JPS6135805A - アルコ−ル発酵液の連続処理方法 - 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】 （技術分野） 本発明はサーモパーベーパレーション法によりアルコー
ル発酵液を連続処理する方法に関する。

（従来技術） アルコール発酵は２通常２回分式により行われる。回分
式のアルコール発酵は発酵効率が悪いうえに大型の装置
を必要とする。このような欠点を解消するために、最近
では、酵母やバクテリアを固定し連続してアルコール発
酵を行う方法が開発され、実用化されつつある。しかし
、この方法では菌の増殖による余剰菌体が発酵液中に混
入し。

後工程のアルコール蒸留を困難にしている。この余剰菌
体を実質的に除去回収す・ることはむづかしい。

また、精密濾過膜を利用した菌体再循環法や発酵液を減
圧蒸留する真空発酵法などの連続アルコール発酵システ
ムが研究されている（Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ−ｏｇｙ　
ａｎｄ　Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＋　ｖｏｌ、１
９＋　１１２５〜１１４３（１９７７）　）。前者の菌
体再循環法によれば、精密濾過膜を用いて発酵液を濾過
し、菌体などの発酵液中の固形成分の混入しないアルコ
ール水溶液が得られる。しかし、この精密濾過膜を通し
て得られるアルコール水溶液には原液発酵液中のアルコ
ール濃度と同濃度の、稀薄なアルコールが含まれている
にすぎず、その結果、後工程のアルコール蒸留に長時間
を要する。しかも、濾過時に膜に濾過圧力がかかるため
、　ｆｉ度分極が起こり固形物が膜に堆積する。そのた
めに膜の濾過能力が低下するという欠点がある。後者の
真空発酵法においては。

真空ポンプが用いられるため、動力エネルギーの消費が
大きく、そのランニングコストが影響して安価にアルコ
ールを得ることができない。

（発明の目的） 本発明の目的は、アルコール発酵液を簡単な操作で処理
し、菌体の混入がなくしかもアルコールを高濃度で含有
するアルコール水溶液を得る方法を提供することにある
。本発明の他の目的は９分離膜に圧力をかけることなく
、シたがって分離能力を長期間安定して維持させつつ効
率よく安価にアルコール発酵液を連続処理し得る方法を
提供することにある。

（発明の構成） 本発明のアルコール発酵液の連続処理方法は。

アルコール発酵を行う工程、得られたアルコール発酵液
を、該液体の蒸気のみを透過させ液体を透過させない疎
水性多孔質膜に供給する工程、該多孔質膜を透過したア
ルコール蒸気および水蒸気を冷却し凝縮させてアルコー
ル水溶液を得る工程。

および該多孔質膜を透過しない残留液体を上記アルコー
ル発酵工程に返送する工程、を包含し、そのことにより
上記目的が達成される。

上記アルコール発酵工程には通常の連続アルコール発酵
法が採用される。例えば糖質、Ｒ粉、繊維質原料などか
ら得られた１０〜２５重量％のグルコース水溶液に適当
な栄養成分や無機塩を加えて液体培地を調製し、これに
酵母や細菌などの菌体を加えて培養を行いアルコール発
酵を行わせる。培養期間中、培地の消費にしたがって、
逐次、適量の培地液が添加される。使用される菌体とし
ては。

例えば、サツカロマイセス（Ｓａｃｃｈａｒｏｍ３＋ｃ
ｅｓ）属のサツカロマイセス　セレビシェ（Ｓ、Ｃｅｒ
ｅｖｉｓｉａｅ）　。

サツカロマイセス　ラバラム（Ｓ、Ｕｖａｒｕｍ）など
を代表とする酵母；チモモナス　モビリス（Ｚｙｍｏｍ
ｏｎａｓｍｏｂｉｌｉｓ）、　　クロストリディウム　
サーモハイドロサルフリカム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ
　ｔｈｅｒ＋ｎｏｈｙｄｒｏｓｕｌｆｕｒｉｃｕｍ）な
どの細菌；トリコデルマ（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ）な
どのカビ類が挙げられる。培養温度は３０〜６０℃が適
切である。培養温度が高すぎると菌体の酵素活性が失わ
れるおそれがある。培地液のｐＨは培養期間中３〜６に
維持されることが望ましい。ｐＨの調整には水酸化ナト
リウムもしくは硫酸が用いられる。

得られた発酵液は１次いで、サーモパーベーパレーショ
ン法にもとづくアルコール水溶液分離工程へ供給される
。この分離工程においては１発酵液からアルコール蒸気
および水蒸気を選択的に透過させる疎水性多孔質膜が用
いられる。この疎水性多孔質膜の片面側に３０℃〜６０
℃の温度をもった発酵液が供給され、酸膜を透過したア
ルコール蒸気および水蒸気は酸膜の他面側の冷却システ
ムにより冷却され凝縮されてアルコール水溶液となる。

このような疎水性多孔質膜は１例えば、ポリテトラフル
オロエチレンなどのフッ素系樹脂を押出成形して得られ
、　０．０１〜１０μｍ、好ましくは０．０１〜０．５
μｍの微孔を有する。多孔度は５０％以上であることが
好ましい。膜厚は特に制限されないが。

通常、１〜２０００μｍ、好ましくは５〜１０００μ蒙
である。疎水性多孔質膜は、また、フッ化ビニリデン、
エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体などのフッ
素系樹脂の溶液もしくは溶融液を押出成形しても得られ
る。フッ素系樹脂は耐熱性を有するため、被透過物質が
高温であるとき特に有利である。フッ素樹脂のような疎
水性重合体に代えて、ポリスルホン、セルロース樹脂な
どの親水性樹脂の多孔質膜の表面にフッ素系樹脂やシリ
コーン樹脂などの撥水性樹脂を被覆して疎水性の多孔質
表面を付与してなる多孔質膜も使用することができる。

多孔質膜の微孔径および多孔度を適度のものに選択する
ことによりアルコール蒸気の透過速度を水蒸気の透過速
度より大きくすることができる。

例えば１．１倍以上とすることが可能である。こうする
ことにより、得られるアルコール水溶液中のアルコール
濃度は発酵液中のアルコール濃度よりも高くなり１分離
効率に優れると共に後工程のアルコール蒸留が容易にな
る。

疎水性多孔質膜の他面側を冷却するには次のような方法
がある。

疎水性多孔質膜の他面側に膜面から適宜の間隔をおいて
所定の低温に保持した伝熱壁を設ける。

疎水性多孔質膜を透過したアルコール蒸気および水蒸気
は伝熱壁により冷却されて凝縮し、アルコール水溶液に
なる。伝熱壁を設ける代わりに所定の低温に保持した９
例えば窒素ガスなどの冷却媒体を疎水性多孔質膜の他面
側に供給してもよい。

疎水性多孔質膜を透過したアルコール蒸気および水蒸気
は冷却媒体により冷却されて凝縮し、アルコール水溶液
となる。得られたアルコール水溶液は、適宜、アルコー
ル蒸留工程に送られ蒸留され高濃度アルコールが得られ
る。他方、アルコールおよび水の一部が除去され多孔質
膜片面側に残った発酵液は、返送管を通って連続的にも
との発酵槽へ返送される。

このように１発酵工程で連続的に得られるアルコール発
酵液がアルコール水溶液分離用多孔質膜面に接触しつつ
循環するので９発酵工程における培養液中のアルコール
濃度は逐次減少してゆく。

そのため、アルコールにより菌体の酵素活性が阻害され
る度合いが少なく、アルコール生産速度が増加する。発
酵工程ではアルコールの生成に伴うグルコースの消費に
応じて適宜培地液が補給さ、れるため、アルコール発酵
が連続して行われ得る。

本発明の方法は１例えば、第１図に示されるシステムに
より具体化される。このシステムは第１図に示すように
１発酵槽１とアルコール分離装置２とを有する。両者は
ポンプ１１を介して発酵液供給管１２および発酵液返送
管２１で連結されている。

発酵槽１は、槽内の液面を検知するレベルメータ１３．
槽内を所定温度にするための加熱もしくは冷却手段１４
および発酵液中のアルコール濃度を測定するガスクロマ
トグラフィ１５を備えている。この発酵槽１は電磁弁１
６を備えた培地供給管１７を介して図外の培地調製槽に
連結されている。アルコール分離装置２は疎水性多孔質
膜２２とこの膜２２の背面側を冷却するための冷却手段
２３とを備えている。この冷却手段２３は、疎水性多孔
質膜２２を透過したアルコール蒸気および水蒸気を冷却
し凝縮させてアルコール水溶液にするものである。アル
コール分離装置２は、アルコール蒸留装置３に連結され
、そこで上記アルコール水溶液が蒸留され高濃度アルコ
ールに精製される。

アルコール分離装置２は１例えば、第２図および第３図
に示すように１円筒状の疎水性多孔質膜管２２２とこの
膜管２２２の外側にこれと同軸に設けられた略円筒状の
外管２４とを備えている。この膜管２２２の疎水性多孔
質膜は９通常９例えば、ポリアミドからなる織布・不織
布、セラミック製の多孔質膜管等の支持体上に支持され
て配置される。

膜管２２２の内側には冷却媒体をその内部に通じること
のできる伝熱管２６が、同じく、膜管２２２と同軸に設
けられている。外管２４には発酵液供給口２４１および
発酵液排出口２４２が設けられ、それぞれ。

前記発酵液供給管１２および発酵液返送管２１に連結さ
れている。外管２４と膜管２２２との間隙は多孔質膜管
２２２に供給されるべき発酵液が通過する発酵液通路２
７を形成している。膜管２２２と伝熱管２６との間隙は
透過したアルコール蒸気および水蒸気が存在、する蒸気
空間２８を形成している。この蒸気空間２８に存在する
アルコール蒸気および水蒸気が伝熱管２６により冷却さ
れ凝縮して得られるアルコール水溶液はこの蒸気空間２
８領域の下方部に設け゛たアルコール水溶液排出口２２
４３から排出され、前記アルコール蒸留装置３に導かれ
る。

上記蒸気空間２８には、膜管２２２の内面に接する゛よ
うに通液可能なシート状のスペーサを同軸に設けること
ができる。このスペーサの内側を伝熱管２６に接するよ
うにしてもよい。膜管２２２を透過した蒸気が伝熱管２
６まで透過し得るように、スペーサは多孔質のものが使
用される。スペーサは凝縮したアルコール水溶液を所定
方向に導きうるよう少なくとも一定方向に通液性を有す
ることが必要である。第２図に示す装置にスペーサを配
設する場合には、アルコール水が鉛直方向に流下しうる
ように鉛直方向に通液性を有するスペーサが使用される
。スペーサは熱伝導性に優れていることが望ましい。こ
のようなスペーサとしては１０〜’１，０００メツシユ
の天然もしくは合成の繊維からなる織布。

不織布、炭素繊維などが用いられる。繊維の素材として
は２例えば、ポリエチレン、ポリエステル。

ポリアミドが用いられる。スペーサの厚さは特に制限さ
れないが、厚すぎると蒸気の凝縮効率を低下させる。そ
の厚さは１通常、０．１〜５．０＋＋ｍ、好ましくは０
．２〜３．Ｑｍ＋＋である。このように、スペーサを同
心状に複数枚重ねるとスペーサ自体が伝熱管壁によって
冷却され、そのために、膜管２２２を通過した蒸気は直
ちにスペーサおよび伝熱管２６壁によって冷却されて凝
縮する。その結果、蒸気の凝縮速度が大きくなる。スペ
ーサを設けることは、これを設けない場合にくらべて膜
管２２２と伝熱管２６との間隙が狭くてすむためアルコ
ール分離装置２を小型化することができる。本発明の装
置はその構造上もともと膜管２２２と伝熱管２６との間
には直接の接触部分がないため、蒸気の凝縮速度を大き
くすることができる。スペーサは膜管２２２や伝熱管２
６の表面にあらかじめ接合されたものを使用してもよい
。

伝熱管２６は熱伝導性の高い材料で形成される。

例えば、金属製の薄肉管が利用される。伝熱管２６内に
は冷却媒体導入管２３１および冷却媒体導出管２３２が
接続され、冷却手段２３からポンプ２３３を介して冷却
媒体が循環している。冷却媒体は発酵液通路２７を通過
する発酵液よりも低い温度に保たれる。

アルコール分離装置２としては、第４図に示すように、
外管２４０内に複数の膜管２２３が配設されていてもよ
い。これら各膜管２２３はその内部に伝熱管２６０を有
し、外管２４０と各膜管との間隙が発酵液通路２７０を
形成する。

本発明の装置は上記の構成に特定されず１例えば１発酵
液通路２７に冷却媒体を通し、冷却媒体通路に発酵液を
通すようにすることも可能である。

この場合も前記本発明の目的が達成されうろことはいう
までもない。

上記システムを用いてアルコール発酵１　ハ次（７）よ
うにして連続処理される。まず２発酵槽１内でアルコー
ル発酵を行う。発酵槽ｌ内の発酵液はその温度を所定レ
ベルに維持するために、必要に応じて、加熱もしくは冷
却手段１４により加熱もしくは冷却される。冷却手段１
４を分離装置２に用いる冷却手段２３で兼用することも
可能である。発酵槽１内の液面はレベルメータ１３によ
って検知され。

発酵が進んで培地が消費され液面が所定レベルより低下
したときにはレベルメータ１３に連動して電磁弁１６が
自動的に開放され１図外の培地調製槽の培地液が培地液
供給管１７を経て槽１内に補給される。発酵液のアルコ
ール濃度は９発酵液の一部がフィルター１８を通して採
取され、ガスクロマトグラフィ１５にかけられて測定さ
れる。発酵槽ｌからの発酵液はその品温を保持した状態
でポンプ１１により発酵液供給管１２を経てアルコール
分離装置２に供給される。

発酵液は発酵液通路２７に導入され、アルコール蒸気お
よび水蒸気だけが選択的に膜管２２２を透過し蒸気空間
２８に至る。アルコール蒸気および水蒸気は伝熱管２６
により冷却され凝縮しアルコール水溶液となる。このよ
うな、サーモパーベーパレーション法により得られるア
ルコール水溶液のアルコール濃度は１発酵液中のアルコ
ール濃度よりも高い。このアルコール水溶液は伝熱管２
６表面に沿って流下しアルコール水溶液排出口２４３か
ら排出さ、れ、アルコール蒸留装置３へ入る。発酵液通
路２７に残った発酵液は発酵液返送管２１を経て再び発
酵槽１に返送される。

（実施例） グルコース３００　ｇ　、酵母エキス３０ｇ、塩化アン
モニウム４．５　ｇ　、硫酸マグネシウム・７水塩４．
５ｇおよび塩化カルシウム０．３ｇを脱イオン水３ｊ！
に加えて培地液を調製した。培地液のｐＨは、　２．Ｏ
Ｎ水酸化ナトリウムまたは２．ＯＮ硫酸を加えて４．０
に調整された。培地液を５１の発酵槽に入れ加熱殺菌し
た後、３５℃に保温した。あらかじめ、サツカロマイセ
ス　セレビシェ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ　ｃｅｒ
ｅｖｉｓｉａｅ）（＾ＴＣＣ４１２６）を用いて１５時
間前培養を行い、得られた菌体液を上記培地液に対して
１％の割合で加えた。この培地液に３　ＶＶＭの速度で
通気し５００ｒｐｍの速度で攪拌を行った。

３５時間培養を行い、得られた発酵液のアルコール濃度
はガスクロマトグラフィにより８％と測定された。この
発酵液を、直径０．２μｍの微孔を有する厚さ０．５鶴
のポリテトラフルオロエチレン薄膜でなる膜管（膜面積
０．５ｎ（）に、　　１５０ｍｊ！／分の速度で供給し
た。膜管の内側の伝熱管を流れる冷却水（流量５Ｎ／分
）の温度は５℃であった。

アルコール水溶液が６．６１１／分の割合で得られ。

そのアルコール／水の濃縮比は１．８であった。このア
ルコール水溶液に菌体などの固形成分は認められなかっ
た。発酵槽には５％グルコース溶液が６．６ｍｊ！／分
の割合で補給され、１０日間の連続運転が行われた。こ
の間に得られたアルコール水溶液の量および濃縮比は安
定しており変化はなかった。

運転開始後、　１０日目ごとに培地を１．５ａずつ交換
しながら培養を続けたところ、３ケ月間にわたフて１５
〜２０％のアルコール水溶液が安定して得られた。

（発明の効果） 本発明の方法によれば、このように、連続してアルコー
ル発酵を行い、得られた発酵液から連続して高濃度のア
ルコールを含有するアルコール水溶液を得ることができ
る０発酵液からのアルコール水溶液の分離は疎水性多孔
質膜を用い原液発酵液と凝縮水との温度差を利用したサ
ーモパーベアバレージョン法により行われるので、加圧
・減圧などの格別な動力を必要としない。それゆえ、疎
水性多孔質膜に格別な圧力がかからない。その結果、従
来の加圧もしくは減圧による濾過法のように濃度分極が
おこり膜に固形成分が付着して膜の透過能力の低下を生
じることがない。得られたアルコール水溶液の濃度はも
との発酵液中のアルコール濃度よりも高くすることが可
能となる。このアルコール水溶液は、しかも、菌体など
の固形成分の混入のない高精製度のアルコール水溶液で
ある。それゆえ、後工程のアルコール蒸留も容易に行わ
れうる。結局１本発明の方法によれば、効率よく安価に
アルコールが製造されうる。

【図面の簡単な説明】

産業上の利用分野 第１図は本発明方法を具体化するためのアルコール発酵
液の連続処理システムの一実施例を示すフローダイヤグ
ラム、第２図はこのシステムにおけるアルコール分離装
置の断面正面図、第３図は第２図のＡ−Ａにおける断面
平面図、そして第４図はアルコール分離装置の他の実施
例を示す断面平面図である。 １・・・発酵槽、２・・・アルコール分離装置、３・・
・アルコール蒸留装置、　１２・・・発酵液供給管、１
３・・・レベルメータ、１４・・・加熱もしくは冷却手
段、１５・・・ガスクロマトグラフィ、１６・・・電磁
弁、　１８・・・フィルター。 ２１・・・発酵液返送管、２２・・・疎水性多孔質膜、
２３・・・冷却手段、　２４．２４０・・・外管、　　
２６．２６０・・・伝熱管。 ２２２、２２３・・・膜管。 以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アルコール発酵を行う工程、 得られたアルコール発酵液を、該液体の蒸気のみを透過
   させ液体を透過させない疎水性多孔質膜に供給する工程
   、 該多孔質膜を透過したアルコール蒸気および水蒸気を冷
   却し凝縮させてアルコール水溶液を得る工程、および 該多孔質膜を透過しない残留液体を上記アルコール発酵
   工程に返送する工程、 を包含するアルコール発酵液の連続処理方法。 ２、前記多孔質膜を透過するアルコール蒸気の速度が水
   蒸気の速度より大である特許請求の範囲第１項に記載の
   方法。