JP2014018116A - 発酵濃縮装置および発酵濃縮方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、酵母や酵素等を失活させることなく従前よりも効率的に発酵生成物質を濃縮することができる装置を提供することである。
【解決手段】本発明に係る発酵濃縮装置１００は、発酵生成物質を生成しながら発酵生成物質を濃縮する発酵濃縮装置であって、生成部１１１および真空蒸留装置１１０Ｂを備える。生成部では、発酵生成物質が生成される。真空蒸留装置は、生成部に連通している。すなわち、この発酵濃縮装置では、発酵生成物質が生成されながら真空蒸留が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオエタノール等の発酵生成物質を生成しながら発酵生成物質を濃縮する発酵濃縮装置および発酵濃縮方法に関する。

近年、ガソリン価格の高騰等により、代替燃料としてバイオエタノールが注目されている。そして、このバイオエタノールの製造に関して、種々の方法や装置が提案されている（例えば、特開２００８−１８２９２５号公報等）。

ところで、バイオエタノールの製造においてエタノール濃度が２０重量％以上になると酵母が死滅してしまう。このため、バイオエタノールの製造では、通常、エタノール濃度が２０重量％未満に抑えられている。したがって、バイオエタノールを燃料として使用するためには、エタノール水溶液からエタノールを濃縮する必要がある。エタノールの濃縮方法としては、例えば、蒸留法や膜分離法（例えば、特開平５−１１５７６１号公報等）等が挙げられる。

特開平５−１１５７６１号公報 特開２００８−１８２９２５号公報

しかし、このようにエタノール発酵後にエタノール濃縮を行うことは、効率的とは言い難い。

本発明の課題は、酵母や酵素等を失活させることなく従前よりも効率的に発酵生成物質を濃縮することができる装置および方法を提供することである。

本発明の第１局面に係る発酵濃縮装置は、発酵生成物質を生成しながら発酵生成物質を濃縮する発酵濃縮装置であって、生成部および真空蒸留装置を備える。なお、ここにいう「発酵生成物質」とは、例えば、エタノール等である。生成部では、発酵生成物質が生成される。真空蒸留装置は、生成部に連通している。

この発酵濃縮装置では、真空蒸留装置が生成部に連通している。すなわち、この発酵濃縮装置では、発酵生成物質を生成しながら真空蒸留を行うことができる。このため、この発酵濃縮装置では、発酵生成物質を連続的に生成しながら発酵生成物質を濃縮することができる。ところで、この発酵濃縮装置では、上述の通り、発酵生成物質が真空下（減圧下）で生成されることになる。このため、この発酵濃縮装置では、発酵生成物質やその副産物（二酸化炭素等）が連続的に生成部から除去される。すなわち、この発酵濃縮装置では、発酵生成物質の生成を促進することができる。よって、この発酵濃縮装置では、従前よりも効率的に発酵生成物質を生成することができる。

また、真空蒸留では、発酵生成物質の沸点を低下させることができる。また、発酵装置では、発酵熱が生じる。このため、この発酵濃縮装置では、通常、生成部を加温する必要がない。また、発酵生成物質の生成速度に対して蒸留速度を適切に保つことにより、生成部における発酵生成物質の濃度を酵母や酵素等の失活濃度未満に維持することができる。このため、この発酵濃縮装置では、酵母や酵素等を失活させることがない。

したがって、この発酵濃縮装置では、酵母や酵素等を失活させることなく従前よりも効率的に発酵生成物質を濃縮することができる。

本発明の第２局面に係る発酵濃縮装置は、発酵生成物質を生成しながら発酵生成物質を濃縮する発酵濃縮装置であって、生成部、多孔質膜、減圧装置、冷却部および捕集部を備える。生成部では、発酵生成物質が生成される。減圧装置は、発酵生成物質を気化させて気化発酵生成物質を生成すると共に気化発酵生成物質を多孔質膜に供給する役目を担っている。冷却部は、多孔質膜の周辺を冷却する。捕集部は、多孔質膜を通過した気化発酵生成物質を捕集する役目を担っている。

この発酵濃縮装置では、生成部において生成される発酵生成物質が、減圧装置によって気化されて多孔質膜に供給され、その後、捕集部により捕集される。このため、この発酵濃縮装置では、発酵生成物質を連続的に生成しながら発酵生成物質を濃縮することができる。ところで、この発酵濃縮装置では、発酵生成物質が減圧下で生成されることになる。このため、この発酵濃縮装置では、発酵生成物質やその副産物が連続的に生成部から除去される。すなわち、この発酵濃縮装置では、発酵生成物質の生成を促進することができる。よって、この発酵濃縮装置では、従前よりも効率的に発酵生成物質を生成することができる。

また、生成部を減圧することによって発酵生成物質の沸点を低下させることができる。また、発酵装置では、発酵熱が生じる。このため、この発酵濃縮装置では、通常、生成部を加温する必要がない。また、発酵生成物質の生成速度に対して蒸発速度を適切に保つことにより、生成部における発酵生成物質の濃度を酵母や酵素等の失活濃度未満に維持することができる。このため、この発酵濃縮装置では、酵母や酵素等を失活させることがない。

したがって、この発酵濃縮装置では、酵母や酵素等を失活させることなく従前よりも効率的に発酵生成物質を濃縮することができる。

なお、上述の第２局面に係る発酵濃縮装置において、生成部は、多孔質膜の気化発酵生成物質流れ方向上流側の空間に連通していることが好ましい。また、この発酵濃縮装置では、発酵操作と濃縮操作とが同時に行われることが好ましい。

第３局面に係る発酵濃縮方法は、発酵生成物質を生成しながら発酵生成物質を濃縮する発酵濃縮方法である。そして、この発酵濃縮方法では、発酵生成物質が生成されながら真空蒸留が行われる。

このため、この発酵濃縮方法では、発酵生成物質を連続的に生成しながら発酵生成物質を濃縮することができる。ところで、この発酵濃縮方法では、上述の通り、発酵生成物質が真空下（減圧下）で生成されることになる。このため、この発酵濃縮方法では、発酵生成物質やその副産物が連続的に生成部から除去される。すなわち、この発酵濃縮方法では、発酵生成物質の生成を促進することができる。よって、この発酵濃縮方法では、従前よりも効率的に発酵生成物質を生成することができる。

また、真空蒸留では、発酵生成物質の沸点を低下させることができる。また、発酵中に発酵熱が生じる。このため、この発酵濃縮方法では、通常、発酵生成物質を加温する必要がない。また、発酵生成物質の生成速度に対して蒸留速度を適切に保つことにより、反応系における発酵生成物質の濃度を酵母や酵素等の失活濃度未満に維持することができる。このため、この発酵濃縮方法では、酵母や酵素等を失活させることがない。

したがって、この発酵濃縮方法では、酵母や酵素等を失活させることなく従前よりも効率的に発酵生成物質を濃縮することができる。

第４局面に係る発酵濃縮方法は、発酵生成物質を生成しながら発酵生成物質を濃縮する発酵濃縮方法である。そして、この発酵濃縮方法では、発酵生成物質が生成されると共に減圧下で発酵生成物質が蒸気の状態で多孔質膜に供給されながら発酵生成物質が濃縮される。

このため、この発酵濃縮方法では、発酵生成物質を連続的に生成しながら発酵生成物質を濃縮することができる。ところで、この発酵濃縮方法では、発酵生成物質が蒸気の状態とされることになる。このため、この発酵濃縮装置では、発酵生成物質やその副産物が連続的に反応系から除去される。すなわち、この発酵濃縮方法では、発酵生成物質の生成を促進することができる。よって、この発酵濃縮方法では、従前よりも効率的に発酵生成物質を生成することができる。

また、反応系を減圧することによって発酵生成物質の沸点を低下させることができる。また、発酵中に発酵熱が生じる。このため、この発酵濃縮方法では、通常、発酵生成物質を加温する必要がない。また、発酵生成物質の生成速度に対して蒸留速度を適切に保つことにより、反応系における発酵生成物質の濃度を酵母や酵素等の失活濃度未満に維持することができる。このため、この発酵濃縮方法では、酵母や酵素等を失活させることがない。

したがって、この発酵濃縮方法では、酵母や酵素等を失活させることなく従前よりも効率的に発酵生成物質を濃縮することができる。

本発明の第１実施形態に係る発酵濃縮装置の簡易構成図である。 本発明の第２実施形態に係る発酵濃縮装置の簡易構成図である。 第２実施形態の変形例（Ｃ）に係る発酵濃縮装置の簡易構成図である。

−第１実施形態−
＜発酵濃縮装置の構成＞
本発明の第１実施形態に係る発酵濃縮装置１００は、図１に示されるように、主に、発酵装置１１０Ａおよび真空蒸留装置１１０Ｂから構成される。発酵装置１１０Ａおよび真空蒸留装置１１０Ｂとしては、従前の発酵装置および真空蒸留装置を用いることができる。このため、ここでは、発酵装置１１０Ａおよび真空蒸留装置１１０Ｂの詳細な説明を割愛する。

この発酵濃縮装置１００では、発酵装置１１０Ａの発酵槽１１１が真空蒸留装置１１０Ｂに連通している。すなわち、この発酵濃縮装置１００では、発酵槽１１１において発酵生成物質が生成されながら真空蒸留が行われる。

＜発酵濃縮装置の特徴＞
本発明の第１実施形態に係る発酵濃縮装置１００では、発酵槽１１１において発酵生成物質が生成されながら真空蒸留が行われる。このため、この発酵濃縮装置１００では、発酵生成物質を連続的に生成しながら発酵生成物質を濃縮することができる。ところで、この発酵濃縮装置１００では、上述の通り、発酵生成物質が真空下（減圧下）で生成されることになる。このため、この発酵濃縮装置１００では、発酵生成物質やその副産物が連続的に発酵槽１１１から除去される。すなわち、この発酵濃縮装置１００では、発酵生成物質の生成を促進することができる。よって、この発酵濃縮装置１００では、従前よりも効率的に発酵生成物質を生成することができる。

また、真空蒸留では、発酵生成物質の沸点を低下させることができる。また、発酵槽１１１１では、発酵熱が生じる。このため、この発酵濃縮装置１００では、通常、発酵槽１１１を加温する必要がない。また、発酵生成物質の生成速度に対して蒸留速度を適切に保つことにより、発酵槽１１１における発酵生成物質の濃度を酵母や酵素等の失活濃度未満に維持することができる。このため、この発酵濃縮装置１００では、酵母や酵素等を失活させることがない。

したがって、この発酵濃縮装置１００では、酵母や酵素等を失活させることなく従前よりも効率的に発酵生成物質を濃縮することができる。

−第２実施形態−
＜発酵濃縮装置の構成＞
本発明の第２実施形態に係る発酵濃縮装置２００は、図２に示されるように、主に、発酵装置２１０Ａおよび温度差制御気化透過装置２１０Ｂから構成される。発酵装置２１０Ａとしては、従前の発酵装置を用いることができる。また、温度差制御気化透過装置２１０Ｂとしては、図２に示されるものが用いられる。

温度差制御気化透過装置２１０Ｂは、図２に示されるように、主に、上側容器２２０、下側容器２３０、膜周辺ジャケット２４０、供給液ジャケット２５０、多孔質膜２６０、減圧装置２９１、冷却部２９２および貯留タンク２９３から構成される。図２に示されるように、上側容器２２０と下側容器２３０とは、多孔質膜２６０を挟んで一体化されている。この結果、上側容器２２０と下側容器２３０との間に形成される内部空間が多孔質膜２６０によって一次側空間ＳＰ１と二次側空間ＳＰ２とに区画される。そして、一次側空間ＳＰ１の底部には、循環ポンプ２７０により、発酵装置２１０Ａの発酵槽２１１から循環パイプ２８０を介して発酵液ＦＦが供給される。また、二次側空間ＳＰ２は、減圧装置２９１に連結されており、常に減圧状態となっている。さらに、一次側空間ＳＰ１は、多孔質膜２６０を介して二次側空間ＳＰ２に連通しているため、二次側空間ＳＰ２と同様に減圧状態となっている。ただし、多孔質膜２６０の存在により、二次側空間ＳＰ２の方が一次側空間ＳＰ１よりも減圧度が高くなっている。なお、多孔質膜２６０は、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等から形成されている。なお、多孔質膜の素材は、発酵生成物質に対して親和性が高いものであればより好ましい。例えば、発酵生成物質がエタノールである場合、素材としてはポリ［１−（トリメチルシリル）−１−プロピン］やポリジメチルシロキサン等が特に好ましい。すなわち、二次側空間ＳＰ２の圧力が一次側空間ＳＰ１の圧力よりも低くなっている。その結果、蒸気状態の発酵生成物質が多孔質膜２６０を一次側空間側から二次側空間側に向かって透過する。なお、本実施の形態において、減圧装置２９１は、ダイアフラムポンプである。また、減圧装置２９１の発酵生成物質流れ方向下流側には、冷却部２９２が配設されている。冷却部２９２では、減圧装置２９１を通過した発酵生成物質が冷却されて液化される。また、冷却部２９２の発酵生成物質流れ方向下流側には、貯留タンク２９３が配設されている。貯留タンク２９３には、冷却部２９２において液化された発酵生成物質が捕集される。また、この温度差制御気化透過装置２１０Ｂでは、膜周辺ジャケット２４０および供給液ジャケット２５０に水等の温度調整流体が供給される。ここで、膜周辺ジャケット２４０に供給される温度調整流体は、供給液ジャケット２５０に供給される温度調整流体よりも低温に設定されている。具体的には、膜周辺ジャケット２４０に常に一定温度の冷却液が供給される。また、供給液ジャケット２５０には必要に応じて温度調整流体が供給される。なお、供給液ジャケット２５０に供給される温度調整流体の温度は、酵母や酵素等が失活しないように設定される。

＜発酵濃縮装置の特徴＞
本発明の第２実施形態に係る発酵濃縮装置２００では、発酵装置２１０Ａが循環パイプ２８０を介して温度差制御気化透過装置２１０Ｂに連結されており、発酵装置２１０Ａで生成された発酵生成物質を含む発酵液ＦＦが温度差制御気化透過装置２１０Ｂの一次側空間ＳＰ１の底部に供給される。そして、この発酵濃縮装置２００では、発酵槽２１１において生成される発酵生成物質が、減圧装置２９１によって気化されて多孔質膜２６０に供給され、その後、冷却部２９２により捕集される。すなわち、この発酵濃縮装置２００では、発酵生成物質が生成されながら発酵生成物質の濃縮が行われる。このため、この発酵濃縮装置２００では、発酵生成物質を連続的に生成しながら発酵生成物質を濃縮することができる。ところで、この発酵濃縮装置２００では、発酵生成物質が真空下（減圧下）に置かれることになる。このため、この発酵濃縮装置１００では、発酵生成物質やその副産物が連続的に一次側空間ＳＰ１の底部から除去される。すなわち、この発酵濃縮装置２００では、発酵生成物質の生成を促進することができる。よって、この発酵濃縮装置１００では、従前よりも効率的に発酵生成物質を生成することができる。

また、一次側空間ＳＰ１を減圧することによって発酵生成物質の沸点を低下させることができる。また、発酵槽２１１では、発酵熱が生じる。このため、この発酵濃縮装置２００では、通常、発酵槽１１１を加温する必要がない。また、発酵生成物質の生成速度に対して蒸発速度を適切に保つことにより、発酵槽２１１における発酵生成物質の濃度を酵母や酵素等の失活濃度未満に維持することができる。

したがって、この発酵濃縮装置２００では、酵母や酵素等を失活させることなく従前よりも効率的に発酵生成物質を濃縮することができる。

＜変形例＞
（Ａ）
先の実施の形態に係る発酵濃縮装置２００では発酵装置２１０Ａが循環パイプ２８０を介して温度差制御気化透過装置２１０Ｂに連結されていたが、発酵装置２１０Ａが温度差制御気化透過装置２１０Ｂの一次側空間ＳＰ１の底部に組み込まれてもよい。このようにすれば、循環ポンプ２７０や循環パイプ２８０が不要となり、発酵濃縮装置２００の構成を簡素することができて好ましい。

先の実施の形態では特に言及しなかったが、一次側空間ＳＰ１にキャリアガスを導入してもよい。このようにすれば、発酵生成物質の透過速度を向上させることができる。

（Ｃ）
先の実施の形態に係る発酵濃縮装置２００では平板状の多孔質膜２６０が利用されたが、多孔質膜として中空糸型や管状型の多孔質膜が利用されてもかまわない。このように中空糸型や管状型の多孔質膜が利用される場合の発酵濃縮装置３００を図３に示す。

図３において符号３１０Ａは発酵装置を示し、符号３１１は発酵槽を示し、符号３９１は減圧装置を示し、符号３９２は冷却部を示し、符号３９３は貯留タンクを示す。なお、これらの構成部品は先の実施の形態に係る各部品と同様であるので、ここではその説明を省略する。

また、図３において、符号３５０は温度調節器である。この温度調節器は、発酵槽３１１内の発酵液の温度を、酵母や酵素等の失活温度以下の温度に維持する。また、符号３１０Ｂは多孔質中空糸膜モジュールである。この多孔質中空糸膜モジュール３１０Ｂは、図３に示されるように、主に、外容器３１５、多孔質中空糸膜３６０、外部冷却ジャケット３４０ａおよび内部冷却管３４０ｂから構成される。外容器３１５には、図３に示されるように、多孔質中空糸膜３６０および内部冷却管３４０ｂが配設されている。多孔質中空糸膜３６０は、例えば、ポリプロピレン等から形成されている。なお、多孔質膜の素材は、発酵生成物質に対して親和性が高いものであればより好ましい。例えば、発酵生成物質がエタノールである場合、素材としてはポリ［１−（トリメチルシリル）−１−プロピン］やポリジメチルシロキサン等が特に好ましい。外部冷却ジャケット３４０ａは、図３に示されるように、外容器３１５の外側に設けられている。内部冷却管３４０ｂは、外容器３１５の内部において多孔質中空糸膜３６０を囲むように配置されている。そして、この発酵濃縮装置２００の運転中、多孔質中空糸膜モジュール３１０Ｂは常に一定温度に冷却される。

なお、本変形例では、発酵槽３１１と多孔質中空糸膜モジュール３１０Ｂとが配管を介して連結されている。かかる場合、配管において発酵生成物質が凝縮しないように配管周りにリボンヒータを巻きつけることが好ましい。

１００，２００ 発酵濃縮装置
１１０Ａ，２１０Ａ 発酵装置
１１０Ｂ 真空蒸留装置
１１１ 発酵槽（生成部）
２６０ 多孔質膜
２９１ 減圧装置
２９２ 冷却部（捕集部）

Claims (5)

1. 発酵生成物質を生成しながら前記発酵生成物質を濃縮する発酵濃縮装置であって、
   前記発酵生成物質が生成される生成部と、
   前記生成部に連通する真空蒸留装置と
   を備える、発酵濃縮装置。
2. 発酵生成物質を生成しながら前記発酵生成物質を濃縮する発酵濃縮装置であって、
   前記発酵生成物質が生成される生成部と、
   多孔質膜と、
   前記発酵生成物質を気化させて気化発酵生成物質を生成すると共に前記気化発酵生成物質を前記多孔質膜に供給する減圧装置と、
   前記多孔質膜の周辺を冷却する冷却部と、
   前記多孔質膜を通過した前記気化発酵生成物質を捕集するための捕集部と
   を備える、発酵濃縮装置。
3. 前記生成部は、前記多孔質膜の気化発酵生成物質流れ方向上流側の空間に連通しており、
   発酵操作と濃縮操作とが同時に行われる
   請求項２に記載の発酵濃縮装置。
4. 発酵生成物質を生成しながら前記発酵生成物質を濃縮する発酵濃縮方法であって、
   前記発酵生成物質を生成しながら真空蒸留を行う
   発酵濃縮方法。
5. 発酵生成物質を生成しながら前記発酵生成物質を濃縮する発酵濃縮方法であって、
   前記発酵生成物質を生成すると共に減圧下で前記発酵生成物質を蒸気の状態で多孔質膜に供給しながら前記発酵生成物質を濃縮する
   発酵濃縮方法。

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