JPS6178374A - 固定化増殖微生物による連続発酵システム - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は固定化増殖微生物を用いた２段式連続発酵シス
テムに関する。更に詳細には、本発明は第１槽および第
２槽共に固定化酵母を用いろ連続発酵システムであって
、第１槽の抱括固定化酵母ゲルビーズの平均粒径が第２
槽のゲルビーズの平均粒径よりも小さいことを特徴とし
ている。本発明のシステムは飲料用を含む、アルコール
の連続製造に特に適している。

（従来の技術） 近年、いわゆるバイオマス・アルコールの研究の進展も
あり、効率的なアルコール発酵システムの開発の検討が
精力的に進められている。アルコールの生産性を高めろ
ためには１発酵槽の菌体濃度を上げることが必要であり
、そのために種々の方法が考案されている。例えば、遠
心分離材を用いる方法、凝集性酵母を用いてｒｅｃｙｃ
ｌ　ｉｎｇさせる方法、あるいは固定化酵母を用いろ方
法等によって菌体濃度の上昇が試みられている。

中でも、固定化増殖微生物乞反応累子として用いるアル
コールの連続発酵法は、１９７０年後半に和田−千畑ら
罠よって報告されて以来（Ｗａｄａ・Ｍ、・Ｋａｔｏ　
＋　Ｊ、＋　Ｃｈｉｂａｔａ、Ｉ　、　：　Ｅｕｒｏｐ
ｅａｎ　Ｊ、Ａｐｐｌ　・Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ、、８：
　２４１−２４７　（１９７９）　）　、多方面からそ
の有効性が検討され、多くのシステムが報告されている
（バイオマスによろ燃料拳化学原料の開発技術資料集成
；■フジ・テクノシステム）。ここでも、発酵効率と安
定性？高めるための工夫がいろいろとなされている。例
えば、固定化時にステロールや不飽和脂肪酸を菌体とと
もに包括して、嫌気下での増殖を活発にしたり、菌体の
生育に適した固定化担体を選択したりする試みがなされ
ているｃ東真幸他；日本農芸化学会、昭和５８年度大会
　Ｐ６７Ｂ）。しかし、ステロールや不飽和脂肪酸を菌
体とともに包括固定化するのは、その作業が繁雑であり
、また、長時間にわたって菌体を封入した状態で保つこ
とは難かしい。一方、バイオリアクターの形状を工夫す
ることにより。

培地、ガス、固定化酵母の流動を容易にさせ、基質との
接触度を高めて固定化酵母の置き換わりを活発にして、
効率的にアルコール連続生産する試みもある。例えば、
２段式連続発酵システム（特開昭５８−１３３９６）、
固定化担体に光硬化性樹脂？用いて膜状バイオリアクタ
ーによる連続生産馨行なった例（バイオマスとバイオテ
クノロジー°８４；日本能率協会）などがある。しかし
、これらのシステムを用いても、培地の糖濃度１５〜１
７チでアルコールの対糖収率が９５〜９０チ。

糖濃度２０チで８９〜８６憾であり、対糖収率の面から
は決して充分とは言えない。又、残糖は生産物の香味に
及ぼす動静が大きく、さらに、再発酵を招く危険性も筒
く５飲料用アルコールの製造には適さなかった。すなわ
ち、従来のシステムは。

燃料用アルコール製造に主眼を置いたものが多く、これ
を飲料用アルコール製造に用い２）ことは困難であった
。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明者らは、飲料用アルコール製造にも充分使用しう
ろ連続発酵システムの開発を目的として特に、高アルコ
ール濃度・低糖濃度の条件下となっても培地糖娘度２０
チで最終的に対糖収率９５チ以上の成績が安定的に得ら
れ、且つ残糖濃度を低く維持できろ様、鋭意研究Ｙ型ね
た結果、本発明を完成した。

Ｃ問題点を解決するための手段） 本発明者等は、アルギン酸カルシウム、に−カラギーナ
ン等の固定化用多糖類が、高アルコール濃度に対して酵
母の保護効果をもっていることを見出し、さら圧、担体
内酵母密度とゲル・ビーズの粒径との間に密接な関係の
あることを考慮して本発明を完成した。

すなわち、本発明は、２段式連続発酵システムにおいて
、第１．第２槽ともに、固定化酵母を用い、しかも、第
１槽のゲル・ビーズの粒径を平均２．５ｗ未満、第２槽
のゲル・ビーズ粒径な平均２．５ｗ以上とすることで、
上記問題点を解決した。

固定化用担体としては、アルギン酸カルシウム。

Ｋ−カラギーナン、アルギン酸アルミニウム、寒天等の
固定化用多糖類が考えられるが、固定化の容易性、発酵
時のゲル強度、ゲル・ビーズからのエタノールの拡散性
を考えると、アルギン酸カルシウムが最も適した担体で
ある。

本発明の２段式連続発酵システムはアルコール発酵に特
に適しているが、使用微生物、担体の種類および担体の
粒径乞適宜選択することによりエタノール生産以外の分
野にも利用可能であると思われる。

すなわち、適当な担体を選択して、これに固定化されろ
微生物の増殖性を高めると共に、比較的高い菌体密度が
得られる小粒径担体と発酵生産物から菌体を保護する大
粒径担体とを組合せて発酵効率の高い連続発酵システム
を設計できる。

以下に本発明をアルコール発酵システムについて説明す
る。

（作用） 本発明のシステムにおいて、第１槽のゲルビーズ粒径ｋ
　２．５　ｔｕｇ未満にすることは、従来に比べ、実質
的な菌体密度の上昇につながり、高効率で発酵が行なわ
れる。第２槽で固定化菌体な用いること、ざらに粒径を
２．５＋ｕ以上にすることは、従来の遊離菌体に比べ、
高アルコール濃度に対して菌体が担体により保護される
。しかもゲルビーズの粒径が大きい程、保護効果が大き
いので、従来以上の高アルコール濃度でも残糖の発酵が
可能である。これは後述の参考例で示す様に、ゲルビー
ズ担体が基質乞とり込みやすく、しかも生産されたアル
コールを容易に拡散放出するという性質に基づいている
。こねによって、糖濃度２０チの培地を連続的に供給し
て９５チよた１まそれ以上の高い対糖収率を安定して維
持できる。

さらに、第２槽を固定化槽とすることにより、第１槽で
高発酵性菌、第２槽で高アルコール濃度・ｌ耐性菌又は
高アルコール馴養菌を用いるなど５第１槽と第２槽で異
種の菌体を用いて発酵をすすめろことも可能である。

以下、参考例、実施例ケもって１本発明の詳細な説明す
る。

固定化酵母はに一カラギーナン又はアルギン酸カルシウ
ムな担体として常法により調整した。即ち、４　％　（
Ｗ／ｖ）に−カラギーナン水溶液ヲ３９〜４０℃に加温
し、これＶＣ＃母’ｖ　１０　ｃｅｌｌｓ　／　ｍｅ（
ゲル）となる様に懸濁し、ノズルより冷２チＫＣ１水浴
液に滴下した。アルギン酸カルシウムを担体とする場合
は、２チ（Ｗ／Ｖ　’）アルギン酸ソーダ水溶液に酵母
を同様艷２濁し５１チ冷Ｃａ　（、’　Ｚ２水溶液中に
滴下した。これにより直径約４社のゲルピーズ？得たつ
得らハたゲルビーズ’（、Ｙ　ｅａｓｔｅｘｔｒａｃｔ
　１　％、　Ｐｏ１ｙｐｅｐｔｏｎｅ　１　％、ＧＩｕ
ｃｏｓｅ２％培地中で前培養し培地体内に酵母が充分生
育した時点で担体内の酵母の分布を測定した（第２図）
５丁なわち、ゲルビーズ’Ｙ０．８％ＮａＣ１ｍ液に懸
濁して徐々にとかしながら経時的にサンプリングして、
ゲルビーズ体積と酵母数とを測定して求めた。

酵母はビーズ表層付近で高密度に、中心付近では低密度
に生育しており、従って、比表面積が大きい小粒径ゲル
ビーズが５実質的に発酵槽内の菌体濃度を間めることが
理解される。

参考例２　ゲルビーズ内への糖及びエタノール浸透原産
の測定 参考例１と同様に調整した４チに一カラギーナンゲルピ
ーズを１５チエタノール溶液又は１５φ糖溶液に浸漬し
、エタノール又は助のゲルビーズ内糖度の経時変化？測
定した（第３図）。同様にして、２チアルギン酸カルシ
ウムゲルビーズヲ２０チエタノール溶液又は２０チ糖溶
液に浸漬し、ビーズ内濃度の経時変化を測定した（第４
図）。参考例１と同様にビーズを徐々にとかしながらサ
ンプリングすることにより、担体白糖濃度、エタノール
濃度を測定した。両担体ともに５糖製度は約１時間で浸
漬液と同濃度に達するのに対し、エタノール濃度は、２
時間後も浸漬液と同濃度に達することなく、はぼ平衡と
なった（第６．４図）。

この結果より、両担体ともに、その物性として、糖に比
較してエタノールの浸透をおさえる性質？備えているこ
とが示唆された。

参考例３　ゲルビーズからのエタノール拡散によるビー
ズ内エタノール濃度変化の 測定 ２０チエタノールを含有する４チに一カラギーナンゲル
ビーズ及び２チアルギン酸力ルシウムゲルビーズｗＸ留
水に浸漬し、ビーズ内のエタノール濃度な前例と同様に
測定し、その経時変化を示した。（第５図）　両ゲルビ
ーズとも、浸漬初期ＶＣエタ／−ル濃塵は急激に減少し
、特にアルギン酸カルシウムゲルビーズはエタノールを
保持てることなく１００分後には拡散を完了した。前例
と合わせ、エタノールはビーズ内に浸入しにくく、ビー
ズから拡散、放出されやすいことが知られろ。

参考例４　固定化酵母と遊離酵母のゲルビーズ２チアル
ギン酸カルシウムに抱括固定した酵母と固定化されてい
ない酵母の増殖サーモグラムから増殖経過を求めて比較
した。固定化されていない酵母の場合、増殖後期にその
速度が落ちるが。

固定化酵母ではその様なことはなく、完全生育に至る時
間も短かがった。このことは、参考例１〜３に示した点
も含め、固定化が、酵母の増殖に適した環境をつくった
結果と考えられろ。

実施例１　本発明による連続発酵システムでのアルコー
ル連続生産 参考例で得られた知見をもとに構築したシステムテ、ア
ルコール連続生産を試みた。システムの基本を第１図に
示した。原料供給部（１）１発酵槽（２段；ｆｆ１））
、遊離菌体除去部ｌ、から成っており、発酵槽は両段固
定化酵母（第１槽ゲルビーズ粒径１．８　ｘｘ以下、第
２槽ゲルビーズ平均粒径６．０１１以上、）を用いた。

発酵槽の形状・固−液分離パーツについては通常のもの
で良いが、各々の槽で固定化できるようにする。

第１図に示した連続発酵システムにおいて、２０％ブト
つ果汁を連続的に供給しつつ、以下の条件で行なった。

発酵温度　２５°Ｃ 約９００時間の連続発酵における第１槽の滞留時間、担
体内酵母密度、残糖、エタノール濃度を示した（第６図
）。

連続運転期間中、酵母密度は両槽とも安定して維持され
た。第２槽残糖濃度は、第１槽滞留時間１６時間（第１
槽残糖濃度６〜８％）でも、平均０．５％以下の値が安
定して得られ５第１槽滞留時間１１時間にすると、第２
槽残糖洟度が多少上昇した。また、生成エタノールは、
第１槽滞留時間１３時間で、第１槽で８〜９５チ程度で
あるのに対し５第２槽で１１〜１２チを安定して維持し
た。

実施例２　第１槽発酵終了醪の第２槽滞留時間と第２槽
発酵終了醪の残糖濃度との 関係 従来システム（第２槽遊離酵母使用）と本発明によるシ
ステムで、第２槽滞留時間と残糖濃度との関係を比較し
た。

実験条件を以下に示す。

発酵は、実施例１と同様、２０係ブドウ果汁を用いた。

結果を第７図に示すと同時に、残糊０．５％に達する第
２槽滞留時間と、従来システムの滞留時間を１とした時
の本システム滞留時間割合を下表罠示した。

ここに示した様に、本システムは従来法に比べ、７５−
８０憾程度の滞留時間で１発酵終了罠到り、効率が非常
圧良い。

（発明の効果） 本発明のシステムを用いて、ブドウ果汁を原料としてア
ルコール連続発酵を試みたところ、１４日間の連続運転
により平均０．４チの低い残糊２含むアルコール発酵ｆ
ｆＬｙｔ得ることができた（第８図）。

更Ｋ、第７図に示した様Ｋ、従来システムに比べ高収率
で発酵終了醪を得ることが可能となった。

残糊５濃度は飲料アルコールの呈味に大きく影響を及ぼ
ずことが一般に知られており、本発明は今後飲料アルコ
ール製造を試みる上で非常に有用なシステムである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のシステムの概要を示すフローシートで
ある。 第２図はゲルビーズ内の菌体分布２示す図である。 第６図は４チに一カラギーナン乞担体として。 １５チグルコース、または１５％エタノール水溶液中に
浸漬した際の担体内でのそれぞれの濃度変化？示すグラ
フである。 第４図は２チアルギン酸カルシウムを担体として、２０
チグルコースまたは２０％エタノール水溶液中に浸漬し
た際の担体内でのそれぞれの濃度変化を示すグラフであ
る。 第５図）ｉ２０％のエタノールを含有ずろに一カラギー
ナンまたはアルギン酸カルシウム担体ｗ蒸留水に＝ｍし
た際の担体内でのそれぞれの濃度変化を示すグラフであ
る。 第６図は本発明のシステムの連続運転による第１槽およ
び第２槽の各パラメーターを示すグラフである。 第７図は本発明のシステムと第２槽に遊離酵母を用いた
従来システムとにおけろ、第２槽滞留時間及び残糊濃度
の関係を示すグラフである。 第８図は本システムの連続運転による第２槽での各パラ
メーターの変動を示すグラフである。 特許出願人　　サン）　　ＩＪ　−株式会社代理人　弁
理士　湯浅恭三−，２−ぐ（ピコご−、ｂ （外５名） 見２コ ピＬズ゛卑１Ｑわ巨力・らの距負麺（ｊｎｍ）集３図 湯　５貴　日％Ｆｑ’Ｉｔイト） 手続補正書 昭和６０年５　月入り日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）２段式連続発酵システムにおいて、第１槽および第
   ２槽に異なる粒径の固定化微生物を使用することを特徴
   とする連続発酵システム。 ２）固定化微生物が担体に抱括された酵母から成るゲル
   ビーズであることを特徴とする、特許請求の範囲第１項
   記載の連続発酵システム。 ３）第１槽のゲルビーズの平均粒径を２．５ｍｍ未満と
   し、第２槽のゲルビーズの平均粒径を２．５ｍｍ以上と
   する特許請求の範囲第２項記載の連続発酵システム。