JPS5959195A - 固定化微生物菌体による連続アルコ−ル製造方法 - Google Patents

固定化微生物菌体による連続アルコ−ル製造方法

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JPS5959195A
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相良 紘
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  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

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、アルコール発酵能を有する微生物菌体を担体
に固定した固定化微生物菌体を用いて、糖含有液からア
ルコールを連続的に製造する方法に関する。
アルコ−/l/(エタノ−/I/)は従来から発酵法に
よって製造されており、飲料用、医薬用、化粧品用など
に広く用いられている。ところで、近年、石油を中心と
した化石燃料の枯渇が懸念されはじめてからは、アルコ
ールを石油代替のエネルギー源として利用することも盛
んに研究されるようになり、ますますアルコール生産性
の高い及び省エネルギー的なアルコール発酵法の確立が
強く要求されてきている。
かかる要望にかなった発酵法としては、発酵槽の容積効
率(単位発酵槽容積及び単位時間当りのアルコール生産
量)の向上とともに、発酵工程のみならず後段のアルコ
ール分前工程並びに廃液処理工程をも考慮した上でのエ
ネルギー消費の低減下が期待できるものでなければなら
ないことは言うまでもない。しかしながら、末だそのよ
うな期待できるアルコール発酵法は提案されていないの
が実情である。
一般にアルコール発酵においては、そこで使用される微
生物によって若干の差はあるが、発酵槽内のアルコール
濃度が高まるとその発酵速度はアルコール及びその他の
代謝生産物によって大きく阻害を受ける。例えばアルコ
ール発酵能を有する酵母の使用にあっては、約7〜8重
量%以上のアルコール濃度で阻害が著しく認められるよ
うになり、アルコール生産性が低下する。このため、従
来法ではアルコールの低濃度溶液で発酵を行なわざるを
得す、それに付随して、多量の発酵廃液の処理の問題が
生じたり、また、低アルコール濃度の溶液からアルコー
ルを回収しなければならないため比較的多大なエネルギ
ーの消費を必要とする、等の欠点があった。
このような問題点ないし欠点を解消する手段として、発
酵槽から取り出した発酵液を減圧処理して液中からアル
コールを分離する方法が提案されている。例えば、特開
昭56−2.1592号公報及び特開昭157−268
5号公報には、発酵槽から連続的に取り出した発酵液を
酵母に影響を与えない温度条件で減圧下においてアルコ
ール含有蒸気と酵母液とに分離し、酵母液を発酵槽に循
環する方法が記載されており、そこでは、酵母液を発m
楢で再利用することによって、系外へ排出される発酵残
渣液の処理や蒸溜工程での負荷の軽減を図っている。
しかしながら、この方法においては、発酵液からアルコ
ールを回収した残りの発酵液中に依然として酵母を生存
せしめこれを発酵槽に循環再利用する形態が採られてい
ることから、減圧系に導入される発酵液の湿度は必然的
に酵母に影響を及ぼす温度以下でなければならない。従
って、この方法でアルコール発酵を行なわせ、しかも、
前記のごとき生産されるアルコール等の阻害を回避する
ためには、発酵槽内のアルコール濃度を低く押えること
を前提として、減圧度を高めるか或いは液(酵母液)の
循環量を多くすることが必要となる。それ故、この方法
では、減圧保持のための消費エネルギー或いは液循環の
ためのポンプ動力が膨大とならざるを得ないことから、
経済的な観点からみればあまり得策な方法ではない。
また、発酵槽から酵母を含んだ発酵液を取り出して、予
めこれを遠心分離器などによって酵母濃縮流と酵母不含
流とに分離し、酵母濃縮流を発酵槽に戻し、酵母不含流
を所望の温度まで昇温してから減圧下の蒸発学位装置に
導入する方式が、例えば特開昭56−64790号公報
で提案されている。しかしながら、この方式は装置構成
が複雑となるのみならず、摂社の発酵液を処理するため
に遠心分離器等の設備費及び操業費の高騰を招き必ずし
も好ましいものとはいえない。
本発明の目的は、これまでに述べた従来法の問題点ない
しは欠点を悉く解消するとともに、生産性の高い(発酵
槽の容積効率の向上した)連続アルコール発酵法を提供
するものである。
即ち、本発明の連続アルコール製造方法は、固定化微生
物菌体(アルコール発酵能を有する微生物菌体が担体に
固定されたもの)を充填した発酵槽に糖含有液を連続的
に供給してアルコール発酵させ、その発酵槽から発酵液
の一部を連続的に取り出して35〜80Cに加熱し、こ
れを減圧下に維持されたフラッシュタンクに導入してア
ルコール含有蒸気と、液とに分離し、前記アルコール含
有蒸気を凝縮して回収する一方、前記分離された液の少
なくとも一部を冷却し前記発酵槽に循環することを特徴
としている。
以下に本発明方法をさらに詳細に説明すると、本発明方
法においては(1)アルコール発酵能を有する微生物菌
体を担体に固定した状態で所謂固定化微生物菌体として
用い、(i+)発酵槽から取り出された発酵液を比較的
高い温度(35〜80C1好ましくは40〜80C)に
加熱し、フラッシュタンク内の圧力をあまり低くしなく
とも発酵液から充分にアルコール含有蒸気を分離できる
ような工夫がなされている。
本発明方法で使用される微生物菌体としては、サツカロ
ミセス(Saecharomyces )属、ジゴサツ
力ロミセス(Zygosaceharomyc@+s 
)属およびチゾサツカロミセス(Sehizosacc
haromyces+ )属から選ばれる酵母類や、ザ
イモモナス(Zymomonas)属などの細菌類が一
般に例示できる。また、これら微生物菌体の固定化物と
しては、特に限定する必要はないが、微生物菌体が増殖
しうる状態で固定化していることが望ましく、例えば、
寒天、アルギン酸塩、に−カラギーナン、ゼラチン、コ
ラーゲン等の天然高分子やポリアクリルアミド、光硬化
性樹脂等の単量体を重合させた高分子を担体として包括
固定されているものが好ましい。なお、一般的にいえば
固定化微生物菌体並びにその製造法は公知である。
固定化微生物菌体は適宜の大きさ、形状に成形されて発
酵槽に装填される。発酵槽の形式としては通常の充填床
、懸濁床、移動床などいず□ れも採用することができる。
添附図面のうち、第1図は第1発酵槽附近の(又は、発
酵槽が1つだけの場合のその附近の)概略図を示してお
り、そこで、第1図に基づきながら本発明方法に説明を
加えれば次のとおりである。
原料調製槽4にラインlから糖液が、ライン2から副原
料が、ライン3からプロセス水が導入され1そこで所定
濃度の糖含有液が調製される。原料液(糖含有液)の糖
濃度は、得ようとする最終アルコール濃度によって決め
られるが、通常lO〜2501//l程度であり、高濃
度アルコール発酵を意図する本発明方法においては25
0〜40011/l <らいが望ましい。糖含有液は原
料供給ポンプ5を通して第1発酵槽6へと導入される。
第1発酵槽6には、アルコール発酵能を有する微生物菌
体を固定したもの(固定化微生物菌体)が充填されてお
り、固定化微生物菌体と原料液とが接触することにより
アルコールが生成される。第1発酵槽6内の温度は微生
物菌体の発酵特性とも関連するが、通常は酵母の場合で
25〜351Z’に維持されている。この湿度の維持は
、後に述べるように、フラッシュタンクから出された液
を冷却したものの一部を第1発酵槽6に循環させること
によってなされる。なお第1発酵槽616内の発酵圧力
は常圧ないし若干の陽圧(常圧〜2 kg/crl G
 )であるのが好ましく、また、ここには示されていな
いが、第1発酵槽6には適当量の空気又は酸累が導入さ
れるようになっている。
第1発酵槽6ではアルコールの生成と同時に炭酸ガスも
生成され、この炭酸ガスはライン7を経て系外に排出さ
れる。第1発酵槽6上部は液面制御計(LIC)8によ
って液面が制御されており、その液部分よりライン9を
通して発酵液の一部が連続的に流出される。
ライン9を通して流出された発酵液は、加熱器lOで、
所望の温度(35〜80C1好ましくは40〜80C)
にまで加熱されてから、圧□力M整弁11により減圧下
に維持された7ラツツシユタンク12に導入される。
フラッシュタンク12では、発酵液中のアルコール及び
水分がアルコール含有蒸気となって蒸発し、分離された
液はライン13を通して循環4?ンプ14により冷却器
15で所定の温度まで冷却された後筒1発#槽6へ循環
される。なお、ここで冷却された液のうちの一部は、液
面制御計8と連動している液面制御弁16を経てライン
17より第2発酵槽へと導ひかれる。また、ここでは、
前記分離された液はその一部がライン13からライン1
7を通して(即ち、冷却されることなく)第2発酵槽へ
と導びかれ、残部が冷却器15で冷却された後第1発酵
槽6へ循環されるようにしてもかまわない。もつとも、
発酵槽を一つでアルコール製造を行なう場合には、ライ
ン17からの液は系外へと排出される。
フラッシュタンク12内の圧力やフラッシュタンク12
で分離された液の第1発酵槽6への循環量は、得ようと
するアルコール含有蒸気を考慮し、設定した発酵液の湿
度との関係で適宜選定可能である。通常、フラッシュタ
ンク12内の圧力は30〜300■H7aba程度であ
り1分離された液の第1発酵槽6への循環量は第1発酵
槽6に供給される原料液の量の1−10重量倍程度が操
作上好ましい。
一層1フラッシュタンク12からライン18を通して取
り出されたアルコール含有蒸気は、エジェクター19に
より吸引され、アルコール水となってエジェクター用水
槽20に貯蔵される。エジェクター用水槽20に貯蔵さ
れたアルコール水は、ポンプ21により冷却器22を介
して所定温度(25〜35C)に冷却された後、エジェ
クター駆動水として利用され、またその一部はライン2
3を経て系外に抜き出されアルコール濃縮工程へと送ら
れる。なお、ここではフラッシュタンク12内を減圧に
維持する方法としてエジェクター19を利用することの
例をあげているが、他の方法、例えば真空ポンプなどを
用いるものであってもかまわない。
これまでの第1図に基づいた説明では、便宜上、第1発
酵槽6附近におけるアルコール製造過程を示しているが
、本発明方法の実施においては発酵槽は1つ又は複数用
いられてもよく、とくに発酵槽を複数個直列に設けて(
I211ち、第1図に示したごとき装置を複数個直列に
設けて)連続発酵するようにすれば一層その効果が発揮
される。この場合、発酵槽の数は2〜5個で充分である
第2図は3個の発酵槽が直列に配置されて連続アルコー
ル製造が行なわれている状態の概略を示しており、第2
発酵槽6′及び第3発酵槽6“でも第1発酵槽6と同様
な操作が行なわれ、最終発酵槽(ここでは第3発酵槽6
“)で原料液中の糖がほとんど消費され、ライン24か
らは発酵液(生成モロミ)が系外へと排出され、ここに
一連のアルコール発酵が完結される。なお、第2図にお
いて、ll′は圧力調整弁、27は空気導入ラインを示
している。
□、。
以上のように、本発明方法ではアルコール発酵能を有す
る微生物菌体が担体に固定されたもの(固定化微生物菌
体)を用いてアルコール発酵を行なっているため、発酵
槽より抜き出される発酵液には微生物菌体がほとんど含
まれておらず、また仮りに含まれていたとしてもその微
生物菌体を再びアルコール発酵に用いることを意図して
いないことから、その発酵液を減圧下に維持されたフラ
ッシュタンクに導入する際の発酵液の加熱温度について
は特に微生物菌体へ与える影響を考慮する必要がなく、
発酵液を比較的高温にすることが可能となった。従って
、本発明方法においては、フラッシュタンク内の圧力を
それ程低くしなくとも、及び/又は、フラッシュタンク
から分離された液の発酵槽への循環量をそれ程多くせず
とも、発酵液から充分にアルコール含有蒸気を分離でき
るので発酵槽内のアルコール濃度を充分に低く保つこと
が容易となり、アルコール生産性の高い連続アルコール
発酵法を可能としている。
次に実施例及び比較例を示す。
実施例1 分子量約4000のポリエチレングリコール2000g
、イソホロンジイソシアネート1モル(zzz5)およ
びメタアクリル酸2−ヒドロキシエチル1モル(xao
g)からなるウレタン化ゾレポリマー(数平均分子量約
5000)に、サツカロミセス0フオルモセンシス(S
accharomycem formosenais)
の懸濁液500m1 (乾燥酵母で60g)を加え、更
に、光増感剤としてベンゾインエチルエーテル2gを加
えた後、ホモジナイザーで均一に分散して酵母・プレポ
リマー混合液を得た。続いて、ガラス板にポリプロピレ
ンフィルム(厚さ約50μ)を敷き、厚さ約1.0咽の
スペーサーでガラス板上の周囲を囲んだ後、この上に、
前記の酵母・プレポリマー混合液を流し込み、その上部
に前記と同じポリプロピレンフィルムを被せ空気を遮断
した。これに下方から低圧水銀灯(主波長3600X)
’1il−約3分間照射し、更に、上下を入替え同様に
約3分間照射して肉厚1.08111IIの膜状固定化
酵母を製造した。
このようにして製造した複数枚の固定化酵母をそれぞれ
切断することによって、(a)肉厚1.08調、幅30
11III11長さ500mの短尺状のもの40枚、(
b)肉厚1.08儲、幅30謔、長さ350鰭の短尺状
のもの40枚を得た。なお、この時の固定化酵母中の酵
母濃度は、乾燥菌体重量/乾燥固定化酵母重量基準に換
算して、2.5重量%であった。
続いて、内径30■角、高さ500論の容器に前記(a
)の固定化酵母10枚をそれぞれが等間隔となるように
スペーサーを介して装填した。
このようにして固定化酵母を充填した4個の容器を垂直
に重ね合わせることによって、内径30婦角で全長20
091mの角形発酵槽を製作し、これを第1発酵槽とし
た。因みに、第1発酵槽の全容積は1.81であり、そ
の中に固定化酵母は0.6481充填されている(充填
率36%)。
第2発酵槽は、内径30謔角、高さ350mの容器に前
記(b)の固定化酵母10枚をそれぞれが等間隔となる
ようにスペーサーを介して装填したものを2個垂直に重
ね合わせて製作した(内径30醪角、全長700m、全
容積0.634)o第3発酵槽には、第2発酵槽と同じ
ものを用意した。
次に、これら3基の発酵槽を用いて第2図に示したよう
な連続アルコール発酵のための実験装置をつくった。こ
の装置により下記のごとき実験を行なった。
原料調製槽4で原料糖蜜をプロセス水で希釈し、これに
硫安を添加して原料液(糖含有液)を調製した後、原料
液をポンプ5により第1発酵槽6に導入し、その他微量
の空気を供給してアルコール発酵を行なわせた。第1発
酵槽6で発生した炭酸ガスは、発酵槽上部よりライン7
を通して系外に排出した。
第1発酵槽6上部から流出する発酵液を、加熱器10に
より水蒸気で間接的に加熱し、その後圧力調整弁11を
通して、真空ポンプ(図示されていない)により60 
tnsnHll mbgに減圧されている第1フラツシ
ユタンク12に導入した。
第1フラツシユタンク12で生成されたアルコールと水
とは蒸気となり上部より飛散し、第1冷却器25で冷却
水により冷却・凝縮された後、この凝縮物は第1気液分
離器26で未凝縮ガスと分離された。得られた凝縮物を
ポンプ28により糸外に設けられた貯槽(図示されてい
ない)に移して、そのアルコール濃度及び生成量を測定
した。
一方、第1フラッシュタンク12下部から流出する液は
、ポンプ14によって、冷却器15でほぼ30Cに冷却
された後所望量が第1発酵槽6に循環され、残部が第1
発酵槽6の上部液面がほぼ一定になる様にして第2発酵
槽6′へと移送された。
第2発酵槽6/に導入された液(この液には未だ幾分か
の基質が含まれており原料液又は発酵液になりうるちの
である)は、第1発酵槽の場合と同様に、ここでもアル
コール発酵が行なわれた。発酵液の一部は第2発酵槽6
′から抜き出され加熱器lO′により加熱された後、減
圧下(60■HIIaba)の第2フラツシユタンク1
2’に導入された。
第2フラツシユタンク12’の上部から飛散したアルコ
ール含有蒸気は第2冷却器25′から第2気液分離器2
6′に導ひかれた。ここで得られた凝縮物をポンプ28
′により糸外に設けられた貯槽(図示されていない)に
移して、そのアルコール濃度及び生成量を測定した。
また、第2フラッシュタンク12/下部から流出する液
は、前記の第1フラッシュタンク12下部から流出する
液の場合と同様に、冷却された後所望量が第2発酵槽6
′に循環され、残部が第3発酵槽6〃へと移送された。
第1発酵槽6〃は、この実験では、主として発酵の完結
を期待する熟成槽としての機能をもたせたため、第1及
び第2発酵槽にみられるごとき減圧フラッシュ−循環系
を組み込まない通常、の常圧発酵とし、ここからは最終
的に生成モロミとして系外に取り出した。
以上のような操作を連続運転で長時間行なうと、最初の
1〜2日間は生成アルコール量及び凝縮物置ともに若干
の変化がみられたが、それ以降はほぼ一定の組成を示す
ようになった。この現象は発酵初期における固定化酵母
の増殖によるもので、増殖がほぼ定常になった時点で安
定した成績が得られたものと理解される。試験結果をま
とめて表−1に示した。
比較例1 フラッシュタンク12および12’の圧力を常圧とした
以外は実施例1とまったく同様にして実験を行なった。
その結果をまとめて表−1に示した。
実施例2 実施例1と同じ装置を用い、加熱器10 、10’によ
り加熱された発酵液の温度、フラッシュタンク12 、
12’内の圧力、および、原料液供給量に対する循環液
量(フラッシュタンク12゜12’で分離されそれぞれ
発酵槽6.61に循環される液の量)の比を種々変えた
場合の実験を行なった。
□ これらの実験結果を、第1発酵槽6におけるアルコ
ール生成速度及び発酵生産性即ち発酵槽容積効率に注目
して、表−2にまとめて示した。
比較例2 実施例1と同じ装置を用い、加熱器10 、10’によ
って発酵液を昇温させない場合、即ち、通常の発酵温度
30Cで圧力40fIIIIHgのフラッシュタンク1
2.12’に発酵液を導入した実験を行ない、その結果
を実施例2と対比する意味から表−2に示した。
実施例2との比較から明らかなように、従来法(比較例
2)ではフラツシヱタンク入口温度を酵母に影響を与え
ない温度条件下に制限しなければならないことから、勢
いフラッシュタンクの減圧条件及び液循環量のいずれも
厳しくする必要があることがわかる。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明方法の実施に好適な装置の概略を示すもの
であって、第1図は第1発酵槽周辺の要部を表わしてお
り、第2図は3つの発酵槽を直列に配設した例を表わし
ている。 4・・・原料調製槽  6,6’、6’・・・発 酵 
槽10.10’・・・加熱器  11 、11’・・・
圧力調整弁12 、12’・・・フラツンユタンク15
.15’、22,25,25’・・・冷 却 器19・
・・エジェクター  26.26’・・・気液分離器特
許出願人 通商産業大臣 安 倍 晋太部25− 5 /

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、 アルコール発酵能を有する微生物菌体が担体に固
    定された固定化微生物菌体を充填した発酵槽に糖含有液
    を連続的に供給してアルコール発酵させ、その発酵槽か
    ら発酵液の一部を連続的に取り出して35〜sorに加
    熱し、これを減圧下〈維持されたフラッシュタンクに導
    入してアルコール含有蒸気と、液とに分離し、前記アル
    コール含有蒸気を凝縮して回収する一方、前記分離され
    た液の少なくとも一部企冷却し前記発酵槽に循環するこ
    とを特徴とする固定化微生物菌体による連続アルコール
    製造方法。 2、 アルコール発酵を常圧〜2 kf/cdl Gの
    範囲の圧力下で行なうようにした特許請求の範囲第1項
    記載の方法。 3、 発酵槽から取り出された発酵液を40〜80tZ
    ’に加熱し、これをフラッシュタンクに導入するように
    した特許請求の範囲第1項記載の方法。 4、 フラッシュタンク内の圧力が30〜300■H,
    17absである特許請求の範囲第1項記載の方法。 5、 前記アルコール含有蒸気が20〜60重量%のエ
    タノールを含んでいる特許請求の範囲第1項記載の方法
    。 6、 前記フラッシュタンクにおいて分離された液を2
    0〜35Cの温度に冷却して発酵槽に循環させるように
    した特許請求の範囲第1項記載の方法。 7、前記フラッシュタンクにおいて分離され続いて発酵
    槽に循環される液の鼠が、その発酵槽に供給される糖含
    有液の量の1〜10重量倍である特許請求の範囲第1項
    記載の方法。 8、 発酵槽が1つである特許請求の範囲第1項記載の
    方法。         − 9、 発酵槽をn個直列に配置し、第1発酵槽に系外よ
    り糖含有液を連続的に供給してアルコール発酵させ、そ
    こから抜き出した発酵液を加熱し第1フラツシユタンク
    に導入してアルコール含有蒸気と、液とに分離し、分離
    された液を冷却してその一部を第1発酵槽に循環し、残
    部を第2発酵槽に導入してアルコール発酵させ、第2発
    酵槽から抜き出した発酵液を加熱し第2フラツシユタン
    クに導入してアルコール含有蒸気と、液とに分離し、分
    離された液を冷却してその一部を第2発酵槽に循環し、
    残部を第3発酵槽に導入し、続いて同様な操作を繰り返
    して行ない、第n −1フラツシユタンクで分離された
    液を冷却してその一部を第n−1発酵槽に循環し、残部
    を第n発酵槽に導入してアルコール発酵させることによ
    って、第n発酵槽からは発酵液を得るようにした特許請
    求の範囲第1項記載の方法。 10、  nが2〜5である特許請求の範囲第9項記載
    の方法。
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