JP4707007B2 - ヤーコンからエタノールを製造する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヤーコンから効率良く糖分を抽出してエタノールを製造する方法及び装置に関するものである。

ヤーコンは、キク科の多年生草本であり、塊根にフラクトオリゴ糖を大量に貯蓄している。豊富に含まれるフラクトオリゴ糖の整腸作用や血糖値抑制効果など健康に対する効果が注目されており、ヤーコンを用いた様々な食品の製品化が進められている。

特許文献１に記載されているように、皮付きのヤーコン塊根部を８０℃を超える温度で５〜６０分の時間をかけて熱処理した後、破砕及び圧搾して得た搾汁を６５〜８０℃の温度で１０〜３０分の時間をかけて熱処理して滅菌搾汁を得、該滅菌搾汁に酵母を加えてアルコール発酵する発明も公開されている。
特開２００６−１８０８０４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明は、破砕及ぶ圧搾前に熱処理をしており、糖分が溶け出すおそれがある。

そこで、本発明は、ヤーコンから効率良く糖分を抽出してエタノールを製造する方法及び装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記の課題を解決するために、洗浄したヤーコン８の葉、茎及び塊根を粉砕機９ですり潰す粉砕工程２と、すり潰した前記ヤーコン８を固液分離機１０で糖分含有濾液１０ａと固体繊維質１０ｂに分ける固液分離工程３と、前記固体繊維質１０ｂに水を添加し脱水機１１で糖分含有圧搾液１１ａと脱水ケーキ１１ｂに分ける脱水工程４と、前記濾液１０ａ及び圧搾液１１ａを加熱し滅菌する加熱殺菌工程５と、滅菌した前記濾液１０ａ及び圧搾液１１ａに酵母を添加しアルコール発酵させてエタノール原料液１４ａを得る発酵工程６と、前記原料液１４ａを濾過して気化槽１４に送り、温度計１６ａで前記原料液１４ａの温度を計測しながらヒータ１６ｂで前記原料液１４ａを加熱する温度制御装置１６と圧力計１８ａで前記気化槽１４内の圧力を計測しながら電子式真空バルブ１８ｂを開閉して真空ポンプ２０で吸引する気体の流量を調整する圧力制御装置１８とで制御しながら前記原料液１４ａからエタノールを蒸発させて一次冷却槽１５に送り、前記一次冷却槽１５でエタノールに混入した水分を液化させて除去した上で二次冷却コンデンサ１９に送り、前記二次冷却コンデンサ１９に冷却水１９ａを掛け内部を通過するエタノールを液化させ冷却槽２１に貯留する蒸留工程７とからなることを特徴とするヤーコンからエタノールを製造する方法１及び装置の構成とした。

本発明は、ヤーコンの塊根部だけでなく、葉や茎からも糖分を抽出し、さらに固液分離後の固体繊維質からも糖分を抽出することにより、糖分の抽出率を大幅に向上させることができる。

また、蒸留缶に電子式圧力計と電子式弁を設け、原料液内にサーモスタットと電子式温度計を設けて、温度と圧力を一定に制御することにより、効率良くエタノールを抽出することができる。

本発明は、ヤーコンから効率良く糖分を抽出してエタノールを製造するという目的を、洗浄したヤーコンの葉、茎及び塊根を粉砕機ですり潰す粉砕工程と、すり潰した前記ヤーコンを固液分離機で糖分含有濾液と固体繊維質に分ける固液分離工程と、前記固体繊維質に水を添加し脱水機で糖分含有圧搾液と脱水ケーキに分ける脱水工程と、前記濾液及び圧搾液を加熱し滅菌する加熱殺菌工程と、滅菌した前記濾液及び圧搾液に酵母を添加しアルコール発酵させてエタノール原料液を得る発酵工程と、前記原料液を濾過して気化槽に送り、温度計で前記原料液の温度を計測しながらヒータで前記原料液を加熱する温度制御装置と圧力計で前記気化槽内の圧力を計測しながら電子式真空バルブを開閉して真空ポンプで吸引する気体の流量を調整する圧力調整装置とで制御しながら前記原料液からエタノールを蒸発させて一次冷却槽に送り、前記一次冷却槽でエタノールに混入した水分を液化させて除去した上で二次冷却コンデンサに送り、前記二次冷却コンデンサに冷却水を掛け内部を通過するエタノールを液化させ冷却槽に貯留する蒸留工程とからなる方法及び装置により実現した。

以下に、添付図面に基づいて、本発明であるヤーコンからエタノールを製造する方法及び装置について詳細に説明する。図１は、本発明であるヤーコンからエタノールを製造する方法の流れを示すフローチャート図である。

エタノール製造方法１は、粉砕工程２、固液分離工程３、脱水工程４、加熱殺菌工程５、発酵工程６、及び蒸留工程７からなる。

粉砕工程２は、洗浄したヤーコンの葉、茎及び塊根をすり下ろす。塊根が最も糖分を貯蔵しており、１００グラムあたり約１３．８グラムの糖分を含んでいるが、茎や葉にも多くの糖分を含んでおり、茎部の圧搾液には糖分が約４．８％含まれる。茎や葉まで用いることで、ヤーコンの糖分を余すことなく使うことができる。

固液分離工程３は、すり潰したヤーコンに圧力を掛けて、水分を搾り出し、濾液１０ａと固体繊維質１０ｂに分ける。固形物が残り、エタノールの原料となる糖分その他の成分をを含んだ水が濾過される。

脱水工程４は、固液分離後の固体繊維質１０ｂにも全重量の約１０％の糖分が含まれているので、同質量の水を添加して脱水し、圧搾液１１ａと脱水ケーキ１１ｂに分ける。尚、残った脱水ケーキ１１ｂは、他の食品にしたり、ヤーコンを育てる際の肥料にする。

加熱殺菌工程５は、固液分離した濾液１０ａと、脱水した圧搾液１１ａを、約１００℃で約３分間、熱処理して殺菌する。圧搾前に加熱すると、糖分が溶け出すおそれがあり、効率が悪いので、圧搾後に一度だけ行う。尚、温度と時間については、滅菌可能な範囲で行えば良い。

発酵工程６は、熱処理した濾液１０ａ及び圧搾液１１ａに酵母を銜え、３〜４日間、約２８℃で発酵させる。尚、期間及び温度については、酵母に依存するため、使用する酵母に応じて調整する。

蒸留工程７は、発酵により生成したエタノール原料液１４ａから、減圧蒸留によりエタノールのみを分離させ、バイオエタノール２１ａを生成する。尚、残留液は、ヤーコンエキスとして食品利用が可能である。

図２は、本発明であるヤーコンからエタノールを製造する方法における圧搾脱水方法及びその装置構成を示す図である。圧搾脱水方法１ａは、粉砕工程２から発酵工程６までを粉砕機９、固液分離機１０、脱水機１１、及び発酵槽１２を用いて行う。

粉砕機９は、ヤーコンの葉、茎及び塊根を粉砕する装置である。細かくなったヤーコンは、固体液体ともに固液分離機１０に送られる。

固液分離機１０は、潰したヤーコンを圧搾して液体と固体に分ける。固液分離機１０には固体繊維質１０ｂが残り、濾液１０ａは加熱殺菌した上で発酵槽１２に送られる。残った固体繊維質１０ｂは脱水機１１に送られる。

脱水機１１は、固体繊維質１０ｂに水分を加え、糖分を搾り出す。脱水機１１には脱水ケーキ１１ｂが残り、圧搾液１１ａは加熱殺菌した上で発酵槽１２に送られる。

発酵槽１２は、糖分に酵母を添加してアルコール発酵させるための容器である。ヤーコンはフラクトオリゴ糖を多く含むので、これを発酵させエタノールを生成させるのに適した酵母を添加する。

図３は、本発明であるヤーコンからエタノールを製造する方法における蒸留方法の流れを示すフローチャートである。蒸留工程７は、濾過工程７ａ、加熱工程７ｂ、一次冷却工程７ｃ、及び二次冷却工程７ｄからなる。

濾過工程７ａは、発酵後液体１３ａを濾過し、固形物を取り除いたエタノール原料液１４ａとする。

加熱工程７ｂは、原料液１４ａを加熱し、水とエタノールの気化温度差を利用してエタノールのみを蒸発させる。尚、圧力を０．１気圧に減圧すると、水の気化温度は４６．３℃、エタノールの気化温度は２９．５℃となる。

一次冷却工程７ｃは、蒸発したエタノールを一旦冷却して液化させた後、さらにエタノールのみを蒸発させることにより、エタノールに混入した水分を除去する。

二次冷却工程７ｄは、気化したエタノールを２５℃以下に冷却してバイオエタノール２１ａとして抽出する。

図４は、本発明であるヤーコンからエタノールを製造する方法における蒸留方法及びその装置構成を示す図である。

蒸留方法１ｂは、濾過工程７ａから二次冷却工程７ｄまでを、濾過装置１３、気化槽１４、一次冷却槽１５、温度制御装置１６、温度制御装置１７、圧力制御装置１８、二次冷却コンデンサ１９、真空ポンプ２０、及び冷却槽２１を用いて行う。

濾過装置１３は、発酵後液体１３ａを濾過する装置である。発酵槽１２において糖分が発酵してエタノールが発生するが、それ以外に発生したもので固形化したものを除外し、液体のみを気化槽１４に送る。

気化槽１４は、原料液１４ａを加熱するための容器である。原料液１４ａが酸性であるため、内壁は腐食防止処理を施したもの又はガラス製で、保温するために周りを断熱材で覆う。

一次冷却槽１５は、気化槽１４で蒸発したエタノールを冷却する通路と、冷却されて液体に戻ったものを貯留する容器とからなる。エタノールと共に若干の水分も蒸発するので、混入した水分を除去するために、水分のみを液化し、エタノールは気化させる。

温度制御装置１６は、気化槽１４内の原料液１４ａの温度を温度計１６ａで計測し、気化槽１４内に設置したヒータ１６ｂの加熱を調整する装置である。水蒸気を用いて熱する方式ではないので、蒸気に水分が混入するのを抑えることができる。

温度制御装置１７は、一次冷却槽１５内の液体の温度を温度計１７ａで計測し、一次冷却槽１５内に設置したヒータ１７ｂの加熱を調整する装置である。

圧力制御装置１８は、気化槽１４内の圧力を圧力計１８ａで計測し、電子式真空バルブ１８ｂを調整する装置である。電子式真空バルブ１８ｂを開けると、真空ポンプ２０により気化槽１４内が減圧される。

気化槽１４内の圧力を０．１気圧とし、原料液１４ａの温度を３８〜４０℃に加熱する。水は蒸発せず、エタノールのみが蒸発する。蒸発した気体は一次冷却槽１５へ送られ、混入した水分だけを液化し、エタノールは気体のまま二次冷却コンデンサ１９へ送られる。

原料液１４ａが気化すると、気化槽１４内の圧力が上がるので、電子式真空バルブ１８ｂを開け、気体を吸引することで圧力が一定となるように制御する。これにより気体が二次冷却コンデンサ１９に送られる。尚、沸騰時は圧力が安定しないので、圧力計１８ａを確認しながら圧力及び蒸気流量を制御する。

二次冷却コンデンサ１９は、管状の通路の外壁に冷却水１９ｂを掛け、管内を通過する気体を冷却する装置である。冷却水１９ｂの温度を２５℃以下とすることで、減圧下のエタノールが液化し、冷却槽２１に送られる。

真空ポンプ２０は、密封空間内の気体を吸引して減圧する装置である。油回転式ではなく、ドライポンプを使用するのが好ましい。冷却されても液化しなかった気体は、真空ポンプ２０により除去される。

気化槽１４、一次冷却槽１５、二次冷却コンデンサ１９、及び冷却槽２１は繋がっているが、全体としては密閉空間であり、この全体空間を減圧する。一次冷却槽１５と二次冷却コンデンサ１９の間には電子式真空バルブ１８ｂが設置され、気化槽１４及び一次冷却槽１５の圧力が調整される。

冷却槽２１は、液化したエタノールを貯留する容器である。気化しないように減圧下の２０℃以下で保冷する。これにより、濃度７５％以上のバイオエタノール２１ａを効率良く抽出することができる。

本発明であるヤーコンからエタノールを製造する方法の流れを示すフローチャート図である。 本発明であるヤーコンからエタノールを製造する方法における圧搾脱水方法及びその装置構成を示す図である。 本発明であるヤーコンからエタノールを製造する方法における蒸留方法の流れを示すフローチャートである。 本発明であるヤーコンからエタノールを製造する方法における蒸留方法及びその装置構成を示す図である。

符号の説明

１ エタノール製造方法
１ａ 圧搾脱水方法
１ｂ 蒸留方法
２ 粉砕工程
３ 固液分離工程
４ 脱水工程
５ 加熱殺菌工程
６ 発酵工程
７ 蒸留工程
７ａ 濾過工程
７ｂ 加熱工程
７ｃ 一次冷却工程
７ｄ 二次冷却工程
８ ヤーコン
９ 粉砕機
１０ 固液分離機
１０ａ 濾液
１０ｂ 固体繊維質
１１ 脱水機
１１ａ 圧搾液
１１ｂ 脱水ケーキ
１２ 発酵槽
１３ 濾過装置
１３ａ 発酵後液体
１４ 気化槽
１４ａ 原料液
１５ 一次冷却槽
１６ 温度制御装置
１６ａ 温度計
１６ｂ ヒータ
１７ 温度制御装置
１７ａ 温度計
１７ｂ ヒータ
１８ 圧力制御装置
１８ａ 圧力計
１８ｂ 電子式真空バルブ
１９ 二次冷却コンデンサ
１９ｂ 冷却水
２０ 真空ポンプ
２１ 冷却槽
２１ａ バイオエタノール

Claims (2)

1. 洗浄したヤーコンの葉、茎及び塊根を粉砕機ですり潰す粉砕工程と、すり潰した前記ヤーコンを固液分離機で圧搾し糖分含有濾液と固体繊維質に分ける固液分離工程と、前記固体繊維質に同質量の水を添加し脱水機で前記固体繊維質に残存する糖分を搾り出して糖分含有圧搾液と脱水ケーキに分ける脱水工程と、糖分を含有する前記濾液及び圧搾液を加熱し滅菌する加熱殺菌工程と、滅菌した前記濾液及び圧搾液に酵母を添加しアルコール発酵させてエタノール原料液を得る発酵工程と、前記原料液を濾過して気化槽に送り、温度計で前記原料液の温度を計測しながらヒータで前記原料液を加熱する温度制御装置と圧力計で前記気化槽内の圧力を計測しながら電子式真空バルブを開閉して真空ポンプで吸引する気体の流量を調整する圧力調整装置とで制御しながら減圧下で前記原料液からエタノール及び水分を蒸発させて一次冷却槽に送り、前記一次冷却槽で温度を調節してエタノールに混入した水分を液化させて除去した上で二次冷却コンデンサに送り、前記二次冷却コンデンサに冷却水を掛け内部を通過するエタノールを液化させて７５％以上の高濃度で冷却槽に貯留する蒸留工程とからなることを特徴とするヤーコンからエタノールを製造する方法。
2. 洗浄したヤーコンの葉、茎及び塊根をすり潰す粉砕機と、すり潰した前記ヤーコンを圧搾して糖分含有濾液と固体繊維質に分ける固液分離機と、前記固体繊維質に同質量の水を添加し前記固体繊維質に残存する糖分を搾り出して糖分含有圧搾液と脱水ケーキに分ける脱水機と、滅菌した前記濾液及び圧搾液に酵母を添加しアルコール発酵させてエタノール原料液を得る発酵槽と、減圧下で濾過した前記原料液からエタノール及び水分を蒸発させるために内壁に腐食防止処理を施し周りを断熱材で覆った気化槽と、温度計で前記原料液の温度を計測しながらヒータで前記原料液を加熱する温度制御装置と、圧力計で前記気化槽内の圧力を計測しながら電子式真空バルブを開閉して真空ポンプで吸引する気体の流量を調整する圧力調整装置と、温度を調節して前記エタノールに混入した水分を液化させて除去する一次冷却槽と、前記エタノールを冷却し液化させる二次冷却コンデンサと、液化した前記エタノールを７５％以上の高濃度で貯留する冷却槽とからなることを特徴とするヤーコンからエタノールを製造する装置。

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