JP5249106B2 - Method for continuous fermentation production of ethanol - Google Patents
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Description
本発明は、糖質又はデンプン質原料を基質として用い、酵母によるアルコール発酵により連続的にエタノールを製造する方法、特に、糖質又はデンプン質原料を基質として用いるエタノールの連続発酵製造方法において、発酵温度、基質の供給・発酵液の抜き出し速度、通気、酵母濃度、及び発酵液中のエタノール濃度について特定の条件を組み合わせることにより、連続発酵中、酵母の追加供給を行うことなく効率的なエタノールの生成を持続することを可能としたエタノールの連続発酵製造方法に関する。 The present invention relates to a method for continuously producing ethanol by alcohol fermentation with yeast using a saccharide or starchy raw material as a substrate, in particular, in a continuous fermentation production method for ethanol using a saccharide or starchy raw material as a substrate. By combining specific conditions for temperature, substrate supply / fermentation liquid withdrawal rate, aeration, yeast concentration, and ethanol concentration in the fermentation liquid, efficient ethanol production without additional yeast supply during continuous fermentation The present invention relates to a method for producing ethanol by continuous fermentation, which can sustain the production.
近年、環境問題等からガソリンのような化石燃料の代替燃料としてバイオエタノールの利用が注目を集めている。最近は、未利用バイオマスの有効活用という観点から、木材や紙類或いはワラ類のような農業廃棄物といったようなセルロース系のバイオマス原料の利用が検討されている（特開２００６−８８１３６号公報；特開２００８−５４６７６号公報；特開２００８−２６０８１１号公報；特開２００８−２９７２２９号公報；特開２００９−５９号公報）。しかし、その製造上の容易さや、製造効率の観点からは、原料として、サトウキビやてん菜に由来する糖質や、穀類等のデンプン質のような製造原料を用いたエタノールの製造が注目されている。 In recent years, the use of bioethanol as an alternative fuel for fossil fuels such as gasoline has attracted attention due to environmental problems. Recently, from the viewpoint of effective utilization of unused biomass, the use of cellulosic biomass raw materials such as agricultural waste such as wood, paper, or straw has been studied (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-88136; JP 2008-54676 A; JP 2008-260811 A; JP 2008-297229 A; JP 2009-59 A). However, from the viewpoint of ease of production and production efficiency, ethanol production using sugar-derived sugarcane, sugar beet derived from sugar beet, starchy raw materials such as cereals as a raw material has attracted attention. .
糖質又はデンプン質を含む原料を基質として用いて、酵母によるアルコール発酵によりエタノールを製造する技術は、工業的な発酵によるエタノールの製造技術として従来より開発が進んでいる。従来のデンプン又は糖質を含む原料からエタノールを生産する工業的な方法としては、「回分発酵方法」によるもの、「半連続発酵方法」によるもの、及び「連続発酵方法」によるものがある（大聖泰弘、三井物産（株）編、「図解バイオエタノール最前線」（工業調査会）、ｐｐ１２５−１３１、２００４）。 The technology for producing ethanol by alcoholic fermentation with yeast using a raw material containing sugar or starch as a substrate has been developed as a technology for producing ethanol by industrial fermentation. Conventional industrial methods for producing ethanol from starch or sugar-containing raw materials include a “batch fermentation method”, a “semi-continuous fermentation method”, and a “continuous fermentation method” (Daisei). Yasuhiro, edited by Mitsui & Co., Ltd., “The Frontier of Illustrated Bioethanol” (Industry Research Committee), pp 125-131, 2004).
「回分発酵方法」は、発酵タンクにもろみを供給し、酵母を接種し一定温度で必要時間発酵させて、熟成もろみを得るという最も単純な発酵プロセスによる方法である。回分発酵方法において、濃厚仕込みを行う場合には、発酵開始時は、低基質濃度で仕込み、酵母が充分増殖し、基質が消費された時点で、一定時間毎に新たに基質を供給することによって、高濃度基質による発酵阻害を回避して最終的に高濃度の発酵生産物を得ることが行われている（添掛け発酵法）。これら回分発酵方法では、発酵毎に酵母の添加と培養を必要とするため酵母増殖に糖を使用することになり、エタノール生産効率では不利となる。更に、酵母培養時間を必要とすることからエタノール生産に要する時間も長くなる傾向があり、時間当たりのエタノール生産効率でも不利となる。 The “batch fermentation method” is a method based on the simplest fermentation process in which mash is supplied to a fermentation tank, inoculated with yeast, and fermented at a certain temperature for a required time to obtain a mature mash. In the batch fermentation method, when a thick preparation is performed, at the start of fermentation, the preparation is performed at a low substrate concentration, and when the yeast is sufficiently proliferated and the substrate is consumed, a new substrate is supplied at regular intervals. In order to avoid fermentation inhibition by a high-concentration substrate, a high-concentration fermentation product is finally obtained (added fermentation method). These batch fermentation methods require the addition and culture of yeast for each fermentation, so sugar is used for yeast growth, which is disadvantageous in ethanol production efficiency. Furthermore, since the yeast culture time is required, the time required for ethanol production tends to be long, and the ethanol production efficiency per hour is disadvantageous.
「半連続発酵方法」としては、Melle-Boint半連続発酵法が知られている。この方法では、発酵終了時に遠心分離機により酵母を回収し繰り返し酵母を利用している。しかし、これらの方式では、酵母回収用の遠心分離機や雑菌の殺菌処理設備を必要とし、穀類を原料とした発酵液のような酵母以外の固形物を含む場合には適用できないなどの問題がある。酵母を繰り返し利用する凝集性酵母を用いる繰り返し回分発酵法においても、酵母を凝集沈降により回収するため、酵母以外の固形分を含む発酵液への適用は困難である。 As the “semi-continuous fermentation method”, the Melle-Boint semi-continuous fermentation method is known. In this method, yeast is collected by a centrifuge at the end of fermentation and repeatedly used. However, these methods require a centrifuge for recovering yeast and a sterilization facility for miscellaneous bacteria, and cannot be applied to cases where solids other than yeast such as fermentation broth using cereals are included. is there. Even in the repeated batch fermentation method using aggregating yeast that repeatedly uses yeast, since the yeast is recovered by coagulation sedimentation, it is difficult to apply it to a fermentation broth containing solids other than yeast.
「連続発酵方法」として、各種の方法が開発されている。例えば、ブラジルのサトウキビ原料に使用されるカスケード式連続発酵法が知られている。また、糖蜜を用いた本格的な連続発酵方法として、１９７１年国営千葉アルコール工場において実用化された、連続蒸し煮装置で殺菌した糖蜜を１系統７本の発酵槽に連続的に供給して発酵を行わせる連続発酵方法が開発されている（藤巻正生外４名編、「食品工業」恒星社厚生閣（１９８５年９月２５日発行）ｐ４６２）。この方法では、従来の回分方式と同等又はそれ以上の発酵成績を得ることができるが、２０〜３０日以上の発酵を続けると酵母の凝集と雑菌汚染が見られるようになり、連続発酵の持続が難しくなるという技術上の問題点が残されていた。 Various methods have been developed as “continuous fermentation methods”. For example, a cascade-type continuous fermentation method used as a raw material for sugarcane in Brazil is known. In addition, as a full-fledged continuous fermentation method using molasses, fermented by continuously supplying molasses sterilized by continuous steaming equipment put into practical use at the nationally-owned Chiba Alcohol Factory in 1971 to 7 fermenters per line. Has been developed (Fujimaki Masao, 4 people, “Food Industry”, Hoshiseisha Koseikaku (published on September 25, 1985) p462). In this method, a fermentation result equivalent to or higher than that of the conventional batch method can be obtained. However, if fermentation is continued for 20 to 30 days or more, yeast agglutination and contamination with bacteria are observed, and continuous fermentation is continued. The technical problem was that it would become difficult.
また、発酵終了時に酵母を回収再利用しない連続発酵方法において、発酵槽の他に酵母培養タンクを持ち、常時発酵と並行して酵母培養を実施し酵母を連続又は半連続的に添加する方式が開発されている（Nottingham University Press, pp. 257-268, 1995)。しかし、この方法においては、酵母の追加的な添加を行わなければならず、また、糖分の一部をエタノール製造ではなく酵母培養に用いることとなり、エタノール生産効率上有利とはいえない。また、近年、連続発酵方法において、酵母を追加添加する方式に代えて、固定化酵母により連続発酵を行う技術が開発されている（藤巻正生外４名編、「食品工業」恒星社厚生閣（１９８５年９月２５日発行）ｐ４６３−４６４）。この方法では、長期間にわたり安定したエタノールの製造を可能としているが、固定化増殖酵母をカラムに充填する方式で、連続発酵を行うものであるため、装置的に及び操作上も複雑となる傾向がある。 In addition, in a continuous fermentation method in which yeast is not collected and reused at the end of fermentation, there is a method in which a yeast culture tank is provided in addition to the fermentor, yeast culture is performed in parallel with continuous fermentation, and yeast is added continuously or semi-continuously. Developed (Nottingham University Press, pp. 257-268, 1995). However, in this method, additional yeast must be added, and a part of the sugar is used for yeast culture instead of ethanol production, which is not advantageous in terms of ethanol production efficiency. Also, in recent years, in the continuous fermentation method, instead of the method of adding yeast additionally, a technique for continuous fermentation using immobilized yeast has been developed (Fujimaki Masao, et al., “Food Industry”, Hoshiseisha Koseikaku. (Published September 25, 1985) p463-464). This method makes it possible to produce ethanol stably over a long period of time. However, since it is a continuous fermentation method in which a column is filled with immobilized growth yeast, it tends to be complicated in terms of equipment and operation. There is.
一方で、発酵によるアルコールの製造方法として、デンプン質等の原料から、液化・糖化と、アルコール発酵を並行して行う方法が開示されている。該方法による連続発酵法では、酵母の追加の添加が行われている。例えば、特開昭５６−１５６９１号公報には、デンプン質を原料とし、アミラーゼ酵素剤及び酵母菌の存在下にアルコール発酵を行い、生成したアルコールを回収しつつ発酵を行うアルコールの製造方法が開示されている。該方法では、減圧蒸留によって回収されたアルコール蒸留残液を再び、アミラーゼ源、酵母源として利用している。また、特開２００８−１０４４５２号公報には、多糖類を含有する生ゴミの糖化とアルコール発酵とを同時に行うアルコール生産システムについて開示されている。該システムの連続発酵においては、糖化・発酵した醪の一部を、糖化・発酵部の最初に戻して発酵が行われている。他方、ＷＯ２００２／０４２４８３号公報には、グルコアミラーゼを細胞表層に提示する酵母を用いて、デンプンの存在下で繰り返し回分発酵又は連続発酵を行う方法が開示されている。しかし、この方法では、酵母を追加添加する代わりに、担体に固定化した酵母が用いられている。 On the other hand, as a method for producing alcohol by fermentation, a method of performing liquefaction / saccharification and alcohol fermentation in parallel from a raw material such as starch is disclosed. In the continuous fermentation method by this method, additional addition of yeast is performed. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 56-15691 discloses a method for producing alcohol in which starch is used as a raw material, alcohol fermentation is performed in the presence of an amylase enzyme agent and yeast, and fermentation is performed while recovering the produced alcohol. Has been. In this method, the alcohol distillation residue recovered by vacuum distillation is used again as an amylase source and a yeast source. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-104452 discloses an alcohol production system that simultaneously performs saccharification of raw garbage containing polysaccharides and alcohol fermentation. In the continuous fermentation of the system, fermentation is performed by returning a part of the saccharified / fermented koji to the beginning of the saccharification / fermentation section. On the other hand, WO2002 / 042483 discloses a method of performing repeated batch fermentation or continuous fermentation in the presence of starch using yeast that presents glucoamylase on the cell surface. However, in this method, yeast immobilized on a carrier is used instead of adding yeast.
本発明の課題は、糖質又はデンプン質原料を基質として用い、１つ若しくは複数の発酵槽を用いて、酵母によるアルコール発酵により連続的にエタノールを製造するエタノールの連続発酵製造方法において、連続発酵のために、酵母の追加添加や、抜き出し発酵液からの酵母の回収・再利用を行う工程を用いることなく、効率的にエタノールを連続生産する方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a continuous fermentation of ethanol using a saccharide or starchy raw material as a substrate and continuously producing ethanol by alcohol fermentation with yeast using one or a plurality of fermenters. Therefore, an object of the present invention is to provide a method for efficiently and continuously producing ethanol without using additional steps of yeast and steps of collecting and reusing yeast from the extracted fermentation broth.
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討する中で、糖質又はデンプン質原料を基質として用い、酵母によるアルコール発酵により連続的にエタノールを製造するエタノールの連続発酵製造方法において、発酵温度、基質の供給・発酵液の抜き出し速度、通気、酵母濃度、及び発酵液中のエタノール濃度について特定の条件を組み合わせることにより、酵母の増殖と増殖した酵母によるアルコール発酵のバランスを有効に採ることができ、連続発酵中、酵母の追加供給を行うことなく効率的なエタノールの生成を持続することが可能であることを見い出し、本発明を完成するに至った。 In the continuous fermentation production method of ethanol, in which the present inventor has intensively studied to solve the above-mentioned problems, using a saccharide or starchy raw material as a substrate, and continuously producing ethanol by alcohol fermentation with yeast, the fermentation temperature It is possible to effectively balance the growth of yeast and alcohol fermentation by the grown yeast by combining specific conditions for substrate supply / fermentation liquid extraction speed, aeration, yeast concentration, and ethanol concentration in the fermentation liquid. It has been found that it is possible to maintain efficient production of ethanol without continuous supply of yeast during continuous fermentation, and the present invention has been completed.
すなわち、糖質又はデンプン質原料を基質として用いる酵母によるアルコール発酵においては、好気的条件下、基質存在下における酵母の増殖と、嫌気的条件下、基質存在下における増殖した酵母によるアルコール発酵とが行われる。回分発酵方法によるエタノールの製造においては、かかる酵母の増殖工程と、増殖した酵母によるアルコール発酵工程とが交互に行われるため、それぞれの工程に適合した条件を採用することができる。しかし、連続発酵方法におけるアルコール発酵においては、酵母による効率的なアルコールの生成を達成するために、酵母によるアルコール発酵に適した条件が採用される。したがって、酵母の増殖が抑えられると共に、連続的に発酵液として抜き出される酵母とに相俟って、酵母濃度が減少する。よって、連続発酵方法において、高いアルコールの生成を持続するには、酵母の追加添加や、抜き出し発酵液からの酵母の回収・再利用を行い、酵母を補充することが行なわれている。 That is, in alcoholic fermentation by yeast using a carbohydrate or starchy raw material as a substrate, the growth of yeast in the presence of the substrate under aerobic conditions and the alcoholic fermentation by yeast grown in the presence of the substrate under anaerobic conditions Is done. In the production of ethanol by the batch fermentation method, the yeast growth step and the alcohol fermentation step by the grown yeast are alternately performed, and therefore conditions suitable for each step can be employed. However, in the alcohol fermentation in the continuous fermentation method, conditions suitable for alcohol fermentation by yeast are employed in order to achieve efficient production of alcohol by yeast. Accordingly, the growth of yeast is suppressed, and the yeast concentration is reduced in combination with the yeast that is continuously extracted as a fermentation broth. Therefore, in the continuous fermentation method, in order to maintain the production of high alcohol, supplementation of yeast is performed by adding yeast or recovering / reusing yeast from the extracted fermentation broth.
エタノール製造においては、エタノール生成速度が速いほど一定期間におけるエタノール製造量が多くなり、また、製造に要する設備を削減できることから経済性も高い。したがって、エタノール生成速度を高めるには、発酵開始時の酵母濃度、即ち、培養終了時の酵母濃度を高くする必要があるが、培養終了時の酵母濃度を高めることは、エタノールとなるべき糖を酵母に変換することを意味し、エタノール生産効率を低下させる問題が生じた。 In ethanol production, the higher the ethanol production rate, the greater the amount of ethanol produced in a certain period, and the more economical the equipment required for production can be reduced. Therefore, in order to increase the ethanol production rate, it is necessary to increase the yeast concentration at the start of fermentation, that is, the yeast concentration at the end of the culture. This meant that it was converted to yeast, resulting in a problem of reducing ethanol production efficiency.
そこで、連続発酵方法におけるアルコール発酵の条件について、鋭意検討する中で、上記のとおり、連続発酵における、発酵温度、基質の供給・発酵液の抜き出し速度、通気、酵母濃度、及び発酵液中のエタノール濃度について特定の条件を組み合わせることにより、酵母の増殖と、増殖した酵母によるアルコール発酵とを両立させることが可能であり、かかる酵母の増殖と、増殖した酵母によるアルコール発酵とのバランスを有効に採ることにより、連続発酵中、酵母の追加供給を行うことなく効率的なエタノールの生成を持続することを可能とし、本発明を完成するに至ったものである。 Therefore, while intensively studying the conditions of alcohol fermentation in the continuous fermentation method, as described above, the fermentation temperature, substrate supply / fermentation liquid extraction speed, aeration, yeast concentration, and ethanol in the fermentation liquid as described above. By combining specific conditions for concentration, it is possible to achieve both yeast growth and alcohol fermentation by the grown yeast, and effectively balance the growth of the yeast and alcohol fermentation by the grown yeast. Thus, during continuous fermentation, it is possible to maintain efficient production of ethanol without additional supply of yeast, and the present invention has been completed.
なお、本発明において発酵槽は、１つ若しくは複数を直列に配して、排出された発酵液が順次以降の発酵槽に供給される形式のものを用いることができる。複数の発酵槽を使用する場合には、複数の発酵槽を直列に配し、基質を第一番目の発酵槽（第１発酵槽）に投入し、第１発酵槽からのオーバーフローを第二番目に発酵槽（第２発酵槽）で受ける。以後、設置した発酵槽の数に従い、順次発酵槽の受払いを連続的に実施する。発酵槽が１つの場合は、その発酵槽を第１発酵槽とする。 In the present invention, one or more fermenters can be arranged in series, and a type in which the discharged fermentation liquor is sequentially supplied to the subsequent fermenters can be used. When using multiple fermenters, place multiple fermenters in series, put the substrate into the first fermentor (first fermentor), and overflow the first fermentor to the second In the fermenter (second fermenter). Thereafter, according to the number of installed fermenters, the fermenters are successively received and paid in sequence. When there is one fermenter, the fermenter is the first fermenter.
そこで、本発明は、１つ若しくは直列に配置した複数の発酵槽に糖質又はデンプン質原料を基質として供給し、酵母によるアルコール発酵により連続的にエタノールを製造する方法において、連続発酵の条件を、（１）発酵温度を３０〜３５℃の範囲に設定し、（２）基質の供給・発酵液の抜き出し速度を、基質の供給液により発酵液が２倍に希釈される時間を、酵母が２倍に増殖するのに要する時間以上になるような速度に設定し、更に（３）通気量は、発酵液１ｋＬあたり５〜１０ＮＬ／ｍｉｎの範囲であり、かつ、（４）酵母濃度が０．８×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌに達した後は０．８×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌ〜１．７×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌ以下になるように調整し、第１発酵槽の発酵液中のエタノール濃度を６．０ｖ／ｖ％以下に設定することにより、連続発酵中酵母の追加供給を行うことなく効率的なエタノールの生成を持続することを特徴とするエタノールの連続発酵製造方法からなる。
Therefore, the present invention provides a method for supplying saccharides or starchy materials as a substrate to one or a plurality of fermentation tanks arranged in series, and continuously producing ethanol by alcohol fermentation with yeast. (1) The fermentation temperature is set in the range of 30 to 35 ° C., (2) the substrate supply / fermentation liquid extraction speed is set so that the fermentation solution is diluted by a factor of 2 with the substrate supply liquid. The speed is set so as to be more than the time required for double growth, and (3) the aeration rate is in the range of 5 to 10 NL / min per 1 liter of fermentation broth, and (4) the yeast concentration is 0. after reaching .8 × 10 8 cells / ml was adjusted to be less than 0.8 × 10 8 cells / ml~1.7 × 10 8 cells / ml, ethanol fermentation liquid in the first fermenter Concentration is 6.0 v / v% By setting down, consisting of a continuous fermentation method for producing ethanol, characterized in that to sustain the generation of efficient ethanol without additional supply in continuous fermentation yeasts.
本発明は、上記のとおり、エタノールの連続発酵製造方法における連続発酵の条件の組合わせからなるものであるが、発酵温度を３０〜３５℃の範囲に設定することにより、酵母の増殖が阻害されない温度を設定している。また、基質の供給・発酵液の抜き出し速度を、基質の供給液により発酵液が２倍に希釈される時間を、酵母が２倍に増殖するのに要する時間以下になるような速度に設定することにより、酵母の増殖サイクルに合わせて、酵母の減少が起こらない条件を設定している。更に、通気量を、発酵液１ｋＬあたり５〜１０ＮＬ／ｍｉｎの範囲であり、かつ、酵母濃度が０．８×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌに達した後は０．８×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌ〜１．７×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌ以下になるように調整し、第１発酵槽の発酵液中のエタノール濃度を６．０ｖ／ｖ％以下に設定することにより、酵母濃度を維持し、エタノールの生成速度を速め、かつ、通気とエタノール濃度の調整により、アルコール発酵条件下における効率的な酵母の増殖を実現している。 As described above, the present invention comprises a combination of conditions for continuous fermentation in a method for continuously producing ethanol. However, by setting the fermentation temperature in the range of 30 to 35 ° C., the growth of yeast is not inhibited. The temperature is set. Further, the substrate supply / fermentation solution extraction rate is set to a rate at which the time during which the fermentation solution is diluted twice with the substrate supply solution is less than or equal to the time required for yeast to grow twice. Thus, conditions are set so that the yeast does not decrease in accordance with the yeast growth cycle. Furthermore, the aeration rate, fermentation broth in the range of 5~10NL / min per 1 kl, and, after the yeast concentration reached 0.8 × 10 8 cells / ml is 0.8 × 10 8 cells / ml~1 By adjusting the ethanol concentration in the fermentation liquid of the first fermentor to 6.0 v / v% or less, the yeast concentration is maintained and the production of ethanol is adjusted to 7 × 10 8 cells / ml or less. By increasing the speed and adjusting the aeration and ethanol concentration, efficient yeast growth is achieved under alcoholic fermentation conditions.
本発明において、発酵に用いる酵母は特に限定されないが、Saccharomyces cerevisiaeを特に好ましい酵母として挙げることができる。また、本発明のエタノールの連続発酵製造方法における連続発酵の条件において、酵母が２倍に増殖するのに要する時間としては、例えば、酵母の増殖サイクルが５時間である場合には、５時間を設定することができる。本発明のエタノールの連続発酵製造方法における連続発酵の条件において、糖質原料を基質として用いる場合には、第１発酵槽の通気を、本発明で特定する条件により連続発酵中持続して行う。また、デンプン質原料（穀類粉砕物）を基質として供給し、酵母によるアルコール発酵により連続的にエタノールを製造する場合には、通気を、発酵開始後、酵母濃度が０．８×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌに達するまで通気を行い、その後は、通気を行うことなく連続発酵を行うことができる。かかる通気を行う時間としては、例えば、発酵開始後、１５時間までを設定することができる。デンプン質原料や、その液化液を基質として用いた場合には、エタノール生産に十分な酵母量となった場合には、通気を行なわなくても酵母の増殖とエタノールの生成を行うことが可能で、その後の通気を省略することができる。 In the present invention, the yeast used for fermentation is not particularly limited, but Saccharomyces cerevisiae can be mentioned as a particularly preferred yeast. Further, in the continuous fermentation conditions in the method for continuous fermentation of ethanol of the present invention, the time required for yeast to grow twice is, for example, 5 hours when the yeast growth cycle is 5 hours. Can be set. In the continuous fermentation conditions in the method for continuously fermenting ethanol of the present invention, when a saccharide raw material is used as a substrate, the first fermenter is aerated continuously during continuous fermentation under the conditions specified in the present invention. In addition, when a starchy raw material (cereal pulverized product) is supplied as a substrate and ethanol is continuously produced by alcohol fermentation with yeast, aeration is performed, and after the start of fermentation, the yeast concentration is 0.8 × 10 8 cells / cell. Aeration is performed until it reaches ml, and then continuous fermentation can be performed without aeration. As a time for performing such aeration, for example, 15 hours after the start of fermentation can be set. When starchy raw material or its liquefied liquid is used as a substrate, it is possible to grow yeast and produce ethanol without aeration if the amount of yeast is sufficient for ethanol production. Subsequent ventilation can be omitted.
デンプン質原料を基質として供給し、酵母によるアルコール発酵により連続的にエタノールを製造する場合には、発酵を、糖化酵素又は該酵素を産生する微生物を添加した並行複発酵により行うことができる。本発明のエタノールの連続発酵製造方法において、発酵に用いる糖質原料基質としては、サトウキビ或いはてん菜由来の糖質を挙げることができ、より経済的な糖質原料としては、サトウキビ或いはてん菜の抽出液から蔗糖を採取した後の廃糖蜜を挙げることができる。また、本発明のエタノールの連続発酵製造方法において、発酵に用いるデンプン質原料基質としては、穀類由来のデンプン、又は、該デンプンの液化物若しくは糖化物を挙げることができる。 When the starchy raw material is supplied as a substrate and ethanol is continuously produced by alcohol fermentation with yeast, the fermentation can be performed by parallel double fermentation to which a saccharifying enzyme or a microorganism producing the enzyme is added. In the method for continuous fermentation production of ethanol of the present invention, the sugar raw material substrate used for fermentation can include sugar cane or sugar beet derived sugar beet, and more economical sugar raw material is sugar cane or sugar beet extract. The molasses after collecting sucrose from can be mentioned. Moreover, in the continuous fermentation manufacturing method of ethanol of this invention, starch derived from cereals, or the liquefied product or saccharified product of this starch can be mentioned as a starchy raw material substrate used for fermentation.
本発明において、培養終了時の酵母濃度をエタノール生成速度とエタノール生産効率を両立する酵母濃度とすることが必要である。培養終了時の酵母濃度を０．８×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌとし、以降濃度を０．８×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌ以上１．７×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌ以下に維持することで、エタノール生成速度とエタノール生産効率の両立が達成できる。 In the present invention, it is necessary to set the yeast concentration at the end of culture to a yeast concentration that achieves both ethanol production rate and ethanol production efficiency. By making the yeast concentration at the end of the culture 0.8 × 10 8 cells / ml and maintaining the concentration at 0.8 × 10 8 cells / ml or more and 1.7 × 10 8 cells / ml or less, the rate of ethanol production And ethanol production efficiency can be achieved.
すなわち、具体的には本発明は、［１］１つ若しくは複数の発酵槽に糖質又はデンプン質原料を基質として供給し、酵母によるアルコール発酵により連続的にエタノールを製造する方法において、連続発酵の条件を、（１）発酵温度を３０〜３５℃の範囲に設定し、（２）基質の供給・発酵液の抜き出し速度を、基質の供給液により発酵液が２倍に希釈される時間を、酵母が２倍に増殖するのに要する時間以上になるような速度に設定し、更に（３）通気量は、発酵液１ｋＬあたり５〜１０ＮＬ／ｍｉｎの範囲であり、かつ、（４）酵母濃度が０．８×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌに達した後は０．８×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌ〜１．７×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌ以下になるように調整し、第１発酵槽の発酵液中のエタノール濃度を６．０ｖ／ｖ％以下に設定することにより、連続発酵中酵母の追加供給を行うことなく効率的なエタノールの生成を持続することを特徴とするエタノールの連続発酵製造方法や、［２］発酵に用いる酵母が、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅであることを特徴とする上記［１］記載のエタノールの連続発酵製造方法や、［３］糖質原料を基質として供給し、第１発酵槽の通気を、上記［１］に特定する条件により連続発酵中持続して行うことを特徴とする上記［１］又は［２］記載のエタノールの連続発酵製造方法からなる。
Specifically, the present invention provides [1] continuous fermentation in a method of continuously producing ethanol by alcohol fermentation with yeast by supplying a saccharide or starchy raw material as a substrate to one or more fermenters. (1) The fermentation temperature is set in the range of 30 to 35 ° C., and (2) the substrate supply / fermentation liquid extraction speed is set to the time for which the fermentation liquid is diluted twice by the substrate supply liquid. , Set to a speed that is more than the time required for yeast to grow twice, and (3) the aeration rate is in the range of 5 to 10 NL / min per 1 liter of fermentation broth, and (4) yeast concentration was adjusted to become less than 0.8 × 10 8 cells / ml~1.7 × 10 8 cells / ml after reaching 0.8 × 10 8 cells / ml, the fermentation fluid in the first fermenter The ethanol concentration in the inside was 6.0 v / % Or less, the continuous fermentation production method of ethanol characterized by maintaining the efficient production of ethanol without additional supply of yeast during continuous fermentation, and [2] yeast used for fermentation, Saccharomyces cerevisiae, the method for continuous fermentation production of ethanol as described in [1] above, and [3] supplying a saccharide raw material as a substrate, and specifying the ventilation of the first fermentor as described in [1] It consists of the continuous fermentation production method of ethanol according to the above [1] or [2], which is carried out continuously during continuous fermentation depending on conditions.
また本発明は、［４］デンプン質原料を基質として供給し、酵母によるアルコール発酵により連続的にエタノールを製造する方法において、発酵開始後、酵母濃度が０．８×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌに達するまで通気を行うことを特徴とする上記［１］又は［２］記載のエタノールの連続発酵製造方法や、［５］デンプン質原料を基質として供給し、酵母によるアルコール発酵により連続的にエタノールを製造する方法において、発酵が、糖化酵素又は該酵素を産生する微生物を添加した並行複発酵であることを特徴とする上記［１］記載のエタノールの連続発酵製造方法や、［６］発酵に用いる糖質原料基質が、サトウキビ或いはてん菜由来の糖質であることを特徴とする上記［１］〜［３］のいずれか記載のエタノールの連続発酵製造方法からなる。 The present invention also provides [4] a method in which a starchy raw material is supplied as a substrate and ethanol is continuously produced by alcohol fermentation with yeast, and the yeast concentration reaches 0.8 × 10 8 cells / ml after the start of fermentation. The method of continuous fermentation production of ethanol according to the above [1] or [2], wherein [5] is supplied as a substrate, and ethanol is continuously produced by alcohol fermentation with yeast In the method for continuous fermentation of ethanol according to the above [1], wherein the fermentation is parallel double fermentation to which a saccharifying enzyme or a microorganism producing the enzyme is added, or [6] a sugar used for fermentation The method for continuously producing ethanol according to any one of the above [1] to [3], wherein the raw material substrate is sugar derived from sugarcane or sugar beet Consists of the law.
さらに本発明は、［７］サトウキビ或いはてん菜由来の糖質が、該植物の抽出液から蔗糖を採取後の廃糖蜜であることを特徴とする上記［６］記載のエタノールの連続発酵製造方法や、［８］発酵に用いるデンプン質原料基質が、穀類由来のデンプン、又は、該デンプンの液化物若しくは糖化物であることを特徴とする上記［１］又は［２］記載のエタノールの連続発酵製造方法からなる。 Furthermore, the present invention provides [7] the method for continuous fermentation of ethanol according to the above [6], wherein the sugar derived from sugarcane or sugar beet is molasses after collecting sucrose from the extract of the plant, [8] The continuous fermentation production of ethanol according to [1] or [2] above, wherein the starchy raw material substrate used for fermentation is starch derived from cereals, or a liquefied or saccharified product of the starch It consists of a method.
本発明のエタノールの連続発酵製造方法は、従来のエタノールの連続発酵製造方法のように連続発酵のために、酵母の追加添加や、抜き出し発酵液からの酵母の回収・再利用を行う工程を用いることなく、経済的かつ効率的にエタノールを連続生産する方法を提供する。また、本発明のエタノールの連続発酵製造方法は、デンプン質原料を基質として用いて、並行複発酵によるエタノールの連続生産方法に適用することができ、該方法により効率的にエタノールを連続生産することができる。更に、本発明のエタノールの連続発酵製造方法は、工業的なエタノールの連続発酵製造方法として適用することが可能で、経済的かつ効率的なエタノールの連続発酵製造方法を提供する。 The continuous fermentation production method of ethanol of the present invention uses a step of adding yeast or recovering / reusing yeast from a fermentation broth for continuous fermentation as in the conventional continuous fermentation production method of ethanol. There is provided a method for continuously producing ethanol economically and efficiently. Moreover, the continuous fermentation production method of ethanol of the present invention can be applied to a continuous production method of ethanol by parallel double fermentation using a starchy raw material as a substrate, and efficiently produce ethanol continuously by the method. Can do. Furthermore, the continuous fermentation production method of ethanol of the present invention can be applied as an industrial continuous fermentation production method of ethanol, and provides an economical and efficient continuous fermentation production method of ethanol.
本発明は、１つ若しくは直列に配置した複数の発酵槽に糖質又はデンプン質原料を基質として供給し、酵母によるアルコール発酵により連続的にエタノールを製造する方法において、連続発酵の条件を、（１）発酵温度を３０〜３５℃の範囲に設定し、（２）基質の供給・発酵液の抜き出し速度を、基質の供給液により発酵液が２倍に希釈される時間を、酵母が２倍に増殖するのに要する時間以上になるような速度に設定し、更に（３）通気量は、発酵液１ｋＬあたり５〜１０ＮＬ／ｍｉｎの範囲であり、かつ、（４）酵母濃度が０．８×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌに達した後は０．８×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌ〜１．７×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌ以下になるように調整し、第１発酵槽の発酵液中のエタノール濃度を６．０ｖ／ｖ％以下に設定することにより、連続発酵中酵母の追加供給を行うことなく効率的なエタノールの生成を持続することを特徴とするエタノールの連続発酵製造方法からなる。
The present invention provides a method for supplying saccharides or starchy materials as a substrate to one or a plurality of fermenters arranged in series, and continuously producing ethanol by alcohol fermentation with yeast. 1) Fermentation temperature is set in the range of 30-35 ° C, (2) substrate feed / fermentation liquid extraction rate is set to double the time during which the fermentation broth is diluted by the substrate supply liquid. set the speed such that the above time required for growth, and (3) an air permeability of a range of fermented liquid 1kL per 5~10NL / min, and (4) the yeast concentration 0.8 × after reaching the 10 8 cells / ml was adjusted to be less than 0.8 × 10 8 cells / ml~1.7 × 10 8 cells / ml, the ethanol concentration of the fermentation solution in the first fermenter Set to 6.0 v / v% or less By, consisting of a continuous fermentation method for producing ethanol, characterized in that to sustain the generation of efficient ethanol without additional supply in continuous fermentation yeasts.
本発明のエタノールの連続発酵製造方法に用いる酵母としては、エタノール発酵能を有する酵母であれば特に限定はされないが、特に好ましい酵母として、Saccharomyces cerevisiaeを挙げることができる。 The yeast used in the method for producing ethanol by continuous fermentation of the present invention is not particularly limited as long as it is an ethanol-fermenting yeast, and a particularly preferable yeast is Saccharomyces cerevisiae.
本発明のエタノールの連続発酵製造方法に用いる基質としては、糖質基質として、サトウキビやてん菜などの植物搾汁液を由来とする糖液或いは該糖液から蔗糖を回収した後の廃糖蜜、更には、デンプンを含む穀類原料から製造される糖液などの糖質原料、穀類などのデンプンを含む原料を液化及び糖化、若しくは直接糖化処理を行ったものを用いることができる。又、デンプン質基質としては各種デンプン類を、挙げることができるが、特に好ましいデンプン質基質としては、米、麦、トウモロコシのような穀類のデンプンを用いることができる。 As a substrate used in the continuous fermentation production method of ethanol of the present invention, a sugar substrate, a sugar solution derived from a plant juice such as sugar cane or sugar beet, or a molasses after recovering sucrose from the sugar solution, Further, a saccharide raw material such as a sugar liquid produced from a cereal raw material containing starch, or a raw material containing starch such as cereal liquefied and saccharified or directly saccharified can be used. Moreover, various starches can be mentioned as the starchy substrate, and as a particularly preferred starchy substrate, starches of grains such as rice, wheat and corn can be used.
穀類などのデンプン質を原料として用いる場合には、予め液化及び糖化処理を行なって用いることができるが、エタノールの連続発酵において、発酵基質としてデンプン若しくはデンプンを液化した状態のものを基質とする場合には、糖化酵素若しくは該酵素を生成する微生物及び、エタノール生成能をもつ酵母を、共に発酵槽に投入し並行複発酵によりアルコール発酵を行う。液化をしていないデンプンを基質として用いる場合は、液化酵素若しくは該酵素を生成する微生物を添加することができる。なお、該酵素を生成する微生物がエタノール生成能をもつ酵母の場合は、該酵母のみを用いることができる。並行複発酵に用いる酵素又は微生物としては、例えば液化酵素（α−アミラーゼ）、糖化酵素（グルコアミラーゼ）、Saccharomyces diastaticus、麹などを挙げることができる。 When starch such as cereals is used as a raw material, it can be used after liquefaction and saccharification treatment in advance. In continuous fermentation of ethanol, starch or starch in a liquefied state is used as the substrate. In this method, a saccharification enzyme, a microorganism that produces the enzyme, and a yeast capable of producing ethanol are both put into a fermenter, and alcohol fermentation is performed by parallel double fermentation. When starch that has not been liquefied is used as a substrate, a liquefied enzyme or a microorganism that produces the enzyme can be added. In addition, when the microorganism that produces the enzyme is a yeast capable of producing ethanol, only the yeast can be used. Examples of the enzyme or microorganism used for parallel double fermentation include liquefaction enzyme (α-amylase), saccharification enzyme (glucoamylase), Saccharomyces diastaticus, and koji.
本発明のエタノールの連続発酵製造方法を実施するには、本発明で特定するエタノールの連続発酵製造方法における連続発酵の条件に従い、基質を連続的に発酵槽に投入し、発酵槽から連続的にエタノールを含有する発酵液を抜出すことにより実施するが、連続発酵に用いる装置や制御の手段自体は、公知のものを使用することができる。例えば、用いる発酵槽は、１つ若しくは複数を直列に配して、排出された発酵液が順次以降の発酵槽に供給される形式のものを用いることができる。複数の発酵槽を使用する場合には、複数の発酵槽を直列に配し、基質を第一番目の発酵槽（第１発酵槽）に投入し、第１発酵槽からのオーバーフローを第二番目に発酵槽（第２発酵槽）で受ける。以後、設置した発酵槽の数に従い、順次発酵槽の受払いを連続的に実施する。発酵槽が１つの場合は、その発酵槽を第１発酵槽とする。 In order to carry out the continuous fermentation production method of ethanol of the present invention, according to the conditions of continuous fermentation in the continuous fermentation production method of ethanol specified in the present invention, the substrate is continuously introduced into the fermenter, and continuously from the fermenter. Although it implements by extracting the fermented liquor containing ethanol, a well-known thing can be used for the apparatus and control means itself used for continuous fermentation. For example, the fermenter to be used can be of a type in which one or a plurality of fermenters are arranged in series and the discharged fermentation liquor is sequentially supplied to the subsequent fermenters. When using multiple fermenters, place multiple fermenters in series, put the substrate into the first fermentor (first fermentor), and overflow the first fermentor to the second In the fermenter (second fermenter). Thereafter, according to the number of installed fermenters, the fermenters are successively received and paid in sequence. When there is one fermenter, the fermenter is the first fermenter.
以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は以下の実施例によって限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, the technical scope of this invention is not limited by a following example.
［同一基質に対する２種の酵母のエタノール生成量及び増殖比較］ [Ethanol production and growth comparison of two yeasts for the same substrate]
＜材料と方法＞
（材料）
基質：糖液（Ｂｒｉｘに対するショ糖濃度９０％、Ｂｒｉｘ ２０．５％に調製）、発酵補助剤としてリン酸水素二アンモニウムを添加。
酵母：市販乾燥酵母(Saccharomyces cerevisiae)
サンプル１：焼酎酵母きょうかい３号（日本醸造協会）
サンプル２：Ethanol Red（Fermentis）
<Materials and methods>
(material)
Substrate: sugar solution (sucrose concentration relative to Brix 90%, prepared to Brix 20.5%), diammonium hydrogen phosphate added as a fermentation aid.
Yeast: Commercial dry yeast (Saccharomyces cerevisiae)
Sample 1: Shochu yeast Kyokai No. 3 (Japan Brewing Association)
Sample 2: Ethanol Red (Fermentis)
（方法）
基質１００ｍｌに予め復水した乾燥酵母を添加し、３３℃で発酵を行った。
(Method)
Dry yeast which had been condensed in advance was added to 100 ml of the substrate, and fermentation was performed at 33 ° C.
＜結果＞
（添加直後の酵母濃度）：結果を表１に示す。添加直後の酵母濃度は以下の通りとなり、２つのサンプルは同等の酵母濃度となった。
<Result>
(Yeast concentration immediately after addition): The results are shown in Table 1. The yeast concentration immediately after the addition was as follows, and the two samples had equivalent yeast concentrations.
（エタノール濃度）：結果を図１（エタノール濃度の経時変化）に示す。エタノール濃度の経時変化は、２種の酵母で同等の結果となった。 (Ethanol concentration): The results are shown in FIG. 1 (change in ethanol concentration with time). The time course of the ethanol concentration was equivalent for the two yeasts.
（酵母濃度）：結果を図２（酵母濃度の経時変化）に示す。増殖の指標である酵母濃度の経時変化は、２種の酵母で同等の結果となった。 (Yeast concentration): The results are shown in FIG. 2 (change in yeast concentration over time). The change over time in the yeast concentration, which is an indicator of growth, was the same for the two yeasts.
＜結論＞
市販の２種の乾燥酵母(Saccharomyces cerevisiae)において、エタノール生成及び酵母増殖は同等であった。
<Conclusion>
In two commercially available dry yeasts (Saccharomyces cerevisiae), ethanol production and yeast growth were comparable.
［酵母濃度とエタノール生成速度］ [Yeast concentration and ethanol production rate]
＜材料と方法＞
（材料）
基質：糖液（Ｂｒｉｘに対するショ糖濃度９０％、Ｂｒｉｘ ２０．５％に調製）、発酵補助剤としてリン酸水素二アンモニウムを添加。
酵母：焼酎酵母きょうかい３号（日本醸造協会）
<Materials and methods>
(material)
Substrate: sugar solution (sucrose concentration relative to Brix 90%, prepared to Brix 20.5%), diammonium hydrogen phosphate added as a fermentation aid.
Yeast: Shochu yeast Kyokai No. 3 (Japan Brewing Association)
（方法）
基質１００ｍｌに予め復水した乾燥酵母を添加し、３３℃で発酵を行った。添加直後の酵母濃度を、表２に示す。
(Method)
Dry yeast which had been condensed in advance was added to 100 ml of the substrate, and fermentation was performed at 33 ° C. Table 2 shows the yeast concentration immediately after the addition.
（結果）
添加直後の酵母濃度と２４時間後のエタノール濃度の関係を図３（添加直後の酵母濃度と２４時間後のエタノール濃度の関係）に示す。２４時間後のエタノール濃度は、添加する酵母数によって決定されることが明らかとなった。
(result)
The relationship between the yeast concentration immediately after the addition and the ethanol concentration after 24 hours is shown in FIG. 3 (the relationship between the yeast concentration immediately after the addition and the ethanol concentration after 24 hours). It became clear that the ethanol concentration after 24 hours was determined by the number of yeast added.
＜結論＞
添加直後、即ち発酵開始時の酵母濃度が高いほどエタノール生成速度が速まることが明らかになった。
<Conclusion>
It was revealed that the rate of ethanol production was increased immediately after the addition, that is, the higher the yeast concentration at the start of fermentation.
［酵母濃度とエタノール濃度］ [Yeast concentration and ethanol concentration]
＜材料と方法＞
（材料）
基質：糖液（Ｂｒｉｘに対するショ糖濃度９０％、Ｂｒｉｘ ２３％に調製）、発酵補助剤としてリン酸水素二アンモニウムを添加。
酵母：市販乾燥酵母（Ethanol Red(Fermentis)）
<Materials and methods>
(material)
Substrate: Sugar solution (90% sucrose concentration relative to Brix, adjusted to Brix 23%), diammonium hydrogen phosphate added as fermentation aid.
Yeast: Commercial dry yeast (Ethanol Red (Fermentis))
（方法）
基質１００ｍｌに予め復水した乾燥酵母を表３に示す酵母濃度となるように添加し、３３℃で発酵を行った。サンプル２は基質に濃度５ｖ／ｖ％となるようにエタノールを添加した。
(Method)
Dry yeast that had been condensed in 100 ml of the substrate in advance was added so as to have the yeast concentration shown in Table 3, and fermentation was performed at 33 ° C. In sample 2, ethanol was added to the substrate so that the concentration was 5 v / v%.
＜結果＞
（エタノール濃度と酵母濃度の関係）：
エタノール濃度と酵母濃度の関係を図４に示す。エタノール濃度が３．５ｖ／ｖ％以上になると増殖が緩慢になり、６．０ｖ／ｖ％以上になるとエタノール生成は継続するが増殖はほぼ停止する。
<Result>
(Relationship between ethanol concentration and yeast concentration):
The relationship between ethanol concentration and yeast concentration is shown in FIG. When the ethanol concentration is 3.5 v / v% or higher, the growth becomes slow. When the ethanol concentration is 6.0 v / v% or higher, ethanol production continues but the growth is almost stopped.
（発酵時間と酵母濃度）：
サンプル１の発酵時間と酵母濃度の関係を図５に示す。酵母濃度は、２０時間で１６倍となっていることから、増殖のサイクルは５時間と推定される。
(Fermentation time and yeast concentration):
The relationship between the fermentation time of sample 1 and the yeast concentration is shown in FIG. Since the yeast concentration is 16 times in 20 hours, the growth cycle is estimated to be 5 hours.
＜結論＞
エタノール生成量が多いほど効率的ではあるが、酵母の増殖を維持しつつエタノール生成を行うには、第１発酵槽のエタノール濃度を６．０ｖ／ｖ％以下に維持する必要がある。また、酵母の増殖のサイクルは５時間であることから、この実験に用いた基質と酵母で連続発酵を行う際は、基質の供給と抜出しで発酵液が２倍に稀釈される時間、即ち発酵液の半量分の基質を供給及び抜出す時間を５時間以上に設定する必要がある。
<Conclusion>
The higher the amount of ethanol produced, the more efficient, but in order to produce ethanol while maintaining yeast growth, it is necessary to maintain the ethanol concentration of the first fermentor at 6.0 v / v% or less. In addition, since the yeast growth cycle is 5 hours, when continuous fermentation is carried out with the substrate and yeast used in this experiment, the time during which the fermentation broth is diluted twice by the supply and extraction of the substrate, that is, fermentation. It is necessary to set the time for supplying and withdrawing a half amount of the substrate to 5 hours or more.
［発酵温度と酵母増殖及びエタノール生成］ [Fermentation temperature, yeast growth and ethanol production]
＜材料と方法＞
（材料）
基質：糖液（Ｂｒｉｘに対するショ糖濃度９０％、Ｂｒｉｘ ２１．５％に調製）、発酵補助剤としてリン酸水素二アンモニウムを添加。
酵母：市販乾燥酵母（Ethanol Red(Fermentis)）
<Materials and methods>
(material)
Substrate: Sugar solution (sucrose concentration relative to Brix 90%, adjusted to Brix 21.5%), diammonium hydrogen phosphate added as fermentation aid.
Yeast: Commercial dry yeast (Ethanol Red (Fermentis))
（方法）
乾燥酵母を復水後添加した２５５Ｌの発酵液に対し、基質を１７Ｌ／ｈの流量で添加しつつ、同流量で発酵槽から発酵液を抜出す。発酵液は撹拌及び循環により均一化し、発酵温度は３３℃を目標に調整を行った。発酵液は、経時的に酵母濃度、エタノール濃度、発酵温度を測定した。
(Method)
While adding the substrate at a flow rate of 17 L / h to 255 L of the fermented liquor added after condensing dry yeast, the fermented liquor is extracted from the fermentor at the same flow rate. The fermentation liquid was homogenized by stirring and circulation, and the fermentation temperature was adjusted to 33 ° C. The fermentation broth measured yeast concentration, ethanol concentration, and fermentation temperature over time.
＜結果＞
発酵温度と酵母増殖及びエタノール生成の関係を図６（発酵温度と酵母濃度及びエタノール濃度（その１））、図７（発酵温度と酵母濃度及びエタノール濃度（その２））、及び、図８（発酵温度と酵母濃度及びエタノール濃度（その３））に示す。発酵温度が３５℃以上となる発酵１６時間から９６時間の間は、エタノール生成は活発であったが、酵母濃度は減少した（図６）。２３２時間付近で３５℃を上回った後、酵母濃度が低下した。酵母数が０．８×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌを下回りエタノール生成に必要な酵母濃度が得られず、エタノール濃度も低下した。しかし、発酵温度を３０℃以上３５℃以下に維持したため、酵母濃度・エタノール濃度は２６４時間以降回復・増加した（図７）。発酵温度が３０℃以下に低下する発酵２０８時間付近は、エタノール濃度が低下しており、酵母濃度が増加しているにも関わらずエタノール生成速度が低下している（図８）。
<Result>
FIG. 6 (fermentation temperature, yeast concentration and ethanol concentration (part 1)), FIG. 7 (fermentation temperature, yeast concentration and ethanol concentration (part 2)), and FIG. 8 (fermentation temperature, yeast growth and ethanol production). Fermentation temperature, yeast concentration, and ethanol concentration (No. 3)). During the fermentation period of 16 to 96 hours when the fermentation temperature was 35 ° C. or higher, ethanol production was active, but the yeast concentration decreased (FIG. 6). After exceeding 35 ° C. around 232 hours, the yeast concentration decreased. The yeast concentration was less than 0.8 × 10 8 cells / ml, the yeast concentration required for ethanol production was not obtained, and the ethanol concentration was also reduced. However, since the fermentation temperature was maintained at 30 ° C. or higher and 35 ° C. or lower, the yeast concentration / ethanol concentration recovered and increased after 264 hours (FIG. 7). In the vicinity of 208 hours of fermentation when the fermentation temperature falls to 30 ° C. or lower, the ethanol concentration is reduced, and the ethanol production rate is reduced despite the yeast concentration being increased (FIG. 8).
＜結論＞
酵母濃度とエタノール生成速度を維持するには、本実験に使用した酵母においては発酵温度を３０〜３５℃に調整する必要がある。また、酵母濃度が０．８×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌを下回ると、エタノール生成に十分な酵母濃度が得られないため、酵母濃度は０．８×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌ以上に管理する必要がある。
<Conclusion>
In order to maintain the yeast concentration and the ethanol production rate, it is necessary to adjust the fermentation temperature to 30 to 35 ° C. in the yeast used in this experiment. In addition, when the yeast concentration is less than 0.8 × 10 8 cells / ml, a yeast concentration sufficient for ethanol production cannot be obtained, so the yeast concentration needs to be controlled to 0.8 × 10 8 cells / ml or more. .
［通気量と酵母増殖及びエタノール生成］ [Aeration volume, yeast growth and ethanol production]
＜材料と方法＞
（材料）
基質:糖液(Ｂｒｉｘに対するショ糖濃度９０％、ショ糖Ｂｒｉｘ ２３％に調製)、発酵補助剤としてリン酸水素二アンモニウムを添加。
酵母：市販乾燥酵母（Ethanol Red(Fermentis)）。
<Materials and methods>
(material)
Substrate: Sugar solution (prepared to 90% sucrose concentration relative to Brix, 23% sucrose Brix), diammonium hydrogen phosphate added as a fermentation aid.
Yeast: Commercial dry yeast (Ethanol Red (Fermentis)).
（方法）
乾燥酵母を復水後添加した２５５Ｌの発酵液に対し、基質を１７Ｌ／ｈの流量で添加しつつ、同流量で発酵槽から発酵液を抜出す。第１発酵槽には、発酵液１ｋＬ当たり、０ＮＬ／ｍｉｎ、５ＮＬ／ｍｉｎ、１０ＮＬ／ｍｉｎ、４０ＮＬ／ｍｉｎの通気を実施した。発酵液は撹拌及び循環により均一化し、発酵温度は３３℃を目標に調整を行った。発酵液は、発酵１７時間は第１発酵槽、発酵４１時間は第２発酵槽からサンプルを採取し、酵母濃度、エタノール濃度を測定した。
(Method)
While adding the substrate at a flow rate of 17 L / h to 255 L of the fermented liquor added after condensing dry yeast, the fermented liquor is extracted from the fermentor at the same flow rate. The first fermentor was aerated at 0 NL / min, 5 NL / min, 10 NL / min, and 40 NL / min per 1 liter of the fermentation broth. The fermentation liquid was homogenized by stirring and circulation, and the fermentation temperature was adjusted to 33 ° C. The fermented liquor was sampled from the first fermenter for 17 hours of fermentation and the second fermentor for 41 hours of fermentation, and the yeast concentration and ethanol concentration were measured.
＜結果＞
各通気量における酵母濃度及びエタノール濃度を図９（各通気量における酵母濃度）及び図１０（各通気量におけるエタノール濃度）に示す。発酵液１ｋＬ当たりの通気量が、０ＮＬ／ｍｉｎのサンプルは、発酵１７時間の酵母濃度が低く、エタノール濃度は、発酵１７時間、発酵４１時間とも最低であった。発酵液１ｋＬ当たりの通気量が４０ＮＬ／ｍｉｎのサンプルは、酵母濃度は発酵４１時間でサンプル中最高の２．０×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌであったが、エタノール濃度は低い。発酵液１ｋＬ当たりの通気量が５ＮＬ／ｍｉｎ及び１０ＮＬ／ｍｉｎのサンプルは、酵母濃度、エタノール濃度とも良好な値となった。
<Result>
The yeast concentration and ethanol concentration at each aeration amount are shown in FIG. 9 (yeast concentration at each aeration amount) and FIG. 10 (ethanol concentration at each aeration amount). The sample with an aeration rate of 0 NL / min per 1 kL of fermentation broth had a low yeast concentration for 17 hours of fermentation, and the ethanol concentration was the lowest for both 17 hours of fermentation and 41 hours of fermentation. In the sample with an aeration rate of 40 NL / min per 1 kL of the fermentation broth, the yeast concentration was 2.0 × 10 8 cells / ml, the highest in the sample at 41 hours of fermentation, but the ethanol concentration was low. Samples with an aeration rate of 5 NL / min and 10 NL / min per 1 kL of the fermentation broth had good values for both the yeast concentration and the ethanol concentration.
＜結論＞
発酵中の通気量を発酵液１ｋＬ当たり５〜１０ＮＬ／ｍｉｎとすることで、効率的なエタノール生成と酵母増殖を両立できることが明らかとなった。通気量が少ないとエタノール生成及び酵母増殖が遅延し、通気量が多いと酵母増殖が活発になりエタノール生成が減少する。また、酵母濃度は発酵液１ｋＬ当たり１０ＮＬ／ｍｉｎの時のレベルである１．７×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌ以下に管理することでエタノール生成を減少させることのない発酵が可能である。
<Conclusion>
It was revealed that efficient ethanol production and yeast growth can be achieved by setting the aeration rate during fermentation to 5 to 10 NL / min per 1 kL of the fermentation broth. When the aeration rate is low, ethanol production and yeast growth are delayed, and when the aeration rate is high, yeast growth becomes active and ethanol production decreases. Moreover, fermentation without reducing ethanol production is possible by controlling the yeast concentration to 1.7 × 10 8 cells / ml or less, which is a level at 10 NL / min per 1 liter of fermentation broth.
［全粒穀類原料使用時の通気量］ [Aeration volume when using whole grain raw materials]
＜材料と方法＞
（材料）
基質：全粒小麦粉砕物（酵素剤による液化糖化処理を実施）。
酵母：市販乾燥酵母（Ethanol Red(Fermentis)）。
<Materials and methods>
(material)
Substrate: whole wheat pulverized product (liquefaction saccharification treatment with enzyme agent).
Yeast: Commercial dry yeast (Ethanol Red (Fermentis)).
（方法）
乾燥酵母を復水後添加した２５５Ｌの発酵液に対し、基質である液化液を１７Ｌ／ｈの流量で添加しつつ、同流量で発酵槽から発酵液を抜出す。液化には、液化酵素（耐熱性α−アミラーゼ、Novozymes社製 Liquozyme SC）を使用し、発酵槽には、糖化酵素（グルコアミラーゼ、Novozymes社製 Spirizyme Fuel）、タンパク質分解酵素（プロテアーゼ、Novozymes社製 Alcalase 2.4L）、細胞壁分解酵素（セルラーゼ・ヘミセルラーゼ、Novozymes社製 Viscozyme Wheat）を基質流量に応じて連続的に添加した。酵母は、発酵開始時のみ第１発酵槽に添加し、並行複発酵を連続発酵として実施した。発酵槽には、酵母添加後１５時間、発酵液１ｋＬ当たり、４０ＮＬ／ｍｉｎの通気を実施した。発酵液は撹拌及び循環により均一化し、発酵温度は３３℃を目標に調整を行った。発酵液サンプルを経時的に採取しエタノール濃度を測定した。
(Method)
The fermented liquor is extracted from the fermentor at the same flow rate while adding the liquefied liquid as a substrate at a flow rate of 17 L / h to 255 L of the fermented liquor added after condensing dry yeast. Liquefaction enzyme (heat-resistant α-amylase, Liquozyme SC manufactured by Novozymes) is used for liquefaction, and saccharification enzyme (glucoamylase, Spirizyme Fuel manufactured by Novozymes) and proteolytic enzyme (protease, manufactured by Novozymes) are used in the fermenter. Alcalase 2.4L) and cell wall degrading enzyme (cellulase / hemicellulase, Viscozyme Wheat manufactured by Novozymes) were continuously added according to the substrate flow rate. Yeast was added to the first fermentor only at the start of fermentation, and parallel double fermentation was performed as continuous fermentation. The fermenter was ventilated at 40 NL / min per 1 liter of fermentation broth for 15 hours after yeast addition. The fermentation liquid was homogenized by stirring and circulation, and the fermentation temperature was adjusted to 33 ° C. A sample of the fermentation broth was collected over time and the ethanol concentration was measured.
＜結果＞
エタノール濃度の変化を図１１（全粒小麦粉砕物を原料とした発酵液のエタノール濃度変化）に示す。全粒の穀物を原料とした場合は、発酵液の通気を停止してもエタノール濃度は良好に上昇した。
<Result>
The change in the ethanol concentration is shown in FIG. 11 (change in the ethanol concentration of the fermentation broth using the whole wheat ground product). When the whole grain was used as the raw material, the ethanol concentration rose well even when the aeration of the fermentation broth was stopped.
＜結論＞
全粒の穀物を原料とした場合には、酵母添加後１５時間以降は通気を行わなくても、エタノール生成は速度は良好に保たれる。並行複発酵を連続発酵として行うことで、発酵槽のグルコース濃度を抑制可能となり、グルコース濃度上昇による発酵遅延を防止することが可能である。また、並行複発酵とすることで糖液としてのハンドリング部分を最小限とすることが可能となり、微生物汚染などのリスクを低減することが可能である。
<Conclusion>
When whole grain is used as a raw material, the rate of ethanol production is kept good even without aeration after 15 hours after yeast addition. By performing parallel double fermentation as continuous fermentation, it is possible to suppress the glucose concentration in the fermenter and to prevent fermentation delay due to an increase in glucose concentration. Moreover, it becomes possible to minimize the handling part as a sugar liquid by carrying out parallel double fermentation, and it is possible to reduce risks, such as microbial contamination.
本発明のエタノールの連続発酵製造方法は、工業的なエタノールの連続発酵製造方法として適用することが可能で、経済的かつ効率的なエタノールの連続発酵製造方法を提供するものであり、産業上優れた利用可能性を有するものである。 The continuous fermentation production method of ethanol of the present invention can be applied as an industrial continuous fermentation production method of ethanol, and provides an economical and efficient continuous fermentation production method of ethanol. It has the possibility of being available.
Claims (8)
The method for continuous fermentation of ethanol according to claim 1 or 2, wherein the starchy raw material substrate used for fermentation is starch derived from cereals, or a liquefied or saccharified product of the starch.
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