JPS60110280A - 酢酸発酵液中のアルコ−ル濃度測定方法 - 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】 本発明は酢酸発酵液中のアルコール濃度測定方法に関し
、詳しくは酢酸発酵液中の揮発性成分を含む気体から酢
酸のみを吸収・除去したのちアルコール濃度をガスセン
サーにより迅速かつ連続的に測定する方法に関する。

一般に深部培養による酢酸発酵においてはｆｊ’＋：酸
菌の活性が常に一定ではなく基質であるアルコール溶液
の供給速度が過剰になると、発酵液中のアルコール濃度
が高くなシ、原料利用効率が低下したり、アルコールの
阻害を受けて生産速度が低下する。逆に供給速度が不足
しても、発酵液中のアルコール濃度が低くなシ、生産速
度の低下をもたらす。

また、静置培養による酢酸発酵においても引卸時に発酵
液中のアルコールが不足すると、酢酸の過酸化によシ食
酢の品質を著しく低下させる。

このように、酢酸発酵においては、その基質であるアル
コール濃度は発酵を大きく左右する極めて重要な因子で
あるので、従来よシ酢酸発酵を良好に維持するために、
発酵もろみの一部を取シ出してガスクロマトグラフィー
、比色定量法などにより、アルコール濃度の測定を日日
繰り返し、アルコール供給速度の変更、引卸等の操作を
行なう必要があった。

しかしながら、これら従来のアルコール測定法は、多く
の手間と時間がかかり十分に実施することが難しいばか
りか、発酵もろみを採取してからアルコールの測定結果
が得られるまでに時間を要し、刻々と変化する発酵状態
に追従できず、良好な発酵に支障をきたしたり、食「ｉ
ｒの品質を低下させてしまうことも多い。

本発明者らは、このような現状にタ：亡み、迅ｉ・（二
かつ連続的に酢酸発酵液中のアルコール濃度を測定する
方法の開発に取り組んだ。

従来よシ、溶液中の揮発性成分の８’：’を度を測定す
る方法の１つとして、揮発性成分と平衡関係にある気体
を直接水素イオン化炎検出器（以下、Ｆよりと称す）や
半導体ガスセンサー等のガスセンサーに導き、気体中の
揮発性成分の濃度を測定して溶液の濃度に換算する方法
が用いられ、パン酵母発酵液中のエタノールの検出（Ｂ
ｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄＢｉｏｅｎｇｉｎｅ
ｅｒｉｎｇ、　ｖｏｌ、　ｘｘｒＩｌ、　ｐ、　２５０
９〜２５２４　（１９８１）　）やメタノールを基質と
する菌体生産発酵におけるメタノールの濃度の測定（Ｊ
、　Ｆｅｒｍｅｎｔ、　Ｔｏｃｈｎｏｌ、　。

ｖｏｌ、　５６　、　Ａ　４　、　、ｐ、　４２１〜４
２７　（１９７Ｂ）　）に利用された報告がある。

しかしながら、これらのガスセンサーはガス選択性に欠
け、揮発性成分が前述した発酵のようにほぼ単一の場合
には、有効に利用できるけれども、ガスセンサーが感度
を示す複数の揮発性成分を含む場合には、そのうちの１
成分の濃度を測定することは不可能である。

まさに酢酸発酵は、アルコールおよび酢酸の２種類のｊ
ｉｊ発性成分を含んでおシ、ＦＩＤや半導体センサーは
、この両者に感度を有するため、ガスセンサーの出力は
この両者の和となシ、酢酸発酵の重要な因子であるアル
コール濃度のみを測定することはできず、これらのガス
センサーにょシガス濃度を直接に検出する方法を酢酸発
酵液中のアルコール濃度の測定に利用することができな
かった。

そこで本発明者らは、アルコールおよび酢酸ノ両者に感
度を有し、アルコールに選択性のないガスセンサーであ
っても、アルコール濃度を正確に測定し得る方法につい
て鋭意検討した結果、ソーダライムを充填した吸収管を
加熱し、そこへアルコールと酢酸を含む気体を通過させ
ることにょシ、酢酸は完全にソーダライムに搏捉吸収さ
れるが、アルコールは吸収されずに通過することを見出
した。さらに、この知見に加えてガス吸収方法にも工夫
を凝らすことによって、本発明によろ酊ｒ１；発酵液中
のアルコール濃度測定方法を完成した。

すなわち本発明は・酢酸発酵液中の揮発性成分を含む気
体を採取し、該気体をアルカリ性物質を充填した吸収管
を通して該気体中の酢酸を吸収せしめたのち、ガスセン
サーに導入してアルコールを検知させると共に電気信号
に変換し、該信号を増幅器で増幅して読み取ることを特
徴とＪる耐酸発酵液中のアルコール濃度測定方法を提供
するも泥化酵素法などがあシ、基質であるアルコールを
酢酸に酸化する酢酸発酵においてその発酵液中のアルコ
ール濃度を迅速かつ連続的に測定するものである。

まずはじめに、アルカリ性物質を充填した吸収管による
酢酸ガスの吸収について試験例により説明する。

試験例１ 酢酸を含む空気（ガスＡ）、アルコールヲｔｔｒ空気（
ガスＢ）および酢酸とアルコールを含む空気（ガスＣ）
の５種類を用意し、内径１　ｅａｒ　＋長さ５ｔｍのス
テンレス管にソーダライムを詰めて１５０°Ｃに加熱し
た吸収管に上記ガスを５０ｍ１１分の流速で通した後、
Ｆよりに導く方法（本発明方法）または該ガスを直接Ｆ
ＩＤに導く方法（従来方法）を行ない両者を比較した。

結果を第１表に示す。

第１表 ガスＡ（酢酸２００ｐＰ）　ＯｍＶ　６５　ｍＶガスＢ
（アルコール５００ＰＩＩＩＩｌ）　４６５　４６Ｂ表
中に示したＦＩＤ出力（単位ｍＶ）　増幅器で増幅）〜
た後の値を示し、清浄空気のみをＦＩＤに導入したとき
の出力がａ　ｍ’７　となるように調整したものである
。

表から明らかなように、従来方法ではガスＡに対しても
ガスセンサーは感度を示すが、本発明方法によると、ガ
スＡに対して全く感度を示さない。

また、ガスＢに対しては両者共に同一の出力を示してい
る。このことから、本発明方法によると、吸収管におい
て酢酸ガスは完全に吸収されるが、アルコールガスは全
く吸収されないことが判る。

アルコールと酢酸を含むガスＣの場合、本発明方法によ
れば、酢酸が吸収されているため、ガスＢと同じ出力が
得られるのに対し、従来方法ではガス刀よシ高い出力が
得られ、酢酸も検出されていることが判る。

このように、本発明方法によれば７．吸収管では酢酸の
みを選択的に吸収し、アルコールだけをガスセンサーに
導くことができる。なお、この実験では、アルカリ性物
質としてソーダライムを用いたが、酢酸ガスの吸収は酸
、アルカリによる中和反応を原理としているので、酢酸
と中和反応するアルカリ性固体物質はすべて同様に使用
することが可能である。このような物質として、たとえ
ばガラスピーズにＫＯＨ、ＮａＯＨなどをフーティング
したものなどが挙げられる。しかし、［０）１やＮ　ａ
ＯＨなどは潮解性が強く取扱いが不便である上、測定す
べき気体中に水分が含まれる場合は溶解してセンサー部
に付着する場合もある。それ故、酢酸吸収剤としては、
このようなトラブルが生じないソーダライムが好ましい
。

また、吸収管の温度による影響について検討するため、
次のような試験を行なった。

試験例２ （Ａ）水、（Ｅ）２％アルコール水溶液および（０）ア
ルコール２％と酢酸５％を含む水溶液の３ｓ類をそれぞ
れ６ｔづつ別々に通気攪拌槽に入れ、３０℃に維持しな
からａｏｏｒｐｍ、通気量１ｔ７分で通気攪拌を行ない
ガスを排出させ、それぞれのガスをガスＡ、ガスＢおよ
びガスＣとした。

一方、内径１σ、長さ５　ｃｎｒのステンレス管にソー
ダライムを詰めｆｃ吸収管を任意の温度に加熱すること
ができる恒温槽内に設置し、前記各ガスを該吸収管に通
したのち１よりに対してはじめにガス人１次にガスＢに
切換えるように、あるいははじめにガス人１次にガスＣ
に切換えるようにして導入した場合の各温度におけるＰ
ＩＤ出力と、その９０％応答までの時間を測定した。結
果を第２表に示す。

第　２　表 ４０　９５．３ｍＶ　８５秒　１０３ｍＶ　１１０秒６
０　９５．６　５５　９８．５　５８８０　９５．９　
４１　９４．８　４５１００　９４．３　５５　９４．
４　５６１４０　９５．５　２８　９５．２　５０１８
０　９６．４　２５　９６．１　２２２００　９７．１
　２０　９７．１　２０２５０　９７．５　１９　９７
．７　１９２５０　９８．２　１９　９８．１　１９表
中に示したＦより出力は増幅器で増幅した後の値を示し
、ガスＡを導入したときの出力をＯｍＶに調整したもの
である。

表から明らかなように、８０℃以上の温度では酢酸を含
むガスＣと酢酸を含まないガスＢはいずれもほぼ同一の
Ｆより出力を示すが、８０℃未満の場合はガスＣの方が
ガスＢよシもＦよりの出力が高くなっており、酢酸が十
分に吸収・除去されておらず、正確にアルコール濃度を
測定することかできない。また、温度を高めていくと、
９０％応答までの時間が短くなり、迅速な測定が可能と
なる。しかし、吸収管内の酢酸ガス吸収剤の交換等の保
守、管理を安全に行なったり、使用する器拐の熱による
劣化等を考慮すると、吸収管の加熱温度の上限を２５０
°Ｃ程度とずべきであり、さらに応答速度、安全性の立
場から１００〜２００°Ｃの温度で吸収管１加熱するこ
とが好ましい〇本発明の方法に用いるガスセンサーは、
アルコールに感度を有するセンサーであれば原理上はと
んどのものが利用できるが、前記試験例１および２に用
いたＦＩＤ検出器や半導体ガスセンサーが長期の安定性
、信頼性の面でずぐれている。］ｒより検出器は特に精
度が高く、アルコール濃度と出力が直線関係にあシ、酢
酸発酵液中のアルコールを正確に測定するには最も適し
た検出器である・しかし、水素ガスを燃焼するため、取
扱いに注意する必要がある。その上、電気回路も複雑、
であり、高価となる。一方、半導体センサーはＦより検
出器に比べ精度はやや劣り、アルコール濃度と出力が対
数関係になり、高濃度のアルコール測定にＧま特に精度
が悪く、１％以上の高濃度アルコールを測定する際には
、試料ガス自体を希釈する等の対策が必要とされるが、
半導体ガスセンサー自体が安価であシ、取扱いが容易な
上にＦより検出器に比べて簡単な電気回路でアルコール
を検出することができる。それ故、本発明に用いるγル
コール測定装置全体のコストを低減することができる３
゜以上ノ如く、上記ガスセンサーは精度１価格。

取扱い性などでそれぞれ一長一短があり、本発明を実施
するにあたっては目的に適うものを選択すればよい。

次に、アルコールガス等の揮発性成分を含む気体の採取
方法について説明する。

第１の方法は、通気攪拌培養を行なっている酩酊発酵槽
の排出ガスを直接ポンプを経由して一定速度で吸収管お
よびそれに続くガスセンサーに導く方法である（第１図
参照）。これは試験例１に示した方法であり、最も簡単
に利用できる。検出器としてＦよりを用いる場合、ガス
を送り込むだめのポンプは吸収管の前に設置する必要が
あるが、半導体センサーを用いる場合は・該センサーの
後にポンプを設けることもできる。しかし、酢酸発酵を
静置発酵によって行なう場合、発酵槽上部のガスと発酵
液との接触面積が少なく、必ずしも発酵液中のアルコー
ル濃度と相関関係を持っていないため、この方法は利用
し難い。

第２の方法は、発酵槽内に（蓄水性でガス透過性の材質
で作られたチューブを発酵構内の液浸部に設けて、その
チューブの一方の端へ導管を通して一定速度にてキャリ
アーガスを導き、該チューブ内を通過せしめ、チューブ
外に排出されるキャリアーガスを導管を通して吸収管に
送シ、さらにそれに続くガスセンサーに導くことによっ
て発酵液中の濃度に比例してチュー、プを透過してくる
アルコールおよび酢酸を含むキャリアーガスを試料ガス
として用いる方法である（ｇｔ’ｓ２図参照）。

この第２の方法は一般的にはチュービングセンサーと云
われ、Ｊ、　’Ｆｅｒｍｅｎｔ、　Ｔｅｃｈｎｏｌ、　
、　ｖｏｌ、　５６　、１６４　＋４２１〜４２７　（
１９７８）や特開昭５４−９１３９１Ｓ号公報などに開
示されている。しかし、酢酸発酵液は気化性成分がアル
コール単一でなく酢酸も含まれており、これら両者共に
ガス透過性のチューブ内に透過するため、キャリアーガ
スをそのままＦよりや半導体ガスセンサーに導入すると
、両者に感度を有するので両者の和が検出されてしまう
。

それ故、ガスセンサーに導くに先立って、該ガスを吸収
管を通過させて酢酸を吸収・除去させることが必要であ
る。

上記第１および第２の方法は、既知の試料ガス採取方法
であるが、発酵構内の温度、圧力が変化するにつれてア
ルコール蒸気圧も変化し、液中のアルコール濃度が同一
であっても試料ガス中のアルコール濃度は異なるので、
正確にアルコール濃度を測定するためには、温度や圧力
に対して補正を加えなければならない。たとえば表面発
酵法による酢酸発酵では、発酵液中の温度を一定に調節
しないのが一般的であり、発酵の状況、季節等によって
発酵液の温度は変動し、また深部発酵法においても＼発
酵槽内部に設けた冷却用蛇管に冷水を通すことによって
発酵液の温度調節を行なっているが、正確に一定温度に
制御することは困難であり、±０．５°Ｃ程度の振れ幅
を持っている。

また、アルコール溶液を流加しながら発酵を続ける深部
流加培養法においては・アルコール溶液の流加に伴ない
発酵液量が増加し、発酵液中の圧力が変化する。このよ
うな酢酸発酵独得の発酵法に対して第１．第２の方法に
おいては、アルコール濃度を正確に測定するためには、
温度や圧力を補正しなければならない。

そこで本発明者らは、発酵温度や発酵液量が一定でない
酢酸発酵液中のアルコール濃度を温度や圧力の補正を加
えることなく正確に測定する方法について検討を重ね、
新たな第３の方法を開発しだのである。

この第５の方法は、発酵槽とは別に設けた中空のセル中
に民水性のガス透過性チューブを・設置つ、ポンプによ
シ発酵槽内の発酵液を該チューブ内に連続的に通過させ
ると共に、キャリアーガスとして空気または窒素ガスを
セルの一方より導入してチューブ内の発酵液より気化性
成分をチューブ外側に透過させてキャリアーガス中に移
行せしめて試料ガスとする方法である（第３図参照）。

この第３の方法について詳細に説明すると、４（ンブよ
シ送られる発酵液は、たとえば４０°Ｃに保たれている
恒温槽内に設けた熱交換用の細い蛇管内を流して４０℃
の一定温度にしてから同じ恒温槽内に設けたセル中のチ
ューブに導き、さらに該チューブを通過した発酵液は恒
温槽の外へ導管によって導き、一定の高さで大気へ排出
することによシセル中の発酵液にかかる圧力の変化を大
気圧の微少な変化にとどめることができる。

そのため、この第６の方法では、表面発酵法や深部発酵
法により実施される酢酸発酵液から常に一定の温度、圧
力の下でガス透過膜を通して発酵液中の気化性成分であ
るアルコールと酢酸をキャリアーガス内に導くことがで
きる。したがって、温度や圧力補正のための装置を必要
としないで正確に発酵液中のアルコール濃度を測定する
ことができる。

本発明においては、上述した５種類の方法により試料ガ
スを採取できるが、簡便かつ正確にγルフール派度を測
定するには第３の方法が最も適している０なお、上記の
３種類の方法はいずれも試料ガスが飽和状態に近い水蒸
気を含んでいるため、試料ガスが通る導管は水蒸気が凝
集しないように加温しなければならない。

ガスセンサーで検知したアルコールは直ちに電気信号に
変換せしめ、次いで該信号を増幅器で増コール濃度を迅
速、かつ連続的に測定することカニできる。

次に、本発明の実施例を示す。

実施例 半連続培養による酢酸発酵を行ない、発酵耐引］のアル
コール濃度を以下の方法によって連続的に測定した。

発酵槽とは別に設けた４０°Ｃの恒温槽内にガス透過性
チューブ（内径５．５ｍｍ、外径４節、長さ５国で開孔
率６０％の多孔性四弗化エチレンチューブ）を設けたガ
ラス製セルを設直し、発酵槽め・らポンプによシ送られ
てくる発酵液を恒温槽に、！１すた熱交換用蛇管を通し
て前記ガス透過性チューブに導くと共に前記セルにキャ
リアーガスとしてン々浄空気を４０ゴ／分の流速で送入
することによって発酵液中の気化性成分を該キャリアー
ガス中に移行せしめた。このようにして発酵液を４　ｏ
　ｌＩ＆　１ｆｉｌ連続的にチューブに送り試料ガスを
採取した。この試料ガスを清浄空気により２０倍に希釈
したのち、内径１　ｃｍ　、長さ５ｃｒｎのステンレス
管に粒子径が約５鰭のソーダライムを詰め、１８０°Ｃ
の恒温槽内に収納してなる吸収管に導いた。次いで、試
料ガスをＮ型半導体センサーに送り、該試料ガス中のア
ルコールを検知し一、１ｔｔ気信号に変換した。

この電気信号が対数関係になるため、直線化するように
電気回路を設け、さらに増幅器により増幅させた。

なお、上記実験に先立ち、水および１％または２％のエ
タノール標準液を発酵液の代りにチューブ内に送り、同
様の操作によって検量線を作成した〇 一方、上記実験とは別に発酵液を３〜Ｂ時間ごとに採取
して従来のガスクロマトグラフィー法により該発酵液中
のアルコール濃度を測定した。それぞれの結果を第３表
に示す。

第３表 ０　２．５３　２．５１ ５　２．５６　２．５６ ６　２．０３　２．０Ｂ １０　１．９９　１．９７ １５　２．２４　２．２５ １　Ｂ　２．４５　２．４３ ２１　５．０１　５．０４ ２４　２．５８　２−５８ ２７　２．０２　１．９９ ５１　Ｌ４５　１．４５ ５４　１．００　１．００ ４０　０．５０　０．５２ 第６表から明らかなように、本発明の方法による測定結
果はガスクロマトグラフィー法による従来方法によシ測
定したアルコール濃度とほぼ同一の値を示し、酢酸発酵
液中のアルコール濃度を十分に正確に測定できることが
判明した。しかも、本発明方法によればアルコール濃度
を迅速かつ連続的に測定することができるので、適切な
発酵管理を行なうことが可能である。さらに、試料ガス
の採取を自動的に行なえるため、省力化できる上に・ア
ルコール濃度検出部からの出力信号をマイクロコンピュ
ータ−等の演算装置に入力し、比較、演算した結果を出
力することによシ、たとえば深部発酵におけるアルコー
ル溶液の供給速度を自動的に調節したシ、適宜のアルコ
ール濃度で自動的に引卸すなど発酵管理の自動化を図る
ことも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は揮発性成分を含む気体の採取方法を示す説
明図である。 １・・・発酵槽、２・・・加温ヒーター、３・・・ポン
プ。 ４・・・ガス透過性膜、５・・・中空セル、６・・・恒
温槽。 ７・・・熱交換用蛇管、Ａ・・・酢酸ガス吸収管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　酢酸発酵液中の揮発性成分を含む気体を採取し、
   該気体をアルカリ性物質を充填した吸収管を通して該気
   体中の酢酸を吸収せしめたのち、ガスセンサ二に導入し
   てアルコールを検知させると共に６号に変換し、該信号
   を増幅器で増幅して読み取ることを特徴とする酢酸発酵
   液中のアルコール濃度測定方法。 ２　アルカリ性物質をｆ填した吸収管が８０〜２５０°
   Ｃに加熱されたものである特許請求の範囲第１項記載の
   方法。 ＆　アルカリ性物質がソーダライムである特許請求の範
   囲第１項記載の方法。 ４、　ガスセンサーが水素イオン化炎検出器または半導
   体ガスセンサーである特許請求の範囲第１項記載の方法
   。 ５、揮発性成分を含む気体の採取を、イ絶水性かつガス
   透過性の拐質よりなるチューブを内蔵した中空セルの該
   チューブ内に酢酸発酵液を導入すると共に該チューブ外
   側のセル内部にギヤリアーガスを連続的に送入すること
   によって揮発性成分を含む気体をキャリアーガス中に移
   行せしめることによシ行なう特許請求の範囲第１Ｊ頁記
   載の方法。 ＆　セル内の温度および酢酸発酵液の温度を一定の温度
   に保持する特許請求の範囲第５項記載の方法。