JP2011211973A

JP2011211973A - バイオエタノールの製造方法

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Publication number: JP2011211973A
Application number: JP2010083876A
Authority: JP
Inventors: Noriko Kira; 典子吉良; Shunsuke Hayashi; 俊介林; Shinsuke Masunari; 伸介増成; Kenichi Nakamori; 研一中森; Shigeo Tomiyama; 茂男冨山; Yutaka Sera; 豊世良
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-27

Abstract

【課題】バイオマス資源からエタノールを生産する工程において、原料中の異物除去後、水分調整をする際に不要となる液相部を有効に利用する、廃棄物由来バイオマス原料の高濃度化を達成することができるバイオエタノールの製造方法の提供。
【解決手段】紙類および生ごみを含む廃棄物を希釈水に懸濁させるとともに、懸濁液の異物除去処理を行う前処理部と、廃棄物の懸濁液を脱水して、高濃度化されたバイオマス原料と排出用水とを生成する水分調整部とを具備し、高濃度化されたバイオマス原料に、酵素およびエタノール発酵を行う微生物を添加して同時糖化発酵するか、または高濃度化されたバイオマス原料に酵素を添加して液化した後、液化高濃度バイオマス原料に微生物を添加して糖化発酵してバイオエタノールを生成し、上記前処理部および水分調整部において微細化された廃棄物原料を含む排出用水（液相部）を前処理部の廃棄物懸濁用希釈水に再利用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオマス資源からエタノールを生産する工程において、原料中の異物除去後、水分調整をする際に不要となる液相部を有効に利用、かつ原料中の未反応部分を最大限に利用することができて、廃棄物由来バイオマス原料の高濃度化を達成することができる工業的に有効なバイオエタノールの製造方法に関するものである。

近年、注目されているバイオ燃料のうち、バイオエタノールは、ブラジル、アメリカをはじめ各国で製造され、自動車の燃料として利用が進んでいる。しかし、トウモロコシ、サトウキビなどを原料としているため、食糧との競合が問題となっている。この問題を解決するためにセルロース系の原料や廃棄物からのバイオエタノール製造に関する研究が近年盛んに行われているが、原料の収集、前処理等のコストが高いことから実機への適用が遅れているのが現状である。

ところで、日本国内では、アメリカ、ブラジルのようにトウモロコシやサトウキビといった農作物を原料とすることは農地の規模から不可能である。国内では利用可能なセルロース系のバイオ原料としては廃棄物である廃木材、稲わら、竹等があるが、廃棄場所が点在しており、まとまった量を低価格で確保する技術が確立されていない。またこれらのセルロース系原料を糖化し発酵させる技術に関しても、低コストで実現可能な技術の開発はいまだ確立されていない。

下記の特許文献１には、紙類を含む廃棄物から繊維化された紙類を含むスラリーをろ過して、繊維化された紙類を含む残査を得、ろ過工程で生じたろ液を排水処理し、再利用する方法が提案されている。

特開２００９−９６８１８号公報

しかしながら、廃棄物（ごみ）をバイオマス原料として用いる場合、異物をあらかじめ除去する必要がある。このような廃棄物を原料とした場合、原料となるのは生ごみ、紙類であり、ビニルやプラスチック、あるいは金属類は後工程のエタノール発酵の反応効率を上げるために除去が必要である。これらビニル類等の異物を除去するためには、水で懸濁、撹拌、解離後、異物除去を行うことが必要である。機械撹拌を可能にするために大量の水が必要であり、コスト高になるという問題があった。

そして、異物除去後の廃棄物よりなるバイオマス原料については、原料濃度が低い場合は、固液分離を行い、水分調整後、エタノール発酵等の原料として利用される。ろ液は排水処理等を行った後、循環利用されるが、従来は、撹拌により細かくなりすぎたバイオマス原料となる生ごみ、紙類の回収・利用はされていなかった。また、排水処理を行うためのコストもかかるという問題があった。

本発明の目的は、上記の従来技術の問題を解決し、廃棄物である紙、生ごみなどのバイオマス原料からエタノールを生産する方法において、原料に不適な異物を除去する際に用いる大量の水を循環利用することによって水の使用量を減らし、コストダウンすることが可能であり、また、循環水中には細かくなりすぎた原料が懸濁するが、それらを廃棄することなく、エタノールに変換するあるいはまた発酵用の酵母の培養液として用いることによって、原料を最大限に有効に利用することができて、生産性を上昇させることができるバイオエタノールの製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記の点に鑑み鋭意研究を重ねた結果、廃棄物である紙、生ごみなどのバイオマス原料からエタノールを生産する方法において、原料に不適な異物を除去する前処理部と水分調整部をもち、酵素と微生物による同時糖化発酵あるいは液化後同時糖化発酵を行うことを特徴とし、水分調整部で不要となった液相部を前処理部に戻すことにより、使用する水を有効利用することができるとともに、水に懸濁後に細かくなりすぎた原料も、エタノール発酵に有効に利用することができることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。

上記の目的を達成するために、請求項１のバイオエタノールの製造方法の発明は、紙類および生ごみを含む廃棄物を希釈水に懸濁させるとともに、懸濁液の異物除去処理を行う前処理部と、廃棄物の懸濁液を脱水して、高濃度化されたバイオマス原料と排出用水（液相部）とを生成する水分調整部とを具備し、高濃度化されたバイオマス原料に、酵素および微生物を添加して同時糖化発酵するか、または高濃度化されたバイオマス原料に酵素を添加して液化した後、液化高濃度バイオマス原料に、微生物を添加して糖化発酵して、バイオエタノールを生成し、上記前処理部および水分調整部において微細化された廃棄物原料を含む排出用水（液相部）を、前処理部の廃棄物懸濁用希釈水に再利用することを特徴としている。

請求項２の発明は、請求項１に記載のバイオエタノールの製造方法であって、前処理部および水分調整部において微細化された廃棄物原料を含む排出用水（液相部）を、糖化発酵によりバイオエタノールを生成する微生物の前培養の培養液に利用することを特徴としている。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載のバイオエタノールの製造方法であって、前処理部および水分調整部において微細化された廃棄物原料を含む排出用水（液相部）に酵素を添加した排出用水（液相部）を、糖化発酵によりバイオエタノールを生成する微生物の前培養の培養液に利用することを特徴としている。

請求項４の発明は、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載のバイオエタノールの製造方法であって、前処理部および水分調整部において微細化された廃棄物原料を含む排出用水（液相部）を、糖化発酵の際の水分調整に利用することを特徴としている。

請求項１のバイオエタノールの製造方法の発明は、紙類および生ごみを含む廃棄物を希釈水に懸濁させるとともに、懸濁液の異物除去処理を行う前処理部と、廃棄物の懸濁液を脱水して、高濃度化されたバイオマス原料と排出用水（液相部）とを生成する水分調整部とを具備し、高濃度化されたバイオマス原料に、酵素および微生物を添加して同時糖化発酵するか、または高濃度化されたバイオマス原料に酵素を添加して液化した後、液化高濃度バイオマス原料に、微生物を添加して糖化発酵して、バイオエタノールを生成し、上記前処理部および水分調整部において微細化された廃棄物原料を含む排出用水（液相部）を、前処理部の廃棄物懸濁用希釈水に再利用するもので、請求項１に記載の発明によれば、廃棄物である紙、生ごみなどのバイオマス原料から、不適な異物を除去する際に用いる大量の水を循環利用することによって水の使用量を減らし、コストダウンすることが可能であり、また、循環水中には細かくなりすぎた原料が懸濁するが、それらを廃棄することなく、エタノールに変換することによって、原料を最大限に有効に利用することができて、生産性を上昇させることができるという効果を奏する。

請求項２の発明は、請求項１に記載のバイオエタノールの製造方法であって、前処理部および水分調整部において微細化された廃棄物原料を含む排出用水（液相部）を、糖化発酵によりバイオエタノールを生成する微生物の前培養の培養液に利用するもので、請求項２に記載の発明によれば、循環水中には細かくなりすぎた原料が懸濁するが、それらを廃棄することなく、糖化発酵によりバイオエタノールを生成する微生物のための前培養の培養液に利用することによって、原料を最大限に有効に利用することができて、生産性を上昇させることができるという効果を奏する。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載のバイオエタノールの製造方法であって、前処理部および水分調整部において微細化された廃棄物原料を含む排出用水（液相部）に酵素を添加した排出用水（液相部）を、糖化発酵によりバイオエタノールを生成する微生物のための前培養の培養液に利用するもので、請求項３に記載の発明によれば、循環水中には細かくなりすぎた原料が懸濁するが、それらを廃棄することなく、糖化発酵によりバイオエタノールを生成する微生物の前培養液に利用することによって、原料を最大限に有効に利用することができて、生産性を上昇させることができるという効果を奏する。

請求項４の発明は、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載のバイオエタノールの製造方法であって、前処理部および水分調整部において微細化された廃棄物原料を含む排出用水（液相部）を、糖化発酵の際の水分調整に利用するもので、請求項４に記載の発明によれば、循環水中には細かくなりすぎた原料が懸濁するが、それらを廃棄することなく、糖化発酵の際の水分調整に利用することによって、原料を最大限に有効に利用することができて、生産性を上昇させることができるという効果を奏する。

本発明のバイオエタノールの製造方法の実施の形態を示すブロック図である。

つぎに、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１は、本発明によるバイオエタノールの製造方法の実施の形態を示すブロック図である。

同図を参照すると、本発明によるバイオエタノールの製造方法は、紙類および生ごみを含む廃棄物を希釈水に懸濁させるとともに、懸濁液の異物除去処理を行う前処理部と、廃棄物の懸濁液を脱水して、高濃度化されたバイオマス原料と排出用水（液相部）とを生成する水分調整部とを具備し、高濃度化されたバイオマス原料に、酵素および微生物を添加して同時糖化発酵するか、または高濃度化されたバイオマス原料に酵素を添加して液化した後、液化高濃度バイオマス原料に、微生物を添加して糖化発酵して、バイオエタノールを生成し、上記前処理部および水分調整部において微細化された廃棄物原料を含む排出用水（液相部）を、前処理部の廃棄物懸濁用希釈水に再利用することを特徴としている。

そして、本発明のバイオエタノールの製造方法においては、前処理部および水分調整部において微細化された廃棄物原料を含む排出用水（液相部）を、糖化発酵によりバイオエタノールを生成する微生物のための前培養の培養液に利用する。

また、本発明のバイオエタノールの製造方法においては、前処理部および水分調整部において微細化された廃棄物原料を含む排出用水（液相部）に酵素を添加した排出用水（液相部）を、糖化発酵によりバイオエタノールを生成する微生物のための前培養の培養液に利用する。

さらに、本発明のバイオエタノールの製造方法においては、前処理部および水分調整部において微細化された廃棄物原料を含む排出用水（液相部）を、糖化発酵の際の水分調整に利用する。

本発明のバイオエタノールの製造方法によれば、廃棄物である紙、生ごみなどのバイオマス原料からエタノールを生産する方法において、原料に不適な異物を除去する際に用いる大量の水を循環利用することによって水の使用量を減らし、コストダウンすることが可能であり、また、循環水中には細かくなりすぎた原料が懸濁するが、それらを廃棄することなく、エタノールに変換するあるいはまた発酵用の酵母の培養液として用いることによって、原料を最大限に有効に利用することができて、生産性を上昇させることができる。

つぎに、本発明の実施例を説明するが、本発明は、この実施例に限定されるものではない。

実施例１
図１に示すフローで、紙、生ごみを含む廃棄物からのエタノール生産実験を行った。まず、家庭より排出された一般廃棄物５ｋｇに９５ｋｇの水を懸濁させた後、スクリーンにより異物除去を行った。ついで、水分調整部において、廃棄物の懸濁物を脱水して、高濃度化されたバイオマス原料と排出用水とを生成した。

つぎに、高濃度化されたバイオマス原料６ｋｇに、水分調整を行い、セルラーゼGC220（ジェネンコア社製）とアミラーゼSpirizymeR Fuel(ノボザイムズ社製)およびエタノール発酵微生物の１種である酵母サッカロミセスセルビシエ（Saccharomyces cerevisiae）を添加して３日間、同時糖化発酵することにより、3.5ｖ％のバイオエタノールを生成した。

異物除去、脱水後の水を循環して廃棄物からの異物除去を繰り返したところ、循環水は徐々に汚濁物が増加したが、異物除去作業に支障はなく水の循環利用ができた。循環水の水質を下記の表１に示す。

なお、分析項目と分析方法は、下記の通りである。

分析項目分析方法
蒸発残留物（ＴＳ）：ＪＳ-Ｋ 0102 14.2 重量法
強熱減量（ＶＴＳ）：ＪＳ-Ｋ 0102 14.5 重量法
生物化学的酸素要求量（ＢＯＤ）：ＪＳ-Ｋ 0102 2132.3 隔膜電極法
化学的酸素要求量（ＣＯＤ）：ＪＳ-Ｋ 0102 20 滴定法
全有機炭素（ＴＯＣ）：ＪＳ-Ｋ0102 22.2 燃焼酸化−赤外線式ＴＯＣ
自動計測法
窒素含有量（Ｔ−Ｎ）：ＪＳ-Ｋ0102 45.2 紫外吸光光度法
亜硝酸性窒素（ＮＯ２−Ｎ）：ＪＳ-Ｋ 010243.1.1 ナフチルジアミン
吸光光度法
硝酸性窒素（ＮＯ３−Ｎ）：ＪＳ-Ｋ 0102 43.2.5 イオンクロマトグラフィ法
アンモニア性窒素（ＮＨ４−Ｎ）：ＪＳ-Ｋ 0102 42.2 インドフェノール青
吸光光度法
また、水質結果より、水質は循環利用するにつれ、汚れる（各分析値が高くなる）が、循環利用しても問題はないということと、懸濁する物質が増加していくことが分かる。

実際のエタノール原料となると思われる値(セルロース、デンプン、糖)については、ここでは具体的に測定できないがＶＴＳ（有機物量の指標となる値）が、それらとなると考えた場合、ＶＴＳ０．５５％より、エタノールが約０．１２％程度できる計算となる。

値的には低いが、最終エタノール濃度が高い方がその後の蒸留コストが削減できるという意味では、できるだけエタノール濃度を上げたほうが総コストに有利となる。今回用いる液相部中の懸濁物は非常に細かくなっているため、酵素による糖化速度が速く糖化効率も高いと考えられる。

なお、上記前処理部および水分調整部において微細化された廃棄物原料を含む排出用水（液相部）は、前処理部の廃棄物懸濁用希釈水に再利用した。

循環水を同時糖化発酵の水分調整に利用することにより、微細化された廃棄物原料由来として０．１２ｖ％程度のバイオエタノール生成量アップが見込まれた。

実施例２
実施例１の循環水１ｋｇを温度９０℃で、１０分間の殺菌処理後、セルラーゼGC220（ジェネンコア社製）とアミラーゼSpirizymeR Fuel(ノボザイムズ社製)を投入し、栄養成分を溶解させ培養液を調整した。調製した培養液にエタノール発酵微生物の１種である酵母サッカロミセスセルビシエ（Saccharomyces cerevisiae）の種菌を添加し、エタノール発酵用の酵母の前培養として１６時間培養したところ、培養終了時に通常の培地を用いた場合と同等の菌体量を得ることができた。

Claims

紙類および生ごみを含む廃棄物を希釈水に懸濁させるとともに、懸濁液の異物除去処理を行う前処理部と、廃棄物の懸濁液を脱水して、高濃度化されたバイオマス原料と排出用水（液相部）とを生成する水分調整部とを具備し、高濃度化されたバイオマス原料に、酵素および微生物を添加して同時糖化発酵するか、または高濃度化されたバイオマス原料に酵素を添加して液化した後、液化高濃度バイオマス原料に、微生物を添加して糖化発酵して、バイオエタノールを生成し、上記前処理部および水分調整部において微細化された廃棄物原料を含む排出用水（液相部）を、前処理部の廃棄物懸濁用希釈水に再利用することを特徴とする、バイオエタノールの製造方法。
前処理部および水分調整部において微細化された廃棄物原料を含む排出用水（液相部）を、糖化発酵によりバイオエタノールを生成する微生物の前培養の培養液に利用す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。
前処理部および水分調整部において微細化された廃棄物原料を含む排出用水（液相部）に酵素を添加した排出用水（液相部）を、糖化発酵によりバイオエタノールを生成する微生物の前培養の培養液に利用することを特徴とする、請求項１または２に記載のバイオエタノールの製造方法。
前処理部および水分調整部において微細化された廃棄物原料を含む排出用水（液相部）を、糖化発酵の際の水分調整に利用することを特徴とする、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載のバイオエタノールの製造方法。