JP2012080824A - エタノールの製造装置及びそれを用いた製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】製造フローが短く、装置の小型化、低コスト化が容易で、食品廃棄物を原料とした場合に焼却炉と一体化が可能なエタノールの製造装置及び製造方法の提供を目的とする。
【解決手段】デンプン質原料又は／及びセルロース質原料投入手段と、糖化処理と発酵を連続的に行うための培養タンクと、前記培養タンク中の発酵した培養液にエアーを吹き込むためのエアー吹き込み手段と、前記エアーの吹き込みにより排出されるガス中からエタノールを回収するための蒸留手段とを備えたことを特徴とするエタノール製造装置。
【選択図】 図１
【解決手段】デンプン質原料又は／及びセルロース質原料投入手段と、糖化処理と発酵を連続的に行うための培養タンクと、前記培養タンク中の発酵した培養液にエアーを吹き込むためのエアー吹き込み手段と、前記エアーの吹き込みにより排出されるガス中からエタノールを回収するための蒸留手段とを備えたことを特徴とするエタノール製造装置。
【選択図】 図１
Description
本発明は、炭水化物に属するデンプン質原料やセルロース質原料を用いた連続発酵蒸留によるバイオエタノールの製造装置及び製造方法に関し、特に焼却炉と連結することで食品廃棄物、野菜等の余剰生産物等の廃棄物処理とバイオエタノール製造との一体化に好適な装置及び方法に係る。
小麦やトウモロコシ等の食料ともなる原材料を用いたバイオエタノールの製造方法では食料供給に影響を与えることから、厨房等から排出される食品廃棄物からエタノールを製造する方法が提案されている（特許文献１）。
しかし、同公報に記載されているような従来のバイオエタノールの製造方法にあっては、第１に糖化及び培養後にバッチで蒸留処理するものであり、連続的にエタノールを製造できるものではなかった。
第２にバイオエタノールの製造に用いる熱源に外部から購入する燃料や電気が必要であり、多量に発生する培養残渣や蒸留廃液の処理を外部委託に頼っているために高コストの一因になっていた。
しかし、同公報に記載されているような従来のバイオエタノールの製造方法にあっては、第１に糖化及び培養後にバッチで蒸留処理するものであり、連続的にエタノールを製造できるものではなかった。
第２にバイオエタノールの製造に用いる熱源に外部から購入する燃料や電気が必要であり、多量に発生する培養残渣や蒸留廃液の処理を外部委託に頼っているために高コストの一因になっていた。
本発明は、製造フローが短く、装置の小型化低コスト化が容易で、食品廃棄物を原料とした場合に焼却炉と一体化が可能なエタノールの製造装置及び製造方法の提供を目的とする。
本発明に係るエタノール製造装置は、デンプン質原料又は／及びセルロース質原料投入手段と、糖化処理と発酵を連続的に行うための培養タンクと、前記培養タンク中の発酵した培養液にエアーを吹き込むためのエアー吹き込み手段と、前記エアーの吹き込みにより排出されるガス中からエタノールを回収するための蒸留手段とを備えたことを特徴とする。
ここでデンプン質原料及びセルロース質原料とは、デンプンやセルロースが含まれている原料を意味し、家庭や外食産業から発生する生ゴミ等の食品廃棄物、食品の加工工程から生じる廃棄物、野菜等の余剰生産物等であってもよく、特に本発明にあっては、米のとぎ汁のような、従来はバイオエタノールの原料にできなかったものも対象にできる。
本発明にて特徴的なのは、アルコール発酵に用いる酵母に好気性の菌株を採用することで、エアーを吹き込みながら連続的にエタノールの回収及び蒸留が可能になった点にある。
また、前記培養タンクから発生する培養残渣を焼却する焼却炉と、前記蒸留手段から発生する蒸留廃液を前記焼却炉から発生する排ガスの減温処理に使用することで、焼却装置と連結するとエタノールの製造に伴って発生する培養残渣を燃焼させることで糖化処理及び発酵の熱源に使用でき、蒸留廃液を焼却炉の排ガスの減温処理に用いることができ、装置全体のエネルギー源の省エネルギー化を図るのに効果的である。
ここで、前記培養タンクは熱媒体循環部を有し、当該熱媒体循環部に循環させる熱媒体の熱源として前記焼却炉から発生する廃熱を利用することもできる。
ここで、前記培養タンクは熱媒体循環部を有し、当該熱媒体循環部に循環させる熱媒体の熱源として前記焼却炉から発生する廃熱を利用することもできる。
上記のようなエタノール製造装置を用いた本発明に係るエタノールの製造方法は、培養タンクにデンプン質原料又は／及びセルロース質原料を投入するステップと、培養タンクに糖化能を有する、酵素又は遺伝子組み換え型好気性酵母を投入し糖化処理するステップと、前記糖化処理後に好気性酵母を投入しアルコール発酵する発酵ステップと、前記発酵液にエアーを吹き込み、連続的にエタノールを回収するステップとを有することを特徴とする。
糖化処理には一般的に糖化酵素を用いるが遺伝子組み換え技術により、糖化能を有する好気性酵母を用いると、そのまま連続してアルコール発酵も行うことができる。
ここで、培養タンクの温調に、培養タンクから発生する培養残渣を焼却して発生する廃熱を利用してもよい。
糖化処理には一般的に糖化酵素を用いるが遺伝子組み換え技術により、糖化能を有する好気性酵母を用いると、そのまま連続してアルコール発酵も行うことができる。
ここで、培養タンクの温調に、培養タンクから発生する培養残渣を焼却して発生する廃熱を利用してもよい。
本発明にあっては、培養タンクにデンプン質原料、セルロース質原料を投入、乾物重量で１〜６０％、好ましくは２０〜４０％になるように水分調整し、原料の材質に合うような酵素を選択し、焼却炉の廃熱を利用して最適温度に温調する。
例えば、セルロース質原料が主な場合に酵素としてセルラーゼを使用し、２５℃〜７０℃、好ましくは４５℃〜５０℃に温調する。
また、セルロース質原料をセルラーゼで酵素処理する前に９０℃〜１００℃×１〜２時間加熱すると殺菌効果があり、その後の雑菌混入を抑えることができる。
また、デンプン質原料が主な場合には酵素としてアミラーゼを使用する。
α−アミラーゼを使用する場合は、８２℃〜８６℃×約２時間、グルコアミラーゼを使用する場合は６０℃〜６５℃×２４〜４８時間が好ましい。
例えば、セルロース質原料が主な場合に酵素としてセルラーゼを使用し、２５℃〜７０℃、好ましくは４５℃〜５０℃に温調する。
また、セルロース質原料をセルラーゼで酵素処理する前に９０℃〜１００℃×１〜２時間加熱すると殺菌効果があり、その後の雑菌混入を抑えることができる。
また、デンプン質原料が主な場合には酵素としてアミラーゼを使用する。
α−アミラーゼを使用する場合は、８２℃〜８６℃×約２時間、グルコアミラーゼを使用する場合は６０℃〜６５℃×２４〜４８時間が好ましい。
前記のように温調及び撹拌し糖化処理が終了すると、次に培養タンクを３０℃〜５０℃、好ましくは３６℃〜４５℃に温調し、好気性の耐熱性酵母（ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ）を添加し、培養する。
この場合にｐＨ３．５〜７．０、好ましくは４．５〜５．５に調整されているのがよい。
アルコール発酵が進行すると、エアー吹き込み手段にて培養液中にエアーを吹き込むことでエアーとともにエタノールが排出される。
これを蒸留塔に通過させることで、濃度９０％以上、特に９９％以上のエタノールが得られる。
この場合にｐＨ３．５〜７．０、好ましくは４．５〜５．５に調整されているのがよい。
アルコール発酵が進行すると、エアー吹き込み手段にて培養液中にエアーを吹き込むことでエアーとともにエタノールが排出される。
これを蒸留塔に通過させることで、濃度９０％以上、特に９９％以上のエタノールが得られる。
本発明に係るエタノールの製造装置にあっては、培養タンクに食品廃棄物等を投入し、水分調整した後に糖化処理するステップと発酵処理するステップ及びその後に連続的にエタノールの蒸留が行えるので、装置がコンパクトで設備投資が従来法よりも少なくてよい。
また、処理フローが簡単なので原材料の変更やバラツキにも対応しやすく、安定したエタノールの製造が可能である。
さらに、焼却炉と組み合せることで培養残渣物をエタノール製造装置の熱源として利用できるだけでなく、蒸留廃液を焼却炉の排ガスの減温処理に利用できるので相互に有効利用できる。
また、処理フローが簡単なので原材料の変更やバラツキにも対応しやすく、安定したエタノールの製造が可能である。
さらに、焼却炉と組み合せることで培養残渣物をエタノール製造装置の熱源として利用できるだけでなく、蒸留廃液を焼却炉の排ガスの減温処理に利用できるので相互に有効利用できる。
本発明に係るエタノール装置の構成例を図１に基づいて説明する。
図１において実線で囲んだ部分が直接的にエタノールの製造に関与する装置であり、点線で囲んだ部分が焼却装置を組み合せた部分である。
本実施例では、原材料毎に温調範囲が相違しても対応できるように培養タンク１０Ａ、１０Ｂの二基を備えた例になっているが、培養タンクが少なくとも一基以上備えていれば、その数に制限はない。
培養タンク１０Ａ、１０Ｂは原材料の投入口１１と発生したエタノール含有ガスを取り出すための排出口１２を有し、この排出口１２は蒸留塔２０に配管連結されている。
培養及びエタノールの発生が終了した培養残渣物は残渣取出口１４から排出され、焼却炉３０の残渣物投入口１４ａに投入され焼却される。
残渣物は必要に応じて着火バーナー３０ａ及び２次燃焼バーナー３０ｂにより制御された焼却炉３０で燃焼し、高温の排ガスは予冷器３１及び減温器３２にて減温され、バクフィルター３３等にて浄化後に誘引ファン３４を介して煙突３５から大気中に放出される。
予冷器３１にて約１０００℃以下に温度が下がった排ガスは熱交換器３２ａを介して熱媒体の加温に使用され、この熱媒体はジャケット構造の培養タンクの熱媒体ＩＮ１３ａから流入し、熱媒体ＯＵＴ１３ｂを介して熱交換器３２ａに循環される。
また、培養タンク１０Ａ，１０Ｂには図示を省略したエアーの吹き込み手段を有し、蒸留前エタノールが排出口１２からエアーとともに排出し、蒸留塔２０にて高濃度のエタノールに蒸留される。
蒸留塔２０から発生する蒸留廃液１７は予冷器３１及び減温器３２中に噴露気化され、排ガスの減温処理に用いられる。
これによりエタノールの製造と廃棄物の焼却処理とを組み合せることが可能になり、有機系の廃棄物処理を行いながらエタノールの製造を行うことも可能になる。
図１において実線で囲んだ部分が直接的にエタノールの製造に関与する装置であり、点線で囲んだ部分が焼却装置を組み合せた部分である。
本実施例では、原材料毎に温調範囲が相違しても対応できるように培養タンク１０Ａ、１０Ｂの二基を備えた例になっているが、培養タンクが少なくとも一基以上備えていれば、その数に制限はない。
培養タンク１０Ａ、１０Ｂは原材料の投入口１１と発生したエタノール含有ガスを取り出すための排出口１２を有し、この排出口１２は蒸留塔２０に配管連結されている。
培養及びエタノールの発生が終了した培養残渣物は残渣取出口１４から排出され、焼却炉３０の残渣物投入口１４ａに投入され焼却される。
残渣物は必要に応じて着火バーナー３０ａ及び２次燃焼バーナー３０ｂにより制御された焼却炉３０で燃焼し、高温の排ガスは予冷器３１及び減温器３２にて減温され、バクフィルター３３等にて浄化後に誘引ファン３４を介して煙突３５から大気中に放出される。
予冷器３１にて約１０００℃以下に温度が下がった排ガスは熱交換器３２ａを介して熱媒体の加温に使用され、この熱媒体はジャケット構造の培養タンクの熱媒体ＩＮ１３ａから流入し、熱媒体ＯＵＴ１３ｂを介して熱交換器３２ａに循環される。
また、培養タンク１０Ａ，１０Ｂには図示を省略したエアーの吹き込み手段を有し、蒸留前エタノールが排出口１２からエアーとともに排出し、蒸留塔２０にて高濃度のエタノールに蒸留される。
蒸留塔２０から発生する蒸留廃液１７は予冷器３１及び減温器３２中に噴露気化され、排ガスの減温処理に用いられる。
これによりエタノールの製造と廃棄物の焼却処理とを組み合せることが可能になり、有機系の廃棄物処理を行いながらエタノールの製造を行うことも可能になる。
次に、米のとぎ汁を用いてエタノールの製造実験を実施したので以下説明する。
培養タンクに、米のとぎ汁４５ｋｇ（固形分約８６ｇ）と窒素源として硫化アンモニウム１００ｇを投入し、前処理として７０℃×３時間保温した。
次に、培養タンクを５０℃に温調し、アミラーゼ（グルコアミラーゼ４，０００，０００ｕｎｉｔｓ、α−アミラーゼ７，５００，０００ｕｎｉｔｓ）を加え、撹拌しながら約２時間保持した。
次に培養タンクを４５℃に温調し、酵母（ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ）を加え３９時間培養した。
グルコースがほぼ消費されたことを確認し、エアーを吹き込み始め、そのまま７９時間維持した。
このエアーの吹き込みにより培養液から出てくるガスを冷却管に通してエタノール溶液を回収した。
その時のグルコースの変化と１００％換算エタノールの発生量を図２のグラフに示す。
これによりデンプンが多く含まれる米のとぎ汁固形分約８６ｇから約２．２ｍｌのエタノールを得たことになる。
ここで、７０℃×３時間の前処理をしたことにより雑菌の混入を抑え、ｐＨは６．７から４．７に変化していた。
なお、エタノールの発酵を約４５℃で実施したことも雑菌の混入を抑える効果があったと推定される。
培養タンクに、米のとぎ汁４５ｋｇ（固形分約８６ｇ）と窒素源として硫化アンモニウム１００ｇを投入し、前処理として７０℃×３時間保温した。
次に、培養タンクを５０℃に温調し、アミラーゼ（グルコアミラーゼ４，０００，０００ｕｎｉｔｓ、α−アミラーゼ７，５００，０００ｕｎｉｔｓ）を加え、撹拌しながら約２時間保持した。
次に培養タンクを４５℃に温調し、酵母（ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ）を加え３９時間培養した。
グルコースがほぼ消費されたことを確認し、エアーを吹き込み始め、そのまま７９時間維持した。
このエアーの吹き込みにより培養液から出てくるガスを冷却管に通してエタノール溶液を回収した。
その時のグルコースの変化と１００％換算エタノールの発生量を図２のグラフに示す。
これによりデンプンが多く含まれる米のとぎ汁固形分約８６ｇから約２．２ｍｌのエタノールを得たことになる。
ここで、７０℃×３時間の前処理をしたことにより雑菌の混入を抑え、ｐＨは６．７から４．７に変化していた。
なお、エタノールの発酵を約４５℃で実施したことも雑菌の混入を抑える効果があったと推定される。
次に、培養液の発酵効率を確認すべく以下のとおり実験を行った。
グルコース２，０００ｇに耐熱好気性酵母（ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ）エキス１００ｇ及び酵母の栄養源としてペプトン１００ｇを加え、さらに水１７，８００ｇを加え、全量で２０，０００ｇに調整した。
この液をｐＨ５．０に調整し、４０℃に維持した。
培養中、コンプレッサーを用いて１２ｌ／ｍｉｎのエアーを吹き込み、発生したガスはコンデンサーにて冷却し、水（２ｌ）にトラップした。
このときの蒸留液と培養残渣の組成を図３に示す。
この結果、２，０００ｇのグルコースから蒸留液中にエタノール６８５ｇ、培養残渣中にエタノール１９９ｇ含まれたことから合計８８４ｇのエタノールが発生したことになり、理論値（エタノール１，０２３ｇ）に対するエタノールの発生量は８６％であった。
グルコース２，０００ｇに耐熱好気性酵母（ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ）エキス１００ｇ及び酵母の栄養源としてペプトン１００ｇを加え、さらに水１７，８００ｇを加え、全量で２０，０００ｇに調整した。
この液をｐＨ５．０に調整し、４０℃に維持した。
培養中、コンプレッサーを用いて１２ｌ／ｍｉｎのエアーを吹き込み、発生したガスはコンデンサーにて冷却し、水（２ｌ）にトラップした。
このときの蒸留液と培養残渣の組成を図３に示す。
この結果、２，０００ｇのグルコースから蒸留液中にエタノール６８５ｇ、培養残渣中にエタノール１９９ｇ含まれたことから合計８８４ｇのエタノールが発生したことになり、理論値（エタノール１，０２３ｇ）に対するエタノールの発生量は８６％であった。
１０Ａ 培養タンク
１１ 投入口
１２ 排出口
１３ａ 熱媒体ＩＮ
１３ｂ 熱媒体ＯＵＴ
１４ 残渣物取出口
１４ａ 残渣物投入口
１５ 蒸留前エタノール
１６ 蒸留エタノール
１７ 蒸留廃液
２０ 蒸留塔
３０ 焼却炉
１１ 投入口
１２ 排出口
１３ａ 熱媒体ＩＮ
１３ｂ 熱媒体ＯＵＴ
１４ 残渣物取出口
１４ａ 残渣物投入口
１５ 蒸留前エタノール
１６ 蒸留エタノール
１７ 蒸留廃液
２０ 蒸留塔
３０ 焼却炉
Claims (5)
- デンプン質原料又は／及びセルロース質原料投入手段と、
糖化処理と発酵を連続的に行うための培養タンクと、
前記培養タンク中の発酵した培養液にエアーを吹き込むためのエアー吹き込み手段と、
前記エアーの吹き込みにより排出されるガス中からエタノールを回収するための蒸留手段とを備えたことを特徴とするエタノール製造装置。 - 前記培養タンクから発生する培養残渣を焼却する焼却炉と、
前記蒸留手段から発生する蒸留廃液を前記焼却炉から発生する排ガスの減温処理に使用することで、焼却装置と連結したことを特徴とする請求項１記載のエタノール製造装置。 - 前記培養タンクは熱媒体循環部を有し、当該熱媒体循環部に循環させる熱媒体の熱源として前記焼却炉から発生する廃熱を利用することを特徴とする請求項２記載のエタノール製造装置。
- 培養タンクにデンプン質原料又は／及びセルロース質原料を投入するステップと、
培養タンクに糖化能を有する、酵素又は遺伝子組み換え型好気性酵母を投入し糖化処理するステップと、
前記糖化処理後に好気性酵母を投入しアルコール発酵する発酵ステップと、
前記発酵液にエアーを吹き込み、連続的にエタノールを回収するステップとを有することを特徴とするエタノールの製造方法。 - 培養タンクの温調に、培養タンクから発生する培養残渣を焼却して発生する廃熱を利用したことを特徴とする請求項４記載のエタノールの製造方法。
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-
2010
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