JPS5871890A - 生物反応方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、固定化酵母あるいは凝集性酵母等の生体触媒
を用いた、主としてアルコール発酵に使用さ扛る生物反
応方法およびその装置に関する。

従来、アルコール発酵用の生物反応装置は種々発表さ扛
ているが、格式のものが一般的であり、竪型槽に沈降性
酵母あるいは固定化生体触媒を装入し、下部から糖液を
供給して上部から反応物を取り出す構成を採っているも
のが多い。

こ扛らの従来装置では、竪型槽に仕切りを入社で多段槽
とした９、反応槽の上部を拡大すること゛によシ生体触
媒と醗酵液の分離の改善を図っている。

しかしながら、これらの反応槽の欠点は、アルコール発
酵の特性として炭酸ガスが副生じ、塔内がガスによシ激
しく撹拌されるため完全混合状態を形成し、すなわち、
−檜完全混合型となり易いため、多段式に比較して反応
速度および収率が劣ることである。

そこで、従来の竪型反応槽の後段に濃縮槽を設ける多槽
式のものが提案さ扛てきた。ところが、こ扛らの従来の
多槽式のものでは、濃縮槽は、単に、反応槽から抜き出
さする反応液と生体触媒との分離に用いられるだけで、
生体触媒の沈降層と反応液の有効な接触を図る構成とな
っていないために、アルコール醗酵促進のための多段の
意味は実質的になかった〇 一般に、アルコール醗酵の場合には、単位容積当りの反
応速度は生体触媒が多い程早い。したがって、反応速度
を上げるためには生体触媒濃度を高めればよい。ところ
が、アルコール醗酵では、多量の炭酸ガスが副生じ撹拌
が生じるため、生体触媒を充填層として反応を行わせる
場合には、炭酸ガスによる垂体触媒の浮遊現象や粒子層
の撹拌がひき起さｎ１固定層の運転が不可能となること
が生じる。したがって、完全なアルコール化を達成する
ために必要な濃縮生体触媒層と反応液との有効な接触を
果すことができない。し４−　Ｌ、この現象も反応が短
時間のうちに９０〜９５チ以上進行する場合に起ること
であって、反応の終期になると炭酸ガスによるはげしい
撹拌はなくなる。したがって、この段階で適切な液上弁
速度を選べば反応槽内で生体触媒は流動層を形成して反
応液との好ましい接触が可能となり、アルコール醗酵達
成度をさらに高めることができる。この時、流動層の生
体触媒が高濃度であ扛ば、反応促進にさらに有、効であ
る。

本発明は上記知見に基いて成さｒたもので、本発明の目
的は、このようなアルコール醗酵の特性を利用すること
によって、すなわち、反応前段は醗酵による副生ずる炭
酸ガスに伴う強撹拌条件、そして反応後段はゆるやかな
撹拌と高触媒濃度条件で運転することによシ、二段反応
を達成することができ、一段反応式のものに比べ反応速
度および収率を改善することができる□　　生物反応方
法およびその装置を提供することにある。

すなわち、本発明によ扛ば、−次反応槽に供給さｎた基
質を、あらかじめ槽内に充填さ扛ている生体触媒によジ
アルコール醗酵させて副生ずる炭酸ガスによって完全混
合状態を形成し、この状態でアルコール醗酵を８０〜９
０チ進行させた後、反応液を一次反応槽から抜き出し、
反応液から炭酸ガスを逃がしながら反応液を二次反応槽
内の生体触媒層に導き、生体触媒層と接触させることに
よジアルコール醗酵をさらに進行させ、同時に反応液と
生体触媒を分離することを特徴とする生物反応方法が提
供さ扛る０また本発明によｎば生体触媒が充填さ扛た一
次反応槽と、−次反応槽における反応生成物を一次反応
槽から受けるように一次反応槽の次段に供給路を介して
接続さ扛かつ生体触媒の濃縮層を有する二次反応槽とか
ら構成さｎ、上記供給路の二次反応槽側先端が生体触媒
の濃縮層内に開口していることを特徴とする生体反応装
置が提供さ扛る０ つぎに本発明を添付の図面に示す実施例に基いて説明す
るる 第１図は本発明による生物反応装置の一実施例を示す。

この生物反応装置はたとえばアルコール醗酵に用いるも
ので、基本的には竪型主反応槽である一次反応槽１と、
ガス分離槽２と、高濃度反応槽である二次反応槽３と、
ガス分離槽２に接続さｎ、−次反応槽１における反応液
を二次反応槽３に導くための管部とから構成さ扛る。−
次反応槽１内には基質のアルコール醗酵反応にあずかる
生体触媒、たとえばサツカロミセス、セレピイシェなど
の沈降性酵母あるいは固定化酵母が充填さ扛ている〇−
一次反応槽１は、基質たとえばアルコール醗酵の場合に
は糖液を一次反応槽１内に供給する原料人口１１、空気
人口１２、−次反応槽１内のアルコール醗酵により副生
ずる炭酸ガスを外部に逃がす出口１３、および醗酵によ
り生成さ扛る反応液を含むスラリーを抜き出してガス分
離槽２に導くパイプ１４が設けら扛、−次反応槽の外周
には冷却ジャケット１５が設けら扛る。ガス分離槽２に
は分離さ扛たガスの出口２１と下降管２・２が設けら扛
ている。二次反応槽３内には一次反応槽１と同様の生体
触媒が充填さｎ１高濃度の生体触媒層を形成するように
なっている。ガス分離槽２の下降管２２は二次反応槽３
内に挿入さｎており、その下部の生体触媒層中上開口し
ている０３１は゛二次反応槽３における生成物すなわち
製品を抜き出す出口であり、３２は、−次反応槽１よシ
反応液とともに持ち込まｎる生体触媒め過剰分を一次反
応槽１内にもどすための触媒循環パイプであって、二次
反応槽３の比較的上部に連通している０４は触媒循環ポ
ンプであって、パイプ３２を介して二次反応槽３から触
媒を吸収し、−次反応槽１下部に連通ずるパイプ１６番
介して一次反応槽１内（（触媒を循環させる作用をする
。

このような構成の生物反応装置において、原料人口１１
から基質を投入すると、−次反応槽１内において充填さ
ｔている生体触媒とともに撹拌さｎて、完全混合層が形
成さｎる。この状態で運転した楓、アルコール醗酵の反
応が８０〜９０％進行した時点で、槽内の反応生成物を
含むスラリーはパイプ１４を介してガス分離槽２に導入
さｔ１ガスが分離さ扛る。−次反応槽１内での反応が８
０チ未満の進行度である場合には、二次反応槽３におい
て炭酸ガスの発生が依然として激しく、好ましい生体触
媒層の形成ができず、９０％を超える進行度の場合には
、実質的に二次反応槽３を設ける意味がなく、反応速度
および収率を改善することができない。

ガス分離後の反応液は下降管２２を通って二次反応槽３
の下部で槽内に供給さｎる０したがって、反応液が上部
に逃げて行く過程で必らず生体触媒の沈降層またはベッ
ドと接触し、アルコール化の反応が促進さ扛る。反応液
とともに二次反応槽３内に運び込まｎる生体触媒は二次
反応槽内で沈降し層を形成するが、過剰分はパイプ３２
および１６を介してボン）：４により一次反応槽１内に
送シもどさ扛る。生体触媒の沈降層の上部に分離さｎる
反応液０４Ｍ品として出口３１から取り出さｎる。

なお、−次反応槽１内にお・、ご漕内を完全混合状態と
するために、副生ずる′（酸ガスを循環して槽内の完全
混合、均一化’；ｆ：　〈ｌ　’、−’ｌｙ１．ｆｔも
ある。

この場合には、たとえば第１Ｆ、Ｊ（−示すように、炭
酸ガス循環プロワ５を用いて、−次反応槽上部出口よシ
炭酸ガス循環パイプ１７を介して炭酸ガスを吸引し、−
次反応槽下部へ供給するように構成することができる０ 本発明に用いる二次反応槽の変形例としては、第２図に
示すように、二次反応槽３を濃縮固体循環部分３ａと静
置部分３ｂとから構成してもよい。さらに具体的に記せ
ば、ガス分離槽２の下部に取り付けられた下降管２２を
二次反応槽３の内部に設置さｎた円筒３３内に挿入し、
円筒３３内に撹拌機３４を設けることによシ、濃縮生体
触媒を円筒３３内に供給することができ、生体触媒濃度
を上げた状態で生体触媒と反応液の均一な接触を図るこ
とができる濃縮固体循環部分３ａが形成される。なお、
撹拌機３４は、上昇流を与え芯構造のものでなけ扛ばな
らない。

一方、静置部分は二次反応槽の周壁３５と円筒３３間に
形成さｎる環状部３６によ多構成さ扛る。生体触媒はこ
の環状部３６において反応液と沈降分離さ扛る。この過
程で反応液は生体触媒と良好な接触を経て、上澄液とし
て出て行き二次反応を完了する。他方、濃縮さｎた触媒
は二次反応槽の底部あるいは中間部から抜き出さ扛て一
次反応槽へもどさｎる。

上記した生物反応装置において、−次反応槽１と二次反
応槽３との間に、再循環させる触媒の活性を高めるため
の賦活槽を設けてもよい。

たとえば、ある方法で作った固定化酵母の活性は完全培
地に入社ることによシ賦活さ、ｎることが知らｎている
ので、第３図に示すように、二次反応槽３からの濃縮さ
ｎた触媒を賦活槽６に送り、ここで賦活して一次反応槽
ｌＫ、送入することができる。この賦活槽６には、賦活
のために空気が必要であｎば空気を送入できる設備を設
ける。第３図において、６１は賦活液入口、６２は空気
入口である。

また、本発明による生物反応装置の別の実施例としては
、第４図に示すように、下降管２２を有するガス分離槽
２を二次反応槽３の内部に収容する構成としてもよい。

さらに、第５図に示すように、ガス分離部２′を一次反
応槽１内に組み込んだ構成としてもよい。

なお、上記した実施例でぼ、基質を一次反応槽１の下部
から投入し、上部から反応液を抜き出す構成のものにつ
いて述べたが、上部から基質を投入し下部から反応液を
取シ出すタイプのものにも本発明を適用することができ
る。

また、本発明はアルコール醗酵反応に好適に用いられる
が、そ扛に限らず、生体触媒を用いる他の反応にも適用
することができる〇本発明の効果を実施例によって説明
する。

実施例１ を１３．８％含有している０こｎを硫酸によシＰＨ４，
０に調整し、直径８００ｓｏａ高さ５ｍのジャケット付
円筒型−次反応槽へ１ｍ／ｈｒの割合で供給した。この
反応槽内には高さ約４ｍの液高で沈降性酵母（す、カロ
ミセス、セレビイシェ）全充填し、濃度を４８〜ｓｏｋ
ｇ／ｍに保った０液保有量は約２ばてあった。−次反応
槽上部よシ、発生した炭酸ガスを容量５０ｍ／ｈｒのコ
ンプレッサーで第二次反応槽下部に循環させた。また−
次反応槽下部には、酵母濃度９０〜１００　ｋｙｉｍの
濃縮酵母を約４５０〜４８０に９／ｈｒの割合で、二次
反応槽から一次反応槽へ供給した。−一次反応槽出口液
中のアルコール濃度は６，８〜６．９ｗｔ　％であった
。ガス分離器の大きさは、直径約３０゜ｎ高さ６００Ｉ
ｌｌｌＫであシ、直径約１５０龍長さ３ｍの下降管を有
し、直径８００ｍｍ長さ３７７１の二次反応槽に接続し
た。−次反応液は酵母を゛含有したままガス分離器内に
送入し、ガスを分離した後下降管を通って二次反応槽に
供給した。ここでは、液の上昇流は約３ｍ／ｈｒであっ
た。この条件下では、酵母濃度は９０〜１ｏｏｋｇ／ｍ
’であった。二次反応槽内では約２，０００１ｇの酵母
充填層を液が上昇し、その間に液中の糖分はほとんど完
全にアルコールに転化した。二次反応槽の出汀アルコー
ル濃度は９．２ｖｏ１％であり、残糖濃度は０．７ｗｔ
％であった。この反応装置の効率は、生産性として表現
すｎば約２３　（ｋｇアル、コール／　ｍ　＋　ｈｒ　
）であった。この値は従来のものに比して非常に高い。

なお、糖の利用率は９５チであった。

実施例２ 実施例１と同じ装置を用い、アルギン酸ソーダによって
作った、直径約１．５〜３．０關の固定−化酵母を一次
反応槽内に４０ｋｌ？／ｍ”の濃度で充填し、二次反応
槽内に２００ｋｇ／ｍの濃度で充填した。実施例１と同
様の方法で清浄化した混合計を温度３１〜３２°Ｃに保
持した反応装置に２０ｍ”／　ｈｒの割合で供給した。

二次反応槽の出口濃度は約６．　Ｏｖｏ１％であり、二
次反応槽の出口アルコール濃度は８．９　ｖｏ１％でア
シ、この反応装置の生産性は４５．５（ｋｌアル：Ｉ−
ル／　Ｉｄ　−ｈｒ　）てあった。なお、糖の利用率は
９２係であった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概要図、第２図は本発
明に用いる二次反応槽の他の構成を示す概要図、第３図
は本発明に用いることができる賦活槽を示す概要図、第
４図および第５図は本発明の他の実施例を示す概要図で
ある。 １・・−次反応槽　　　２・・ガス分離槽３・・二次反
応槽　　　４・・触媒循環ポンプ５・・炭酸ガス循環ブ
ロワ １１・・原料入口　　　　２２才下降管第１図 第２図 第４図 第５図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）−次反応槽に供給さ扛た基質を、あらかじめ槽内
   に充填さ扛ている生体触媒によりアルコール醗酵させて
   副生ずる炭酸ガスによって完全混合状態を形成し、この
   状態でアルコール醗酵を８０〜９０チ進行させた後、反
   応液を一次反応槽から抜き出し、反応液から炭酸ガスを
   逃がしながら反応液を二次反応槽内の生体触媒層に導き
   、生体触媒層と接触させることによりアルコール醗酵を
   さらに進行させ、同時に反応液と生体触媒を分離するこ
   とを特徴とする生物反応方法０
2. （２）生体触媒が充填さ扛た一次反応槽と、−次反応槽
   における反応生成物を一次反応槽から受けるように一次
   反応槽の次段に供給路を介して接続さ扛かつ生体触媒の
   濃縮層を有する二次反応槽とから構成さ扛、上記供給路
   の二次反応槽側先端が生体触媒の濃縮層内に開口してい
   ることを特徴とする生体反応装置。
3. （３）上記二次反応槽の内部に円筒を設けかつ円筒内に
   上昇流を与える撹拌機を設けることにより、二次反応槽
   内に濃縮固体循環部と静置部分を分離して形成したこと
   を特徴とする特許請求の範−門弟２項に記載の生物反応
   装置０