JP3821235B2 - エタノールの発酵濃縮システム - Google Patents

Description

本発明は、エタノールの発酵から濃縮に至る工程を連続的に行うエタノールの発酵濃縮システムに関する。

サトウキビなどの植物を原料として得られるエタノールは、ガソリンと混合して或いは単独で燃料として用いられ、バイオマスとして注目されている。
燃料として用いるエタノールは高濃度（９９．５％以上）でなければならず、従来にあっては蒸留によって濃度を高めている。しかしながら、蒸留には多大なエネルギーを必要とし、特に水／エタノールは共沸点を有するため、濃縮には限界がある。

非特許文献１には浸透気化膜を用いてエタノールを高濃度にする内容が内示されている。即ち、図９には浸透気化膜でエタノールを分離した場合の１次側と２次側の濃度を示すグラフが示され、この図から明らかなように１次側のエタノールス溶液の濃度が５％であれば２次側の濃度を８０％以上にすることができる。

一方、本発明者は先に特許文献１として、ゲルポリマー中の特定のレセプターがカリウムイオン（Ｋ^＋）を補足して膨潤する性質を利用し、カリウムイオン（Ｋ^＋）の濃度が高くなった場合に細孔を閉じるゲート膜を提案している。この特許文献１ではゲート膜と浸透気化膜とを組み合わせて用いることも示唆している。また、特許文献２には温度、光などの物理的外部環境の変化によって可逆的に溶質の吸脱着を行う吸着剤を用いたシステムを提案している。

１９９８年 Journal of Membrane Science １４４ １６１〜１７１ 特開２０００−６１２７５号公報 特開平１０−８０６０１号公報

非特許文献１に開示されるように、浸透気化膜を用いることで高濃度のエタノールを得ることができる。しかしながら、透過した２次側のエタノールが高濃度になるということは透過しない側（１次側）のエタノールの濃度が相対的に低下することになる。図９にも示すように、浸透気化膜を用いた濃縮では、１次側の濃度が僅かに低下しただけで２次側のエタノール濃度は急激に低下してしまう。

サトウキビなどの植物を発酵させて得られるエタノール水溶液の濃度は１０％程度であり、浸透気化膜を用いて工業的にエタノールを濃縮するには、連続して所定濃度のエタノール水溶液を浸透気化膜に供給する必要があるが、この技術が確立していない。

特許文献１には、カリウムイオン（Ｋ^＋）が一定濃度以下になったときにゲートを開として溶液を透過する内容が開示されているが、エタノールの濃縮については何ら触れておらず、エタノールの発酵と関連付けた循環システムによって連続してエタノールを高濃度にすることは示唆されていない。同様に、特許文献２にもこれらに関し何らの示唆もない。

上記課題を解決すべく本発明に係るエタノールの濃縮システムは、エタノール発酵槽内のエタノール水溶液を取り出して再びエタノール発酵槽に戻す循環路に所定濃度以上のエタノール水溶液に対して開となるゲート膜を設け、このゲート膜を透過した所定濃度以上のエタノール水溶液を浸透気化膜に供給し、この浸透気化膜を透過した高濃度のエタノール水溶液については次工程に送り込み、浸透気化膜を透過しないエタノール水溶液についてはエタノール発酵槽内に戻すようにした。

前記ゲート膜と浸透気化膜については、一体化された構造または分離された構造が考えられるが、分離した場合には間に液面検出計を備えたバッファタンクを設けることが好ましい。

また、ゲート膜をセンサとして利用することも考えられる。この場合には、エタノール水溶液がゲート膜を透過したことを感知したならば、エタノール発酵槽内のエタノール水溶液を浸透気化膜に供給し、浸透気化膜を透過した高濃度のエタノール水溶液については次工程に送り込み、浸透気化膜を透過しないエタノール水溶液についてはエタノール発酵槽内に戻す。

ところで、発酵槽による生産効率を考慮すると、ゲート膜に供給されるエタノール濃度は８％前後になる。この場合、浸透気化膜を透過したエタノール水溶液の濃度は８０％前後であり、燃料として使用する場合には更に濃縮する必要がある。そこで、浸透気化膜の下流側に脱水膜を配置すれば、容易に９９．５％以上に濃縮することができる。

本発明によれば、蒸留法によらずにエタノールを高濃度にすることができ、特に連続して高濃度のエタノールを製造することができる。したがって、ガソリンとの混合燃料、薬品などとして有効に利用することができる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るエタノールの濃縮システムの構成図、図２（ａ）及び（ｂ）は同システムの一部に組み入れられる膜モジュールの概略図、図３はゲート膜の透過流束のエタノール濃度依存性（温度の影響）を示すグラフ、図４はゲート膜の透過流束のエタノール濃度依存性（グルコース濃度の影響）を示すグラフ、図５はゲート膜の応答特性を示すグラフである。

エタノールの濃縮システムは、エタノール発酵槽１内に攪拌機２を設けるとともに循環路３を付設し、この循環路３に膜モジュール４を設け、膜モジュール４の１次側とエタノール発酵槽１とを循環路３でつなぎ、膜モジュール４の２次側には貯留タンク５を配置し、この貯留タンク５の下流側に脱水膜６を配置し、この脱水膜６の１次側から製品を取り出し２次側から水を排出する。

膜モジュール４は図２に示すようにゲート膜７の２次側にシリカライトからなる浸透気化膜８を一体的に貼り合わせて構成される。膜の形態としては平膜タイプに限らず、管タイプ、プリーツタイプ、中空糸タイプなど任意である。

ゲート膜７はポリエチレンなどからなる多孔質高密度基材７ａの細孔７ｂ内に例えばプラズマグラフトフィリング重合法にてゲル化合物７ｃを担持せしめている。ゲル化合物としては、ＮＩＰＡＭ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）とＮＩＰＭＡＮ（Ｎ−イソプロピルメタクリルアミド）の共重合体（重量比ＮＩＰＡＭ／ＮＩＰＭＡＮ＝４０／６０）が挙げられる。ゲル化合物としては、他にＮＩＰＡＭとＡＡ（アクリル酸）、ＮＩＰＡＭとＡＡｍ（アクリルアミド）との共重合体もあげられる。共重合組成を変えることによってゲートが開閉するエタノール濃度を制御することが可能である。尚、基材としては、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネイトなども挙げられる。

上記ゲート膜７は、温度、pH、エタノール濃度などの外部環境の変化に応じて親疎水性が変化し可逆的に膨潤、収縮するゲル化合物７ｃを備えている。

エタノール水溶液の濃度が低い場合には、ゲル化合物７ｃは膨潤し、図２（ａ）に示すように細孔７ｂは閉じた状態になっている。そして、エタノール水溶液の濃度が高くなるとゲル化合物７ｃ中の水がエタノールに移るためゲル化合物７ｃは収縮し、図２（b）に示すように細孔７ｂは開いた状態になる。この反応は可逆的に起こるため、ゲート膜７の１次側のエタノール水溶液濃度が一定値以上の時だけ浸透気化膜８にエタノール水溶液が供給される。

図３はゲート膜７の透過流束のエタノール濃度依存性（温度の影響）を示すグラフであり、このグラフから３０３Ｋでは、エタノール濃度１１％付近に急激な透過流束の変換点が見られ、３０５Ｋでは、エタノール濃度８％付近に急激な透過流束の変換点が見られ、３０７Ｋでは、エタノール濃度５％付近に急激な透過流束の変換点が見られる。

図４はゲート膜７の透過流束のエタノール濃度依存性（グルコース濃度の影響）を示すグラフであり、このグラフからグルコース濃度８ｗｔ％では、エタノール濃度９％付近に急激な透過流束の変換点が見られ、グルコース濃度１０ｗｔ％では、エタノール濃度８％付近に急激な透過流束の変換点が見られ、グルコース濃度１２ｗｔ％では、エタノール濃度７％付近に急激な透過流束の変換点が見られる。

図５はゲート膜７の応答特性を示すグラフであり、このグラフから本発明に用いているゲート膜４は濃度応答速度が大きく、且つ繰り返し性に優れることが分かる。

以上において、例えばエタノール水溶液の濃度が８％で開となるゲート膜７を用いた場合には、ゲート膜７に供給されたエタノール水溶液の濃度が８％以上の場合のみゲート膜７を透過して浸透気化膜８まで供給され、浸透気化膜８で濃度８０％以上まで濃縮され、更に下流側の脱水膜５によって９９％以上まで濃縮される。

図６は別実施例に係るエタノールの濃縮システムの構成図であり、この実施例にあっては、ゲート膜７と浸透気化膜８とを分離した構成として、浸透気化膜８の１次側と発酵槽１とを戻し管９でつなぎ、またゲート膜７と浸透気化膜８との間にバッファタンク１０を配置し、バッファタンク１０内に所定濃度のエタノール水溶液を貯留するようにしている。尚、バッファタンク１０には液面検出計１１を設けてタンク内のエタノール水溶液を適切な量に維持している。バッファタンク内のエタノール水溶液は、浸透気化膜８に送られ透過液は貯蔵タンク１４に貯蔵され、必要に応じさらに脱水膜などの次工程で濃縮する。

図７は別実施例に係るエタノールの濃縮システムの構成図であり、この実施例にあっては、ゲート膜７を発酵槽１内のエタノール水溶液の濃度を測定するセンサの一部として用いている。

即ち、発酵槽１内のエタノール水溶液の濃度が一定値以上であればゲート膜７をエタノール水溶液が透過するので、これを簡易センサー１２で検出する。そして発酵槽１内のエタノール水溶液の濃度が一定値以上であることを検知したら、供給管１３を介して発酵槽１内のエタノール水溶液を直接浸透気化膜８に送り込んで濃縮する。

図８は更なる別実施例に係るエタノールの濃縮システムの構成図であり、この実施例にあっては、図７に示したシステムに更に改良を加えたもので、供給管１３の途中に精密ろ過膜（通常の多孔膜）１４を配置し、発酵槽１内の発酵液をろ過した後に浸透気化膜８に送り込むようにしている。

本発明によって得られる濃縮されたエタノールは、燃料や薬剤として利用することができる。

本発明に係るエタノールの濃縮システムの構成図 （ａ）及び（ｂ）は同システムの一部に組み入れられる膜ユニットの概略図 ゲート膜の透過流束のエタノール濃度依存性（温度の影響）を示すグラフ ゲート膜の透過流束のエタノール濃度依存性（グルコース濃度の影響）を示すグラフ ゲート膜の応答特性を示すグラフ 別実施例に係るエタノールの濃縮システムの構成図 別実施例に係るエタノールの濃縮システムの構成図 別実施例に係るエタノールの濃縮システムの構成図 浸透気化膜でエタノールを分離した場合の１次側と２次側の濃度を示すグラフ

符号の説明

１…発酵槽
２…攪拌機
３…循環路
４…膜モジュール
５…脱水膜
６…戻し管
７…ゲート膜
７ａ…多孔質高密度基材
７ｂ…細孔
７ｃ…ゲル化合物
８…浸透気化膜
９…戻し管
１０…バッファタンク
１１…液面検出計
１２…簡易センサー
１３…供給管
１４…精密ろ過膜

Claims (3)

1. エタノール発酵槽内のエタノール水溶液を取り出して再びエタノール発酵槽に戻す循環路に所定濃度以上のエタノール水溶液に対して開となるゲート膜を設け、このゲート膜をエタノール水溶液が透過したことを感知したならば、エタノール発酵槽内のエタノール水溶液を浸透気化膜に供給し、浸透気化膜を透過した高濃度のエタノール水溶液については次工程に送り込み、浸透気化膜を透過しないエタノール水溶液についてはエタノール発酵槽内に戻すことを特徴とするエタノールの濃縮システム。
2. 請求項１に記載のエタノールの発酵濃縮システムにおいて、前記浸透気化膜の下流側に更にエタノールの濃度を高めるための脱水膜を配置したことを特徴とするエタノールの濃縮システム。
3. 請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のエタノールの濃縮システムにおいて、前 記浸透気化膜の上流側に精密ろ過膜を配置したことを特徴とするエタノールの濃縮システ ム。