JP6097553B2

JP6097553B2 - 糖化液の雑菌除去方法及び発酵システム

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Publication number: JP6097553B2
Application number: JP2012280900A
Authority: JP
Inventors: 憲明和泉; 学政本; 聡史小西
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2032-12-25
Also published as: CN103894065A; US20150337253A1; US9481860B2; CN103894065B; WO2014103183A1; CN203741334U; BR112015015107A2; JP2014124101A; BR112015015107B1

Description

本発明は、木質系バイオマス又は草本系バイオマスのようなリグノセルロース系バイオマス中のヘミセルロース又はセルロースを、硫酸法、亜臨界水法又は酵素法のような公知の加水分解方法によって糖類に分解し、さらに酵母を用いてエタノール発酵させる発酵槽において、発酵槽内の糖化液中の雑菌繁殖を防止するための雑菌除去方法に関する。また、本発明は、そのような糖化液の雑菌除去方法の実施に適した発酵システムに関する。

木質系バイオマスをはじめとするリグノセルロース系バイオマスは、ヘミセルロース約20％、セルロース約50％、リグニン約30％から構成される。ヘミセルロース及びセルロースは、糖化処理によって糖類へと分解され、さらに酵母のような発酵微生物を用いて発酵させることにより、エタノールを製造することが可能である。ヘミセルロースの糖化によってC5糖類及びC6糖類が得られ、セルロースの糖化によってC6糖類が得られる。

ここで、C5糖類とは、キシロース又はアラビノースのような５炭糖とそのオリゴ糖をいう。C6糖類とは、グルコース又はガラクトースのような６炭糖とそのオリゴ糖をいう。

バイオマス糖化液のアルコール発酵には、主として酵母が用いられて、発酵槽内で8〜72時間程度アルコール発酵が行われる。しかし、アルコール発酵は、雑菌（例えば、Leuconostoc属、citrobacter属又はLactococcus属細菌）が繁殖しやすい条件でもあるため、糖化液に雑菌が混入した場合には、雑菌によって糖類が消費されてしまう。

さらに、雑菌の中には、酵母の発育を阻害したり、酵母によるアルコール発酵を阻害したりする種類も存在する。このため、発酵槽内の糖化液中で雑菌が繁殖すると、エタノール収率が低下し、バイオエタノール製造の経済的実用性が損なわれかねない。

特許文献１は、基質の完全連続供給を行うことが可能であり、生産性の低下を招くことがなく、任意のエタノール生産微生物の連続培養発酵が可能なエタノール生産微生物の連続培養発酵装置を開示している。特許文献１では、発酵液（糖化液）を発酵槽から抜き出して固液分離し、エタノール生産微生物を発酵槽へと回収している。発酵液には、β−ラクタム系抗生物質であるペニシリンを添加することが好ましいとされている。

一方、抗生物質に依存しない糖化液のアルコール発酵方法として、酸の添加によって雑菌の増殖を抑制する方法も着目されている。特許文献２は、酸の添加による細菌の増殖を抑制した状態でのアルコール発酵に適した酸耐性を持つ新規酵母として、5％乳酸存在下で生育可能なCandida属glabrata種の酵母（NFRI3164株）を開示している。

特開２０１１−９２０４１号公報特開２００９−１４２２１９号公報

特許文献１に開示されているように、バイオマス糖化液の発酵槽に抗生物質を添加することにより、雑菌の繁殖を抑制することが可能となる。しかし、抗生物質は高価であるため、バイオエタノールの生産コストを上昇させてしまう。また、糖化液（発酵液）に添加された抗生物質が下水処理施設のような外部環境に流出すると、活性汚泥の活性が低下することがあるため、抗生物質処理用の専用設備が必要となる。

特許文献２に開示されているような特殊な酵母は、通常の醸造用酵母のように安価かつ容易に入手できない。このため、経済的にバイオエタノールを継続して生産するためには不都合がある。

本発明は、通常の酵母を使用するバイオマス糖化液のアルコール発酵において、抗生物質又は酸を使用せずに発酵槽内の雑菌増殖を抑制し得る糖化液の雑菌除去方法、及びそのような糖化液の雑菌除去方法の実施に適した発酵システムの提供を目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、発酵槽内の糖化液（発酵液）を抜き出し、糖化液から酵母を回収する粗分離の後、酵母を分離した糖化液から雑菌を除去する精密分離を行うことにより、酵母を回収しつつ、雑菌のみ糖化液から除去することが可能となることを見出し、本発明を完成させるに至った。

具体的に、本発明は、
酵母を用いて糖化液をアルコール発酵させる発酵槽において、
発酵槽内の糖化液の一部を抜き出して、濾過膜を備える第一膜分離装置によって濾過処理するか、又は第一遠心分離装置によって遠心分離することにより、雑菌は回収せずに酵母を回収する粗分離工程Ａと、
前記粗分離工程Ａ後、濾過膜を備える第二膜分離装置によって濾過処理するか、又は第二遠心分離装置によって遠心分離することにより、酵母を回収された糖化液から雑菌を分離する精密分離工程Ｂと、
を有し、
前記粗分離工程Ａによって回収された酵母と、前記精密分離工程Ｂによって雑菌を分離した糖化液とを発酵槽へ返送することにより、糖化液中の酵母を回収しつつ、雑菌を選択的に除去することを特徴とする、糖化液の雑菌除去方法であって、
前記粗分離工程Ａが、
糖化液の一部を孔径0.5μm以上5μm以下の濾過膜を備える第一膜分離装置によって濾過処理する工程Ａ１、又は糖化液の一部を第一遠心分離装置によって50G以上500G以下で遠心分離する工程Ａ２であり、
前記精密分離工程Ｂが、
酵母を回収された糖化液を孔径0.22μm以下の濾過膜を備える第二膜分離装置によって濾過処理する工程Ｂ１、又は酵母を回収された糖化液を第二遠心分離装置によって1000G以上15000G以下で遠心分離する工程Ｂ２である、糖化液の雑菌除去方法に関する。

糖化液を単に濾過するだけでは雑菌を十分に除去することはできない。その一方で、雑菌を十分に除去するために孔径の小さな濾過膜によって糖化液を膜分離処理すれば、酵母も失われるために、雑菌が除去されてもアルコール発酵効率は低くなる。そこで、糖化液から雑菌よりも大きな酵母を回収する粗分離処理Ａをまず行い、次いで粗分離処理後の糖化液から雑菌を除去する精密分離処理Ｂを行えば、酵母を回収しつつ、雑菌だけを糖化液から除去することが可能となる。その結果、発酵槽内における雑菌の繁殖を抑制することが可能となる。

粗分離処理Ａとしては、孔径0.5μm以上5μm以下の濾過膜を備える膜分離装置による濾過処理（工程Ａ１）、又は遠心分離装置による50G以上500G以下の遠心分離（工程Ａ２）を選択し得る。精密分離処理Ｂとしては、孔径0.22μm以下の濾過膜を備える膜分離装置による濾過処理（工程Ｂ１）、又は遠心分離装置による1000G以上15000G以下の遠心分離（工程Ａ２）を選択し得る。

工程Ａ１又は工程Ａ２によって酵母を回収し、工程Ｂ１又はＢ２によって糖化液から雑菌を除去し、酵母及び雑菌を除去した糖化液を発酵槽へと返送することにより、発酵槽内における雑菌の繁殖を抑制しつつ、酵母の損失を防止して発酵効率を高く維持することが可能となる。

本発明はまた、
酵母を用いて糖化液をアルコール発酵させる発酵槽と、
発酵槽内の糖化液の一部を抜き出して、濾過膜を備える第一膜分離装置によって濾過処理するか、又は第一遠心分離装置によって遠心分離することにより、雑菌は回収せずに酵母を回収する粗分離装置と、
前記粗分離装置によって酵母を回収された糖化液から、濾過膜を備える第二膜分離装置によって濾過処理するか、又は第二遠心分離装置によって遠心分離することにより、雑菌を分離する精密分離装置と、
前記粗分離装置から得られた酵母を含有する糖化液と、前記精密分離装置から得られた雑菌を除去された糖化液とを発酵槽へ返送する返送経路と、
を備え、
糖化液中の酵母を回収しつつ、雑菌を選択的に除去することを特徴とする、発酵システムであって、
前記粗分離装置が、
孔径0.5μm以上5μm以下の濾過膜によって濾過処理する第一膜分離装置、又は50G以上500G以下で遠心分離する第一遠心分離装置であり、
前記精密分離装置が、
孔径0.22μm以下の濾過膜によって濾過処理する第二膜分離装置、又は1000G以上15000G以下で遠心分離する第二遠心分離装置である、発酵システムに関する。

本発明によれば、抗生物質又は酸を糖化液に添加しなくとも、バイオマス糖化液の発酵槽における雑菌の増殖を継続的に抑制し得る。また、特殊な酵母は不要であり、一般的な醸造用酵母を使用する場合であっても、発酵槽内の雑菌の繁殖を抑制し得る。

本発明の実施形態１に係る発酵システムの概略フロー図を示す。本発明の実施形態２に係る発酵システムの概略フロー図を示す。本発明の実施形態３に係る発酵システムの概略フロー図を示す。本発明の実施形態４に係る発酵システムの概略フロー図を示す。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。本発明は、以下の記載に限定されない。

＜実施形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る発酵システムの概略フロー図を示す。発酵槽１には、糖化液２が貯液されている。糖化液２は、酵母によるアルコール発酵に適した10℃〜45℃、好ましくは25℃〜35℃に保持されている。糖化液２は、モータＭによって回転させられるプロペラ３によって撹拌されることが好ましい。

糖化液２としては、セルロース系バイオマス（例えば、バガス、甜菜かす、又はわらのような草木系バイオマス）を粉砕し、水と混合して調製されたバイオマス原料スラリーを、１）硫酸のような強酸の酸化力によりバイオマスを加水分解する方法、２）酵素によりバイオマスを加水分解する方法、又は３）超臨界水又は亜臨界水の酸化力を利用してバイオマスを加水分解する方法：のような公知の方法によって処理することによって得られた糖化液（バイオマス糖化液）であることが好ましい。ただし、これらに限定されず、例えば、バイオマスを圧搾して得られる糖類を含有する液、砂糖を製造する際に得られる廃糖蜜、又はデンプン質を酸若しくは酵素によって糖化して得られる糖化液であってもよい。強酸を用いてバイオマスを加水分解した場合、発酵槽１でアルコール発酵を行う前に、強酸を中和して酵母の発育を阻害しないようにする必要がある。

糖化液２は、発酵槽１下部に接続されている配管４から取り出される。配管４には、ポンプＰが設けられると共に配管５が接続されており、発酵液２は第一膜分離装置７へと供給される。第一膜分離装置７は、孔径0.5μm以上5μm以下、好ましくは孔径0.5μm以上1μm以下の濾過膜（精密濾過膜）を備える膜分離装置である。発酵槽１→配管４→配管５→第一膜分離装置７へと供給される発酵液２の流速は、雑菌の増殖速度から決定される。具体的には、発酵液２における雑菌の倍加時間Tdよりも、発酵槽内の発酵液が一循するのに要する時間Tsが小さくなるように流速が設定される（Td＞Ts）。ここで、発酵槽１の容積をV (L)、発酵液の流速をv (L/min)とすると、Ts=V/vである。

配管６は、ポンプＰの負荷が過大とならないようにするための圧力調整用バイパス配管であると共に、雑菌除去を行わない時は、酵母の沈降を防止するために、底部の発酵液を抜き出す発酵液循環用配管である。

酵母の直径は約5〜10μmであるため、孔径0.5μm以上5μm以下の濾過膜を通過できない。一方、細菌類はより直径が小さいために、孔径0.5μm以上5μm以下の濾過膜を通過する。従って、糖化液２を第一膜分離装置７によって濾過処理することにより、糖化液中の酵母を、濃縮された糖化液（濃縮液）に含有された状態で回収することが可能である。酵母を含有する濃縮液は、第一膜分離装置７の上流側（一次側）から経路８及び経路９を経て、発酵槽１へと返送される。雑菌を含有する濾液は、第一膜分離装置７の下流側（二次側）から経路１０を経て、第二膜分離装置１１へと供給される。

第二膜分離装置１１は、孔径0.22μm以下の濾過膜（精密濾過膜又は限外濾過膜）を備える膜分離装置である。孔径0.22μm以下の濾過膜によって糖化液２を濾過処理することにより、糖化液２から雑菌が除去され、濾液には雑菌が含有されなくなる。雑菌が除去された濾液（糖化液２）は、第二膜分離装置１１の下流側（二次側）から経路１２及び経路９を経て、発酵槽１へと返送される。雑菌を含有する濃縮液は、第二膜分離装置１１の上流側（一次側）から経路１３を経て系外へと廃棄される。

その結果、図１に示される発酵システムでは、発酵槽１におけるアルコール発酵工程の実施中、発酵槽１内の糖化液２中の酵母を繰り返し回収しつつ、雑菌のみを糖化液２から連続して除去することが可能である。アルコール発酵の進捗に伴い、糖化液２に含有される糖類がエタノールに変換されるが、エタノールを含有する糖化液２（発酵液）についても、エタノールを含有しないアルコール発酵前の糖化液と同様に、雑菌のみを除去することができる。

発酵槽１におけるアルコール発酵が終了した後、糖化液２（発酵液）は配管１４から取り出され、蒸留装置を用い蒸留され、バイオエタノールとして製品化される。

＜実施形態２＞
図２は、本発明の実施形態２に係る発酵システムの概略フロー図を示す。図２に示される発酵システムは、第二膜分離装置１１の代わりに遠心分離装置２１が設置される以外、基本的なフローは、実施形態１の発酵システムと同じである。ここでは、実施形態１の発酵システムとの相違点についてのみ説明する。

実施形態２の発酵システムは、第一濾過装置７の濾液を、遠心分離装置２１によって1000G以上15000G以下で遠心分離する。糖化液２に含有されている雑菌は、この遠心条件では、糖化液２内に沈殿するため、上清のみ遠心分離装置２１から取り出すことにより、糖化液２から雑菌を除去することが可能である。雑菌を除去された上清は、配管２２及び配管９を経て、発酵槽へと返送される。一方、雑菌を含有する沈渣は、配管２３を経て系外へと廃棄される。

＜実施形態３＞
図３は、本発明の実施形態３に係る発酵システムの概略フロー図を示す。図３に示される発酵システムは、第一膜分離装置７の代わりに遠心分離装置３１が設置される以外、基本的なフローは、実施形態１の発酵システムと同じである。ここでは、実施形態１の発酵システムとの相違点についてのみ説明する。

実施形態３の発酵システムは、発酵液２の一部を配管５から遠心分離装置３１へと供給し、50G以上500G以下で遠心分離する。この遠心条件では、糖化液２中の雑菌は沈殿せず、酵母のみが沈殿する。酵母を含有する沈渣は、配管３２及び配管９を経て、発酵槽１へと返送される。一方、雑菌を含有する糖化液２の上清は、配管３３から膜分離装置１１へと供給される。

＜実施形態４＞
図４は、本発明の実施形態４に係る発酵システムの概略フロー図を示す。図４に示される発酵システムは、第二膜分離装置１１の代わりに遠心分離装置２１が設置される以外、基本的なフローは、実施形態３の発酵システムと同じである。ここでは、実施形態３の発酵システムとの相違点についてのみ説明する。

実施形態４の発酵システムは、遠心分離装置３１（第一遠心分離装置）から取り出された糖化液の上清を、配管３３を経て遠心分離装置２１（第二遠心分離装置）に供給し、1000G以上15000G以下で遠心分離する。遠心分離装置３１によって酵母が回収され、遠心分離装置２１によって糖化液から雑菌が除去される。このように、遠心分離条件の異なる2台の遠心分離装置を組み合わせることによっても、糖化液から酵母のみ回収し、雑菌を除去することが可能である。

［実施例１］
実施形態３の発酵システムを用いて、発酵槽内の糖化液の雑菌除去を試みた。糖化液は、稲藁を亜臨界水処理することによって得られた糖化液であり、糖濃度3.6質量％（グルコース1.6質量％＋キシロース2.0質量％）である。この糖化液を有効容積4.5m³の発酵槽に貯液し、26〜30℃に保持した。酵母としてPichia stipitis（直径約4μm）を2×10⁸個/mLとなるように糖化液に添加し、60rpmという撹拌速度で撹拌した。このとき、糖化液中の雑菌濃度は、1×10⁶個/mL以下であった。雑菌の平均粒径は、約0.5μmであった。

時間の経過に伴い、糖化液中の雑菌濃度が上昇し、12時間後には5×10⁷個/mLとなった。ここで、ポンプＰを起動し、遠心分離装置（斉藤遠心機工業株式会社、ADS3003CS）に糖化液を1.0m³/hという条件で供給し、800Gで遠心分離した。糖化液に含有されていた酵母は、酵母濃縮液となった。遠心分離装置に供給された糖化液の容量の80％にあたる上清を、孔径0.2μmの精密濾過膜（日本ポール株式会社、スーポアUEAV）を備える膜分離装置に供給した。一方、酵母を含む残り20％は、濃縮酵母液として発酵槽へと返送された。そして、膜分離装置の濾液を発酵槽に返送し、雑菌を含有する濾別残渣を24時間毎に精密濾過膜を交換することによって除去及び廃棄した。

発酵槽内でアルコール発酵を96時間継続したが、発酵槽内の糖化液（発酵液）中の雑菌濃度は、1×10⁷個/mL以下に抑制することができた。

［実施例２］
実施形態４の発酵システムを用いて、発酵槽内の糖化液の雑菌除去を試みた。糖化液は、実施例１と同じであり、発酵槽のアルコール発酵条件及び粗分離を行う上流側の遠心分離装置も実施例１と同じである。また、酵母の種類及び糖化液への添加量も、実施例１と同じである。

アルコール発酵開始から12時間後には、糖化液中の雑菌濃度が5×10⁷個/mLとなった。ここで、ポンプＰを起動し、粗分離を行う上流側の第一遠心分離装置に糖化液を1.1m³/hという条件で供給し、500G、滞留時間30秒間で遠心分離した。糖化液に含有されていた酵母は、実施例１と同様にして発酵槽へと返送された。

第一遠心分離装置によって得られた上清は、精密遠心分離を行う下流側の第二遠心分離装置（斉藤遠心機工業株式会社、ADS3003CS）へと供給され、5000Gで遠心分離された。第二遠心分離装置に供給された糖化液上清の99％にあたる上清は、発酵槽へと返送された。残りの糖化液は、雑菌を含有するペースト状の溶液となっており、第二遠心分離装置から連続的に取り出され、廃棄された。

発酵槽内の糖化液（発酵液）は、徐々に減少するため、適宜糖化液を添加し、液量を一定に保つようにした。発酵槽内でアルコール発酵を96時間継続したが、発酵槽内の糖化液（発酵液）中の雑菌濃度は、1×10⁷個/mL以下に抑制することができた。

本発明の糖化液の雑菌除去方法及び発酵システムは、バイオエタノール製造分野のようなエネルギー分野、及び醸造産業分野において有用である。

１：発酵槽
２：糖化液（発酵液）
３：撹拌装置
４，５，６，８，９，１０，１２，１３，２２，２３，３２，３３：配管
７：膜濾過装置（第一膜濾過装置）
１１：膜濾過装置（第二膜濾過装置）
２１：遠心分離装置（第二遠心分離装置）
３１：遠心分離装置（第一遠心分離装置）
Ｍ：モータ
Ｐ：ポンプ

Claims

酵母を用いて糖化液をアルコール発酵させる発酵槽において、
発酵槽内の糖化液の一部を抜き出して、濾過膜を備える第一膜分離装置によって濾過処理するか、又は第一遠心分離装置によって遠心分離することにより、雑菌は回収せずに酵母を回収する粗分離工程Ａと、
前記粗分離工程Ａ後、濾過膜を備える第二膜分離装置によって濾過処理するか、又は第二遠心分離装置によって遠心分離することにより、酵母を回収された糖化液から雑菌を分離する精密分離工程Ｂと、
を有し、
前記粗分離工程Ａによって回収された酵母と、前記精密分離工程Ｂによって雑菌を分離した糖化液とを発酵槽へ返送することにより、糖化液中の酵母を回収しつつ、雑菌を選択的に除去することを特徴とする、糖化液の雑菌除去方法であって、
前記粗分離工程Ａが、
糖化液の一部を孔径0.5μm以上5μm以下の濾過膜を備える第一膜分離装置によって濾過処理する工程Ａ１、又は糖化液の一部を第一遠心分離装置によって50G以上500G以下で遠心分離する工程Ａ２であり、
前記精密分離工程Ｂが、
酵母を回収された糖化液を孔径0.22μm以下の濾過膜を備える第二膜分離装置によって濾過処理する工程Ｂ１、又は酵母を回収された糖化液を第二遠心分離装置によって1000G以上15000G以下で遠心分離する工程Ｂ２である、糖化液の雑菌除去方法。
酵母を用いて糖化液をアルコール発酵させる発酵槽と、
発酵槽内の糖化液の一部を抜き出して、濾過膜を備える第一膜分離装置によって濾過処理するか、又は第一遠心分離装置によって遠心分離することにより、雑菌は回収せずに酵母を回収する粗分離装置と、
前記粗分離装置によって酵母を回収された糖化液から、濾過膜を備える第二膜分離装置によって濾過処理するか、又は第二遠心分離装置によって遠心分離することにより、雑菌を分離する精密分離装置と、
前記粗分離装置から得られた酵母を含有する糖化液と、前記精密分離装置から得られた雑菌を除去された糖化液とを発酵槽へ返送する返送経路と、
を備え、
糖化液中の酵母を回収しつつ、雑菌を選択的に除去することを特徴とする、発酵システムであって、
前記粗分離装置が、
孔径0.5μm以上5μm以下の濾過膜によって濾過処理する第一膜分離装置、又は50G以上500G以下で遠心分離する第一遠心分離装置であり、
前記精密分離装置が、
孔径0.22μm以下の濾過膜によって濾過処理する第二膜分離装置、又は1000G以上15000G以下で遠心分離する第二遠心分離装置である、発酵システム。