビ、トウモロコシなどの植物から抽出した燃料で、ガソリンと混合したり単独で自動車燃料として投入され、バイオディーゼルとともに代表的な再生資源エネルギーとして脚光を浴びている。バイオエタノールは原油の輸入に対する依存度を下げるのはもちろん、エタノール燃焼時に発生する二酸化炭素は、京都議定書で規定した温室ガス計算で例外の適用を受け、温室ガス削減効果も上げることができる。また補給に別途のインフラ（充填所等）の構築が必要な他の清浄燃料とは異なり、既存のインフラ（ガソリンスタンド）で補給が可能で、早期商用化が容易である。このようにバイオエタノールに対する需要と関心が高まるに伴って、バイオエタノールの生産量も少しずつ増加している趨勢である。

しかし、バイオエタノールが代替エネルギーに浮上しながら、原料になるトウモロコシ、サトウキビ、小麦などに対する需要が急増し、穀物価格急騰の一因になっている。ブルームバーグがブラジル、米国、カナダのエタノールメーカーを対象に実施した調査によると、稼動中のエタノール施設は２００６年１１月現在、３カ国合計４４８ヶ所の施設があり、生産量は１００億３，４５０万ガロンである。このうちブラジルには、生産量全体の３９．４％に該当するエタノール施設があり、原料は全量サトウキビである。一方、同５８．８％を占める米国では、原料の９９．７％がトウモロコシである。カナダも生産量占有率は１．７％と低いが、原料は全てトウモロコシを用いる。

米国のエタノール業界団体である再生可能燃料協会（ＲＦＡ）によると、米国では現在４８ヶ所のエタノール施設が建設中で、７ヶ所の施設は拡張工事を進めている。これにより、２００７年には米国内のエタノール生産能力が約６９億ガロンに増える見通しであるが、これをトウモロコシに換算すれば約２４億８，０００万ブッシェル（１ブッシェルは２５．４ｋｇ）で、米国全体の２００６／０７年度の予想生産量の約２３％に該当する。米国では今後もエタノール製造の原料として競争力のある農産物であるトウモロコシの利用が拡大する見通しであり、バイオ燃料の生産拡大はトウモロコシ需要の増大につながる見通しである。また、このようなトウモロコシ需要の増大は、畜産?養鶏農家及び穀物を原材料として用いる食品企業などの原価上昇要因として作用し、結果的に食品、畜産品全般の消費者価格の上昇をもたらすことになると予想される。

従って、このような石油資源の代替エネルギー資源としてのバイオエタノールを生産しながらも、穀物価格の急騰という副作用を誘発しないためには、バイオエタノールの原料を既存のトウモロコシやサトウキビのような穀物資源ではなく、他の資源に多様化する必要性が切実に要求される。

一方、これまでビールを発酵させた後、ビール発酵廃酵母液は一般に廃棄物として分類して廃棄処理するのが一般的だった。しかし、このように廃棄処理するには、追加の費用と環境汚染の問題を誘発することがある。

本発明の目的は、前記のような問題を解決しながらエタノールを容易に生産する方法を提供することである。

本発明の一態様によると、トウモロコシやサトウキビのような穀物資源ではなく、ビール製造後に発生するビール発酵廃酵母液からバイオエタノールを製造する方法を提供する。即ち、ビール発酵過程中にはビール発酵酵母廃液、麦芽殻などの様々な副産物が発生するが、これまではこのような副産物は廃棄物として処理したので、付加的な費用発生と環境破壊のおそれがあった。

本発明の一態様では、ビール発酵廃酵母液または前記ビール発酵廃酵母液を蒸留してエタノールを抽出し、エタノールを製造する。さらに、前記エタノールを抽出した後に残ったビール発酵廃酵母液は、微生物が必要とする栄養分を依然として有しているため、セルロース生成菌株を接種してセルロースを生成させ、生成されたセルロースから従来公知となった方法によってエタノールを製造できる。

本発明の他の態様によると、従来トウモロコシ、サトウキビなどのバイオマスからエタノールを製造する過程において、前記ビール発酵廃酵母液を発酵菌株として用いることができる。従来バイオマスを加水分解して単糖類を生成し、これから酵母を用いてエタノールを製造する場合、製造原価の約２０％が酵母の費用であったが、本発明でのようにビール発酵廃酵母液を発酵菌株として用いれば、このような費用も減らし、ビール発酵廃酵母液を廃棄物として処理する問題も解決できるメリットがある。

本発明の他の態様によると、バイオマスからエタノールを製造する過程で前記副産物である麦芽殻をバイオマスとして用いることができる。ビールの製造過程で麦芽殻は相当量発生し、これを廃棄物の形態で処理するよりはエネルギー源として用いるメリットがある。麦芽殻にはセルロースなどの成分が含まれているので、これを分解してエタノール製造の原料として用いることができる。

従来のトウモロコシやサトウキビのような穀物資源ではなく、ビール製造後に発生するビール発酵廃酵母液や麦芽殻を用いてバイオエタノールを製造するので、食糧資源価格の上昇及び耕作地投機と山林毀損などの問題を誘発せず、従来問題となったビール製造過程で発生する様々な廃棄物処理問題を解決できるメリットがある。

以下、本発明の実施形態について具体的に説明するが、本発明がこれらに限定されるわけではない。

本発明は、ガンマ線を照射して滅菌させたビール発酵酵母液から高濃度エタノールを製造する方法に関する。

ビール発酵酵母は、使用回数によって酵母の状態と発酵液の成分が変わるため、フィルタリング工程を通じて酵母及び原料の残留物を除去し、ビールを大量生産するビール工場では普通４回程度用いて廃棄しており、小規模に店内で自前のビール製造設備を備え、麦芽、ホップ、酵母などの原料と固有の製造方法でビールを直接生産して販売する地ビール専門店では、ビールの発酵度に応じて酵母を交換したり、さらに添加する。

まず、ビール発酵廃酵母液の組成を調べるために、元素分析機（ＥＡ１１０８ＣＨＮＳ−Ｏ，Ｆｉｓｏｎｓ）でＣ，Ｈ，Ｎ，Ｓ及びＯの成分を調べた。

表１に記載した通り、ビール発酵廃酵母液の成分としてはＣとＯが約８０％を占めているが、ビール発酵廃酵母液にはＳが微量に含まれている。乾燥重量を比較してみると、４回用いた後のビール発酵廃酵母液と７回用いた後のビール発酵廃酵母液には、成分上かなりの差があることが分かる。これはビール発酵酵母の使用回数が増加するほど、ビール発酵廃酵母液の成分比と乾燥重量が変わるということである。また、Ｃ，Ｈ，Ｎ，Ｓ，Ｏ以外にＮａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｐなどの元素が微量に含まれていることをＩＣＰ−原子放出分光器(ＪＹ３８Ｐｌｕｓ，Ｊｏｂｉｎ−Ｙｖｏｎ）を通じて確認した。

また、本発明に重要なビール発酵廃酵母液に含まれているエタノールと酢酸の濃度を求めて表２に示した。

表２を見ると、本発明で用いたビール発酵廃酵母液のエタノール及び酢酸の濃度も使用回数と種類に応じて異なって示された。４回用いたビール発酵廃酵母液にはエタノールが約４．５８％含まれており、酢酸は含まれていなかったが、７回用いたビール発酵廃酵母液はエタノール及び酢酸濃度がそれぞれ約１２．４２％と約１３．８２％で最も高く、ハウスビール専門店のビール発酵廃酵母液にはエタノール及び酢酸濃度がそれぞれ約５．４２％と約０．１１％含まれていた。

続いて、バイオエタノールを抽出したビール発酵廃酵母液からリグニンやヘミセルロースが含まれていない純粋なセルロースとして生成させた後、発酵過程を経てバイオエタノールを製造する過程について説明する。

ビール発酵廃酵母液から純粋なセルロースを生産できる微生物としては、アセトバクター（Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒ）属、アグロバクテリウム（Ａｇｒｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ）属、リゾビウム（Ｒｈｉｚｏｂｉｕｍ）属、シュードモナス（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ）属、サルシナ（Ｓａｒｃｉｎａ）属などが報告されている。このうち、アセトバクター属は、真核生物で発見される細胞壁高分子（ｃｅｌｌｗａｌｌｐｏｌｙｍｅｒ）ではなく、細胞外繊維素（ｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒｆｉｂｒｉｌ）として分泌されるセルロースを大量に生産でき、多くの研究がなされている。

また、微生物セルロースを生産するためには、静置培養よりも攪拌培養が経済的であるが、一般に微生物セルロース生産菌株は振盪または攪拌培養を実施する場合、培養器内で発生する剪断応力によってセルロースを生産できない突然変異株が発生し、この突然変異株は微生物セルロース生産菌株より増殖速度が速いため、連続的な通気攪拌培養では生産株が淘汰されて非生産株が培養の主体となる問題（Ｖａｌｌａ，Ｓ．ａｎｄＫｊｏｓｂａｋｋｅｎ，Ｊ．，Ｊ．ＧｅｎｅｒａｌＭｉｃｒｏｂ．１２８：１４０１−８，１９８１）により、従来は生産性が非常に低いが長い培養時間と多くの労働力を必要とする静置培養を用いて微生物セルロースを生産した。

従って、攪拌培養条件でも前述した変異株が発生しなかったり、発生頻度を減少させることができる培養条件の開発及び微生物セルロースの生産原価を節減させることができる培地代替物質の開発が切実に必要な実情である。

一方、ペプトン、酵母抽出物、ブドウ糖、クエン酸、エタノールなどを含む培地でアセトバクターキシリナムを攪拌培養して微生物セルロースを生産する方法が知られているが、これはセルロース生産培地として高価なペプトン、酵母抽出物などを用いて経済性が低い短所がある（大韓民国特許公開１９９８−０６７００９）。

これに対して本発明者は、以前の出願でエタノールに変換できるセルロースを剪断応力のある培養条件でもセルロースを生産できない突然変異株の発生なしに微生物セルロースを経済的に生産し、バイオエタノールを高収率で生産できる方法を開発した（大韓民国特許公開１０−２００５−００２２５９１）。

このような方法を用いて本発明の一実施例に係るビール発酵廃酵母液からセルロースを生産し、これを加水分解して糖を生成した後にエタノールを発酵製造する方法を下記実施例２に記載している。

続いて、現在バイオエタノールの主原料になっているトウモロコシ、サトウキビなどのバイオマスを加工した後、発酵菌株としてビール発酵廃酵母液を用いてバイオエタノールを製造する方法について説明する。一般に、これら物質は次のような３種類の主成分、即ちセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを約４：３：３の比率で含有する。しかし、このような比率は大略値であり、例えば軟質木材は約４２：２５：２８の比率に、またトウモロコシの芯は約４０：３６：１３の比率になり、それ以外に追加された糖である当日の糖類約８％を含有する一方、市で捨てるゴミは約７５−９０％のセルロースを含有する。このうち、セルロースとヘミセルロースはエタノールへの転換が可能である。まずこれら原料を脱リグニン化工程を通じてリグニンとセルロース、ヘミセルロースを分離させる。

分離されたセルロースは、前記のビール発酵廃酵母液から生成されたセルロースを加水分解してエタノールを生成させる方法と同一の方式で、エタノールに生成させる。

次に、ヘミセルロースはＤ−グルコース、Ｄ−マンノース、Ｄ−ガラクトース、Ｄ−キシロース、Ｌ−アラビノース及びウロン酸などの重合体であり、構成成分によってＤ−ガラクタン、Ｄ−マンナン、Ｄ−キシラン等に分類される。しかし、これらは普通同質のグリカンとして存在するのではなく、多様な糖を含有するヘテログリカンとして存在する。また、ヘミセルロースは主に植物体の細胞壁の中間ラメラ層に分布しており、セルロースとリグニンと密接に結合している。ヘミセルロースの形態や量は、植物体、組織の形態、生育の状態と環境、生理条件、貯蔵抽出方法などによって非常に多様であるため、ヘミセルロースの典型的な糖組成比を得ることは難しい。一般に最も豊富に存在するヘミセルロースの形態は、Ｄ−キシロース骨格に側鎖としてＬ−アラビノースを有するものである。一年生植物や落葉樹においては、キシランがヘミセルロースの最も大きな比重を占めるが、植物体によって多少の差がある。一般に広葉樹のキシラン含量（１１−２５％）は、針葉樹（３−８％）の場合より高い。農業副産物の支配的なヘミセルロース性炭水化物はＤ−キシロースであり、トウモロコシ副産物のキシラン含量は１７−３１％である（Ｆｅｎｇｅｌ，Ｄ．ａｎｄＷｅｇｎｅｒＧ．１９８４．Ｗｏｏｄｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｕｌｔｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｒｅａｃｔｉｏｎｓＢｅｒｌｉｎ，ＷａｌｔｅｒｄｅＧｒｕｙｔｅｒＣｏ．，Ｂｅｒｌｉｎ，ｐ１０６）。

下記実施例３では、バイオマスからヘミセルロースを分離し、これからエタノールを製造する方法を記載する。

一般にセルロースからのエタノールの発酵はよく知られている（Ｗｉｌｋｅ，Ｃ．Ｒ．ａｎｄＢｌａｃｈ，Ｈ．Ｗ．１９７９．ＬａｗｅｎｃｅＢｅｒｋｅｌｅｙＬａｂ．，Ｕｎｉｖ．ｏｆＣａｌｉｆｏｒｎｉａ，Ｂｅｒｋｅｙ，Ｃａ．ＬｂＬ−９９０９）。

（実施例１）
実施例１は、エタノールの含量が最も多い７回使用後に廃棄されるビール発酵廃酵母液を用いてバイオエタノールを抽出した例である。

７回使用されたビール発酵廃酵母液は、前記表２で見られるように、１２．４２％のエタノールと１３．８２％の酢酸を含有している。

前記７回使用後に廃棄されるビール発酵廃酵母液（ハイトビール馬山工場）１Ｌを常圧式蒸留方式で抽出した。

その結果、約１２０ｍｌのバイオエタノールと約１３５ｍｌの酢酸を得た。

（実施例２）
ビール発酵廃酵母液を４０００ｒｐｍで遠心分離した後、上澄液を採取し、２５０ｍｌ三角フラスコに５０ｍｌの上澄液を入れて１２１℃で１５分間滅菌した。ここに微生物セルロース生産菌株であるグルコンアセトバクターハンセニイＰＪＫ菌株を接種し、振盪培養器において３０℃で２００ｒｐｍの速度で回転させながら、１日間、前培養した。その後、前培養溶液の上澄液を２５０ｍｌ三角フラスコに１％（ｖ／ｖ）エタノールが含まれた新たな培地溶液５０ｍｌに５％（ｖ／ｖ）接種し、３０℃で２００ｒｐｍの速度で回転させながら、５日間、振盪培養した。培養後に培養液を回収し、４０００ｒｐｍで２０分間、遠心分離した。その後、上澄液を除去して蒸溜水洗浄及び前記方法のように遠心分離過程を２回経て、零下５０℃で凍結させて菌体が含まれた微生物セルロースの乾燥重量を求めた。その後、菌体が含まれたセルロースに２０ｍｌの０．３Ｎ水酸化ナトリウム溶液を添加し、５分間煮ることによって菌体を全て溶解させた。細胞が除去された純粋微生物セルロースは、中性になるまで十分に洗浄した後、再度凍結乾燥して乾燥重量を測定した。菌体が含まれた微生物セルロースの乾燥重量と、純粋微生物セルロースの乾燥重量の差で菌体の乾燥重量を測定した。測定結果、培地での菌体及び微生物セルロースの乾燥重量は、それぞれ３．１３ｇ／Ｌ及び２．５ｇ／Ｌを示した。

このように生成されたセルロースを、１％塩酸溶液と１％水酸化ナトリウム（中和用）を用いて試料粉末１ｇにそれぞれの抽出溶媒１５ｍｌを添加した後、１００℃で１時間、加水分解して糖分に転換させた。

続いて、ビール発酵廃酵母液（ハイトビール馬山工場）を前記加水分解された糖に添加し、常温で密閉された状態で１０日間発酵してエタノール約２ｍｌを生成させた。

（実施例３）
代表的なエタノール原料であるトウモロコシ１ｍ３を粉砕して水に混合しながらｐＨを調節し、熱を加えて１００℃で１時間程度、加水分解させた後、温度を６０℃程度に下げながら、糖化酵素であるアミログルコシダーゼを添加して糖化させる。一定の糖化過程を経た原料にビール発酵廃酵母液（ハイトビール（株）馬山工場から入手）を接種し、常温で発酵させてエタノール３５０ｍｌを得た。

（実施例４）
まず、麦芽殻１ｋｇを１００ｍｅｓｈまで磨砕した後、約９０〜１００℃で約５０分間、１％硫酸で加水分解する。この懸濁液を冷却後にろ過、洗浄、圧搾段階を経た後、乾燥する。乾燥は、溶媒化段階で用いられる硫酸が薄まることを防止するのに必要である。残留酸を含有したろ液は石灰で中和させた。中和した溶液にビール発酵廃酵母液を添加し、常温密閉された状態で１０日間発酵させてエタノール９２ｍｌを生成した。

本発明は、従来のトウモロコシやサトウキビのような穀物資源ではなく、ビール製造後に発生するビール発酵廃酵母液や麦芽殻を用いてバイオエタノールを製造する方法なので、食糧資源価格の上昇及び耕作地投機と山林毀損などの問題を誘発せず、従来問題となったビール製造過程で発生する様々な廃棄物処理問題を解決できるメリットがある。

Claims

ビール発酵過程中に発生する副産物からエタノールを生産することを特徴とするバイオエタノールの製造方法。
前記副産物はビール発酵廃酵母液であり、前記ビール発酵廃酵母液を蒸留してエタノールを抽出する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載のバイオエタノールの製造方法。
前記エタノールを抽出した後、残ったビール発酵廃酵母液にセルロース生成菌株を接種してセルロースを生成させる段階と、
前記セルロースからエタノールを製造する段階と、を含むことを特徴とする請求項２に記載のバイオエタノールの製造方法。
バイオマスからエタノールを製造する過程において、前記副産物であるビール発酵廃酵母液を発酵菌株として用いることを特徴とする請求項１に記載のバイオエタノールの製造方法。
前記バイオマスは、トウモロコシ及びサトウキビからなる群より選択されることを特徴とする請求項４に記載のバイオエタノールの製造方法。
バイオマスからエタノールを製造する過程において、前記副産物である麦芽殻をバイオマスとして用いることを特徴とする請求項１に記載のバイオエタノールの製造方法。