JP5520495B2 - Method and apparatus for producing ethanol from food waste - Google Patents
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Description
本発明は、レストランや学校などの厨房から排出される食品廃棄物からのエタノールを製造する方法及び装置に関する。さらに詳しくはレストランや学校などの厨房から排出される食品廃棄物を糖化、発酵及び蒸留させてエタノールを製造する方法及び装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for producing ethanol from food waste discharged from kitchens such as restaurants and schools. More particularly, the present invention relates to a method and apparatus for producing ethanol by saccharifying, fermenting and distilling food waste discharged from kitchens such as restaurants and schools.
近年、小麦やトウモロコシなどを原料にした、いわゆるバイオ燃料の製造が多く行われている。このバイオ燃料は、石油や石炭などの有限な化石燃料の使用を抑制し、化石燃料依存社会からの脱却を図るので、地球環境保全の点から好ましい。 In recent years, many so-called biofuels have been produced using wheat, corn, or the like as a raw material. This biofuel is preferable from the viewpoint of global environmental protection because it suppresses the use of finite fossil fuels such as oil and coal and makes a breakthrough from a fossil fuel dependent society.
しかし、こうした小麦やトウモロコシなどは人間や家畜の食料であるため、食料供給が滞ってしまうといった大きな問題を誘発している。こうした観点、及び永年問われてきた食品廃棄物の有効活用を図る必要性から、これまでに食品廃棄物を利用したエタノール製造方法が創案されている。 However, such wheat and corn are foods for humans and livestock, which poses a major problem that food supply is stagnant. From this point of view and the necessity of effective utilization of food waste that has been questioned for many years, an ethanol production method using food waste has been devised so far.
例えば、生ゴミを糖化して糖化液を生成するとともに、生ゴミ中に生息する微生物により主として乳酸を発酵させて糖化液の水素イオン濃度を低くする糖化部と、糖化液を用いてアルコール発酵させる発酵部と、粗アルコールと蒸留廃液と分離する蒸留部を備えたアルコール生産システムが創案されている(例えば、特許文献1参照)。 For example, saccharification of raw garbage produces saccharified liquid, and saccharification part that lowers the hydrogen ion concentration of saccharified liquid mainly by fermentation of lactic acid by microorganisms living in the raw garbage, and alcohol fermentation using saccharified liquid An alcohol production system having a fermentation section and a distillation section that separates crude alcohol and distilled waste liquid has been devised (see, for example, Patent Document 1).
また、炭水化物を多量に含有する原料と液化酵素を投入する液化槽と、液化物と糖化酵素を投入する糖化槽と、糖化物を発酵させる発酵槽と、発酵物を固液分離して蒸留させる蒸留槽からなる設備を利用して可燃液体を製造する方法が創案されている(例えば、特許文献2参照)。 In addition, a liquefaction tank into which raw materials containing a large amount of carbohydrates and liquefaction enzyme are added, a saccharification tank into which liquefaction product and saccharification enzyme are added, a fermenter to ferment the saccharification product, and the fermentation product is separated into solid and liquid and distilled. A method for producing a flammable liquid using equipment comprising a distillation tank has been devised (see, for example, Patent Document 2).
しかし、糖化後に固液分離した場合には分離された不溶解物に含まれる糖化液中の糖分を回収していないし、また、発酵後に固液分離した場合には分離された不溶解物に含まれる発酵液中のエタノールが含まれており該エタノールを回収していないという問題があった。 However, in the case of solid-liquid separation after saccharification, the sugar content in the saccharified solution is not recovered, and in the case of solid-liquid separation after fermentation, it is not included in the separated insoluble matter. There was a problem that the ethanol contained in the fermented broth was not recovered.
さらに、糖化工程、発酵工程などの工程ごとに別々の設備が必要であるため、設備費用が高く、広い設備設置面積を必要とし、さらには設備群を稼働させるのに維持コストが高くなるという問題があった。 Furthermore, since separate equipment is required for each process such as the saccharification process and fermentation process, the equipment cost is high, a large equipment installation area is required, and the maintenance cost is high to operate the equipment group. was there.
そこで、本発明の目的は、糖化後に固液分離した不溶解物に含まれる糖化液中の糖分を回収することと、発酵後に固液分離した不溶解物に含まれる発酵液中のエタノールを回収することとによって食品廃棄物からのエタノールの回収量を増やすことができる方法及び装置を提供することと、及びエタノールを製造する工程である糖化工程、発酵工程のそれぞれに配置される設備群の設備費用を低価にでき、設備設置面積を狭くでき、設備を稼働させる維持コストを低価にできる方法及び装置を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to recover the sugar content in the saccharified solution contained in the insoluble matter solid-liquid separated after saccharification, and to recover the ethanol in the fermentation solution contained in the insoluble matter solid-liquid separated after fermentation. Providing a method and an apparatus capable of increasing the amount of ethanol recovered from food waste, and equipment of equipment groups arranged in each of a saccharification process and a fermentation process, which are processes for producing ethanol To provide a method and an apparatus that can reduce the cost, reduce the installation area of the facility, and reduce the maintenance cost for operating the facility.
本発明において、「予備蒸留」とは、不溶解物を含んだ発酵液を加熱蒸留してエタノール液を濃縮することを意味する。 In the present invention, “preliminary distillation” means concentrating an ethanol solution by heating and distilling a fermentation broth containing insoluble matter.
上記の課題を解決するために、請求項1に係る食品廃棄物からのエタノール製造方法の発明は、炭水化物を含む食品廃棄物からエタノールを製造する方法であって、食品廃棄物及び水を回収槽2内に投入後攪拌及び回収槽2内の下部に配設された熱冷媒管28を備える温度制御手段による温度調整を実施した後に糖化酵素を投入して糖化させる糖化工程と、糖化後、攪拌及び前記温度制御手段による温度調整後酵母を投入して、回収槽2内の圧力を調整する開閉弁55を開閉させながら発酵させる発酵工程と、発酵後、固液分離せず前記温度制御手段による温度調整により予備蒸留させる予備蒸留工程と、予備蒸留後の不溶解物を含む廃液を排出させる排出工程とを同一の回収槽2で行うことを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention of the method for producing ethanol from food waste according to
請求項2に係る食品廃棄物からのエタノール製造装置の発明は、炭水化物を含む食品廃棄物からエタノールを製造する装置であって、回収槽2内の下部に配設された熱冷媒管28を備える温度制御手段と、食品廃棄物及び水を回収槽2内に投入後攪拌及び温度調整を実施した後に糖化酵素を投入して糖化させる糖化手段と、糖化後、攪拌及び温度調整後酵母を投入して、回収槽2内の圧力を調整する開閉弁55を開閉させながら発酵させる発酵手段と、発酵後、固液分離せず温度調整により予備蒸留させる予備蒸留手段と、予備蒸留後の不溶解物を含む廃液を排出させる排出手段とを同一の回収槽2で備えたことを特徴とする。
The invention of an apparatus for producing ethanol from food waste according to
請求項1に記載の発明は、糖化後に固液分離した不溶解物に含まれる糖化液中の糖分を回収することができ、発酵後に固液分離した不溶解物に含まれる発酵液中のエタノールを回収することができるという効果を奏する。
The invention according to
糖化工程、発酵工程及び予備蒸留工程などの工程を同一の回収槽2で行うことができるため、各工程に配置した設備を減じられるので、設備投資費用を低価にし、設備設置面積を狭くすることができ、さらには設備を稼働させるのに維持コストを低価にするという効果を奏する。
Since the saccharification process, fermentation process, pre-distillation process, etc. can be performed in the
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明と同一の効果を奏する。
The invention according to
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
食品廃棄物からエタノールを回収するエタノール回収装置の概要を図1において説明する。エタノール回収装置1は、略円筒状である回収槽2と、回収槽2の上部に設けた食品廃棄物、水、糖化酵素及び酵母を投入する投入口10と、蒸気又は冷却水を流動させて食品廃棄物を含んだ溶液11の温度を調整するための熱冷媒流動部3と、食品廃棄物を含んだ溶液11を攪拌する攪拌部4と、予備蒸留された蒸気を冷却してエタノール液60にする冷却部5と、予備蒸留された後の不溶解物を含んだ廃液を排出する廃液排出部6と、回収槽2内の食品廃棄物を含んだ溶液11の温度を測定する温度センサー14、15及び16とから構成されている。
An outline of an ethanol recovery apparatus for recovering ethanol from food waste will be described with reference to FIG. The
エタノール回収装置1の回収槽2の上部にある投入口10は蓋により開閉する。
The
熱冷媒流動部3は、蒸気発生器21と、蒸気流動路を開閉する開閉弁23と、冷却水を循環させる冷却水タンク付ポンプ22と、冷却水流動路を開閉する開閉弁24と、冷却水管27と、熱冷媒管28と、蒸気又は冷却水の温度を測定する温度センサー29と、蒸気排出路を開閉する開閉弁25と、開口孔から蒸気を大気中に放出する蒸気放出管30と、冷却水戻り路を開閉する開閉弁26と、回収槽2内を通過した冷却水を冷却水タンク付ポンプ22に戻す冷却水戻り管31とから構成されている。
The thermal refrigerant flow section 3 includes a
そして、熱冷媒管28は、回収槽2の下部に図4に示すように蛇管状に設置されている。また、熱冷媒管28は、回収槽2周壁20に外接させて螺旋状の配管(図なし)を設置することもできる。さらに、熱冷媒管28は、回収槽2の下部の蛇管及び回収槽2周壁20に外接させて螺旋状の配管の両方を設置することもできる。
And the thermal refrigerant pipe |
また、熱冷媒流動部3は、食品廃棄物を含んだ溶液11の温度を測定する温度センサー14、15又は16と連動させて食品廃棄物を含んだ溶液11の温度に応じて、糖化、発酵及び予備蒸留にそれぞれ適した温度に昇温や降温させて保持するという制御(制御部の図示なし)を行うこともできる。
In addition, the thermal refrigerant fluidizing section 3 is linked to a
攪拌部4は、駆動モーター41と、駆動モーター41に変速機構を介して連結され回収槽2内に回収槽2の円筒形状軸方向に吊り下げた回転軸42と、回転軸42に連結し回転軸42の外周方向に回転する回転翼43とから構成される。
Stirring unit 4 includes a drive motor 41, a
また、攪拌部4の別タイプとして、図2に示すように、駆動モーター44と、回収槽2の下部側壁より回収槽2内に内設した回転軸45と、回転軸45に連結し回転軸45の外周方向に回転する回転翼46とから構成されるタイプでもよい。
As another type of the stirring portion 4, as shown in FIG. 2, the
さらに、攪拌部4の別タイプとして、図3に示すように、ポンプ47と溶液循環管48とを設置して、食品廃棄物を含んだ溶液11を回収槽2の下部より吸引し回収槽2の上部へ送入させるように循環させるタイプでもよい。
Further, as another type of the stirring portion 4, as shown in FIG. 3, the pump 47 and the
回収槽2の上部には、発酵で生成された炭酸ガス、又は予備蒸留させるときに発生する蒸気を送出する送出口17が設けられている。送出口17には蒸気管52が連結され、蒸気管52には蒸気などの流通路を開閉する開閉弁55と、蒸気などの温度を測定する温度センサー54とが設置されている。
In the upper part of the
蒸気管52は冷却部5内に貫設した蒸気液化管53と継ぎ手63を介して連接される。蒸気液化管53は可撓性を有する管又は可撓性を有さない管から製作される。
The
発酵工程で生成されて回収槽2内の空間7に滞留した炭酸ガスを排出させるために開閉弁55を開にするが、開閉弁55を開閉するか否かの調整は、回収槽2の容量と、回収槽2内の不溶解物を含んだ溶液の量と、回収槽2内の空間7の容量との関係から開閉弁55の開閉を調整する。
Although the opening and closing valve 55 a carbon dioxide gas staying in the space 7 in the fermentation
回収槽2の下部には、予備蒸留後に回収槽2内に残った不溶解物を含んだ廃液を排出するための排出口18が設置され、排出口18には排出管72が連結され、排出管72には開閉弁73が設置され、排出管72の他端は開放状態となっており、他端より排出された廃液は廃液回収槽71に回収される。
The bottom of the
そして、予備蒸留による回収槽2からのエタノールを含む蒸気は、図1に示す冷却部5に送り込まれ、エタノール液60が得られる。冷却部5は、冷却水57を満たした冷却水槽50と、冷却水槽50内に沈設させた蒸気液化管53と、冷却水槽50の下部に連結させ冷却水を送り込む冷却水送入管61と、冷却水流動路を開閉する開閉弁56と、冷却水槽50の上部に連結させ冷却水を送出する冷却水送出管62と、冷却水57の温度を測定する温度センサー58又は59と、冷却水槽50内を通過することにより液化したエタノール液を回収するエタノール液回収槽51とから構成される。
And the vapor | steam containing the ethanol from the
そして、冷却部5は、温度センサー58及び59が検知した冷却水57の温度と、冷却水57高温限度設定温度又は開閉弁56閉設定温度との差に応じて開閉弁56を開閉する制御(制御部の図なし)を行う。
Then, the
次に、食品廃棄物からエタノールを製造する方法の概要を説明する。 Next, an outline of a method for producing ethanol from food waste will be described.
炭水化物を含む食品廃棄物を乾燥させ含水率を減少させた食品廃棄物と水を回収槽2の上部にある投入口10より投入し投入口10を閉める。
The food waste containing carbohydrate and dried to reduce the moisture content and water are introduced from the
なお、水の重量に対する食品廃棄物の投入量は食品廃棄物の含水率に応じて設定し、糖化酵素の投入量は食品廃棄物と水の合計重量に応じて設定する。 The input amount of food waste relative to the weight of water is set according to the moisture content of the food waste, and the input amount of saccharifying enzyme is set according to the total weight of the food waste and water.
また、食品廃棄物、水及び糖化酵素の投入量や糖化酵素の種類に応じて、糖化を促進させるための糖化温度及び糖化時間を設定する。 Moreover, the saccharification temperature and saccharification time for promoting saccharification are set according to the input amount of food waste, water and saccharifying enzyme, and the type of saccharifying enzyme.
設定された糖化温度に到達後に投入口10を開き、糖化酵素を投入し投入口10を閉める。そして食品廃棄物を含んだ溶液11の糖化を促進させるため、攪拌部4によって不溶解物を含んだ溶液11を攪拌するとともに、温度センサー14、15又は16のうち食品廃棄物を含んだ溶液11に接触している温度センサーの温度があらかじめ設定された糖化温度で保持できるように、設定糖化温度と温度センサー検出温度との差により、昇温すべき場合は熱媒流動を制御する蒸気発生器21を作動させ、開閉弁23及び開閉弁25を開にし、また降温すべき場合は冷媒流動を制御する冷却水タンク付ポンプを作動させ、開閉弁24及び開閉弁26を開にする。
After reaching the set saccharification temperature, the
糖化後発酵温度まで冷却する。発酵温度到達後、投入口10を開き酵母を投入し投入口10を閉める。そして、不溶解物を含んだ糖化液12の発酵を促進させるため、糖化液12の量及び酵母の種類や投入量に応じて発酵時間を設定する。
Cool to fermentation temperature after saccharification. After reaching the fermentation temperature, the
発酵を促すため、攪拌部4によって不溶解物を含んだ糖化液12を攪拌するとともに、温度センサー14、15又は16のうち糖化液12に接触している温度センサーの温度があらかじめ設定された発酵温度で保持できるように、設定発酵温度と温度センサー検出温度との差により、昇温すべき場合は熱媒流動を制御する蒸気発生器21を作動させ、開閉弁23及び開閉弁25を開にし、また降温すべき場合は冷媒流動を制御する冷却水タンク付ポンプ22を作動させ、開閉弁24及び開閉弁26を開にする。
In order to promote fermentation, the saccharified solution 12 containing the insoluble matter is stirred by the stirring unit 4, and the
発酵時には、発酵によって生じる炭酸ガスなどによって回収槽2内の圧力上昇を避けるため、回収槽2の容量と、回収槽2内の不溶解物を含んだ溶液の量と、回収槽2内の空間7の容量との関係から、開閉弁55の開閉を調整する。
During the fermentation, in order to avoid the pressure increase in the
予備蒸留を促進させるため、温度センサー14、15又は16のうち発酵液13に接触している温度センサーの温度があらかじめ設定された予備蒸留温度で保持できるように、熱媒流動を制御する蒸気発生器21を作動させ、開閉弁23及び開閉弁25を開にする。また、予備蒸留時には、回収槽2の上部に設けた開閉弁55は、予備蒸留された蒸気を流動させるため開とする。
Steam generation that controls the flow of the heat medium so that the temperature of the
予備蒸留後、回収槽2内の下部に残った不溶解物を含む廃液を、開閉弁73を開にして排出口18より排出させ、廃液回収槽71に回収する。
After preliminary distillation, the waste liquid containing the insoluble matter remaining in the lower part in the
また、予備蒸留された蒸気は、冷却水槽50内に沈設させた蒸気液化管53内を流動する過程で液化し、液化したエタノール液60が蒸気液化管53端末部から注出されエタノール液回収槽51に回収される。
Further, the pre-distilled vapor is liquefied in the process of flowing in the
予備蒸留された蒸気が蒸気液化管53内を流動することにより冷却水57の温度が上昇するため、予備蒸留された蒸気が蒸気液化管53内を流動する過程で液化するように、温度センサー58又は59が検知した冷却水57の温度があらかじめ設定した冷却水57高温限度設定温度に達したときに開閉弁56を開にして冷却水送入管61より冷却水を送入させて冷却水57の温度を降温させ、あらかじめ設定した開閉弁56閉設定温度に達したときに開閉弁56を閉とする制御を行う。
Since the temperature of the cooling
次に、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明は実施例により限定されるものでない。 Next, although an Example is given and this invention is demonstrated, this invention is not limited by an Example.
炭水化物を含む食品廃棄物を乾燥温度80°C〜100°Cで乾燥させて含水率を減少させた食品廃棄物と水を回収槽2の上部にある投入口10より投入する。
The food waste containing carbohydrate and dried at a drying temperature of 80 ° C. to 100 ° C. to reduce the moisture content and the water are fed from the
食品廃棄物は、水40kgに対して約25重量%に該当する10kgを投入する。 As for the food waste, 10 kg corresponding to about 25% by weight is added to 40 kg of water.
温度センサー14、15又は16のうち食品廃棄物を含んだ溶液11に接触している温度センサーの糖化温度が55°C〜60°Cになるまで、攪拌部4を適宜回転させながら、蒸気発生器21からの蒸気を、開閉弁23及び開閉弁25を開にして熱冷媒管28内に蒸気を流動させて昇温させ、設定糖化温度到達後に糖化酵素を投入し投入口10を閉める。
Steam is generated while appropriately rotating the stirring unit 4 until the saccharification temperature of the
なお、糖化酵素は食品廃棄物と水の合計に対して0.005重量%〜0.2重量%投入する。 The saccharifying enzyme is added in an amount of 0.005% to 0.2% by weight based on the total amount of food waste and water.
そして、設定糖化温度を約24時間維持するように攪拌部4を適宜回転させながら熱媒又は冷媒の流動を制御する。 And the flow of a heat medium or a refrigerant | coolant is controlled, rotating the stirring part 4 suitably so that setting saccharification temperature may be maintained for about 24 hours.
糖化後、温度センサー14、15又は16のうち不溶解物を含んだ糖化液12に接触している温度センサーの発酵温度が30°C〜35°Cの温度帯になるまで、攪拌部4を適宜回転させながら、冷媒流動を制御する冷却水タンク付ポンプ22を作動させ、開閉弁24及び開閉弁26を開にして熱冷媒管28内に冷却水を流動させて降温させ設定発酵温度まで冷却する。
After the saccharification, the stirring unit 4 is kept until the fermentation temperature of the temperature sensor in contact with the saccharified liquid 12 containing the insoluble matter among the
設定発酵温度到達後、投入口10を開とし酵母を食品廃棄物と水との合計重量に対して0.05重量%〜0.5重量%で投入して投入口10を閉とする。そして、設定発酵温度を48時間維持するように攪拌部4を適宜回転させながら熱媒又は冷媒の流動を制御する。
After reaching the set fermentation temperature, the
発酵後、予備蒸留させるために、蒸気管52に設置した温度センサー54の蒸気検知温度が78°C〜98°Cになるまで昇温させ、前記蒸気検知温度を維持するように熱媒の流動を制御して予備蒸留を実施し、最後は蒸気液化管53から生成されたエタノール濃度が0.5%以下になったときに予備蒸留を終了する。
In order to pre-distill after fermentation, the temperature of the
予備蒸留により生じた蒸気は、冷却部5内を流動することによって液化され、エタノール液60となってエタノール液回収槽51に回収される。
The vapor generated by the preliminary distillation is liquefied by flowing in the
上記実施例による予備蒸留後に蒸留塔で主蒸留させたことによって得られたエタノールの回収率は、食品廃棄物10kgからエタノール濃度が90%以上のエタノールを2.0リットル回収でき、従来の発酵後に固液分離機(商品名スリットセーバー、型式SS−28、株式会社研電社製)により固液分離したときのエタノール濃度が90%以上のエタノール1.8リットル回収に比較して、エタノール回収率が約10%向上できた。 The recovery rate of ethanol obtained by the main distillation in the distillation column after the preliminary distillation according to the above example is that 2.0 liters of ethanol having an ethanol concentration of 90% or more can be recovered from 10 kg of food waste, and after the conventional fermentation Ethanol recovery rate compared to 1.8 liter recovery of ethanol with 90% or higher ethanol concentration when solid-liquid separation is performed with a solid-liquid separator (trade name Slit Saver, Model SS-28, manufactured by Kendensha Co., Ltd.) Was improved by about 10%.
1 エタノール回収装置
2 回収槽
3 熱冷媒流動部
4 攪拌部
5 冷却部
6 廃液排出部
7 空間
10 投入口
11 食品廃棄物を含んだ溶液
12 不溶解物を含んだ糖化液
13 不溶解物を含んだ発酵液
14 温度センサー
15 温度センサー
16 温度センサー
17 送出口
18 排出口
20 回収槽周壁
21 蒸気発生器
22 冷却水タンク付ポンプ
23 開閉弁
24 開閉弁
25 開閉弁
26 開閉弁
27 冷却水管
28 熱冷媒管
29 温度センサー
30 蒸気放出管
31 冷却水戻り管
41 駆動モーター
42 回転軸
43 攪拌翼
44 駆動モーター
45 回転軸
46 攪拌翼
47 ポンプ
48 溶液循環管
50 冷却水槽
51 エタノール液回収槽
52 蒸気管
53 蒸気液化管
54 温度センサー
55 開閉弁
56 開閉弁
57 冷却水
58 温度センサー
59 温度センサー
60 エタノール液
61 冷却水送入管
62 冷却水送出管
63 継ぎ手
71 廃液回収槽
72 排出管
73 開閉弁
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (2)
An apparatus for producing ethanol from food waste containing carbohydrates, temperature control means comprising a thermal refrigerant pipe disposed in the lower part of the recovery tank, and stirring and after the food waste and water are put into the recovery tank A saccharification means for saccharifying by introducing a saccharification enzyme after temperature adjustment, and a fermentation means for fermenting by adding yeast after stirring and temperature adjustment after saccharification and opening and closing an on-off valve for adjusting the pressure in the collection tank And a predistilling means for predistilling after fermentation without temperature-adjusted solid-liquid separation and a discharging means for discharging waste liquid containing insoluble matter after predistillation are provided in the same recovery tank. Equipment for ethanol production from food waste.
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