JPS6232871A - アルコ−ル生産装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、アルコール生産菌を用いた連続的にアルコー
ルを生産するアルコール生産装置に関する。

（従来の技術） 従来のアルコール生産装置は、原料である糖質、例えば
廃糖蜜を水で稀釈して基質とし、あらかじめアルコール
生産菌を予備培養した酒母の入った発酵槽に調整済の基
質および菌の成育に必要な栄養素を供給し、回分式で水
素イオン濃度、温度等を最適培養条件に制御しながら長
時間発酵・熟成し、基質中の糖をアルコールと炭酸ガス
に変成している。発酵・熟成を終えた発酵液（以後、「
もろみ」という）は、数基の蒸溜塔より構成される蒸溜
工程で、もろみ中の稀薄アルコールを９５　Ｖｏ１％以
上の含水アルコールとし、また、含水アルコールをベン
ゼン等を用い共沸蒸溜によシ脱水して、９９．５　Ｖｏ
１％以上の無水アルコールとし分離・濃縮している。

この場合、発酵槽では、時間とともにアルコール濃度が
高くなり、アルコール生産菌は、アルコール濃度阻害を
受け、通常５〜６係の低いアルコール濃度の“もろみ″
から分離・濃縮されるので、アルコール蒸溜工程では、
多量のエネルギーが消費される。

このような欠点を補うために、発酵槽のアルコール生産
菌の増殖、糖質の消費に合せ、段階的に基質を供給し、
発酵液中のアルコール濃度を高める工夫をした逐次添加
発酵が開発され、一部実用化されているが、発酵時間は
、７０〜１００時間を要し、発酵槽の容積当シの生産性
も低い。又、近年では、固定化函体を発酵槽に充填し、
基質を連続的に供給し発酵する、いわゆる高濃度菌体連
続発酵を行ない、アルコールの生産性を高める研究も実
用化の段階にある。

しかしながら、いずれの方式も、発酵槽内でアルコール
濃度が約８ｖ０１％になると、アルコール生産菌は顕著
なアルコール濃度阻害を受け、発酵速度の低下は免かれ
ない。したがって、発酵槽から流出するもろみのアルコ
ール濃度は、５〜１５　Ｖｏｗ優と低く、分離・濃縮の
ため、数基の蒸溜塔で構成される複雑な蒸溜工程で処理
され、このため多量のエネルギーが消費されている。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明の目的は、上記従来のアルコール生産装置の欠点
を解消し、機能性分離膜の寿命及び連続操業性が向上し
たアルコール生産装置を提供することである。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、アルコール生産菌を用い連続的にアルコール
を生産する装置において、原料を供給してアルコールを
発酵する発酵槽と、該発酵槽からのアルコール含有液を
導入してアルコール分を気化分離する減圧フラッシュ槽
と、該減圧フラッシュ槽からのアルコール含有蒸気を導
入し、機能性ガス分離膜を介して浸透分離することによ
りアルコールを濃縮回収する膜分離器とからなシ、前記
減圧フラッシュ槽底部からの未蒸発液を前記発酵槽に循
環する導管を設けることにより発酵槽内のアルコール濃
度を低く調節可能としたことを特徴とするアルコール生
産装置に関する。

（作用） 本発明は、原料糖質を調整した基質がアルコール生産菌
の入った発酵槽と減圧フラッシュ槽の間を循環する配管
で結び、発酵槽で生成したアルコールを減圧フラッシュ
槽で連続的に気化分離し、発酵液に含まれるアルコール
濃度をアルコール生産菌が示すアルコール阻害濃度以下
に制御しながら、循環発酵する工程と、減圧フラックス
槽で気化分離したアルコールを高機能ガス分離膜を備な
えた膜分離器に送シ、アルコールを所定濃度に、濃縮す
るアルコール分離・濃縮工程を組合せた合理的アルコー
ル生産装置である。

さらに詳しくは、発酵槽の発酵液中のアルコ−ル１１　
度ヲ、７　＃　コール生産菌がフルコール阻害の影響の
少ない１，５〜３モル分率の濃度範囲に制御するように
、発酵液を連続的に減圧弁を通して３０〜１５０トール
に減圧した減圧フラッシュ槽に循環させ、発酵液が発酵
過程で貯え九発酵熱、又は、必要に応じ多少加温した熱
を用いてアルコール分を気化分離するものである。

アルコール分が気化した未発酵の糖質が残る発酵液は、
アルコールの気化熱で冷却して返えされ、新らたに加え
られる気化したアルコール相当量の糖質を、同じく気化
した水と同容積の水で調整した基質と混合され、継続的
に循環されながら発酵が行なわれる。なお、減圧フラッ
シュ槽で未気化の発酵液には、未発酵の糖質の外、原料
廃糖蜜に含まれる塩類・夾雑物および栄養素から来る塩
類を含み、調整する必要が有るが、この場合は、発酵槽
に循環される発酵液、又はその一部を濾過器および陽イ
オンおよび陰イオン交換膜を内蔵する電気透析脱塩器に
導入し、脱塩後、発酵槽又は基質の調整用の水として使
用する。したがって、廃液量は微量となる。また、発酵
槽は、単段、直列多段のいずれでも良く、その形式は、
アルコール生産菌を浮遊した方式、いわゆる固定化菌体
方式いずれでも良いが、望ましくは、槽内液の流れが押
出し流れを形成する構造が良い。また、発酵槽を直列多
段に使用する場合は、減圧フラツシユ槽から循環される
発酵液は、２段目以後の発酵槽に返えすのが望ましい。

減圧フラッシュ槽で気化分離したアルコール分は、発酵
液の夾雑物を含まず清浄であり、アルコール濃度は、減
圧フラッシュ槽の操作圧力、発酵液の温度によりラウル
の法則に従い理論的に容易に想定されるが、液温３０〜
５０℃、圧力３０〜１５０トールでは、アルコール濃度
約１５〜２５モル分率となり、従来のアルコール生産装
置の「もろみ塔」の留分に相当するか、わずかに低い濃
度である。したがって、次の膜分離器で分離濃縮され所
定の濃度のアルコールとして回収される。

膜分離器は、アルコールを選択的に通す疎水性又は水を
選択的に通す親水性の高機能性ガス分離膜で上流側と下
流側に仕切られた構造で、下流側は減圧ポンプによシ、
上流側よシ圧力を低く維持する。気化分離したアルコー
ルは、上流側に導入され、疎水性膜の場合は、膜の上流
側で凝縮し、選択的にアルコール分が膜を通り、下流側
で濃縮蒸気として気化し、冷却器で凝縮冷却され、所定
の濃度のアルコールとして回収される。したがって、従
来の蒸溜方式に比較して、分離・濃縮設備がコンパクト
化され、消費エネルギーも大巾に減少する。また、親水
性膜を使用した場合は、上記の逆で、下流側に水が通シ
、上流側のアルコールの濃度が上昇する。

減圧フラッシュ槽で気化したアルコールを膜分離器で含
水アルコール、または無水アルコールと所定の濃度に分
離・濃縮するには、使用する膜の分離性能、上流側と下
流側の圧力差および温度差により調整が必要であ込。し
たがって、疎水性又は親水性の膜を備えた膜分離器を単
段、多段に使用する場合、又は、疎水性膜、親水性膜を
組合せ多段に構成した膜分離器を使用する場合が有る。

膜分離器で分離・濃縮されたアルコールには、多少の低
沸点、および高沸点の化合物が含まれているが、９０モ
ル分率、または共沸点以上のアルコールとして回収され
る。したがって、工業用、飲料用アルコールとするには
、さらに精溜塔によシ低沸点、高沸点化合物の除去が必
要である。しかし、共沸点以上のアルコールの精製には
、従来の共沸蒸留塔を使用する必要はない。

本発明のアルコール生産装置を、固定化酵母連続発酵槽
と減圧フラッシュ槽および疎水性機能性ガス分離膜で構
成する膜分離器をシステム的に組合せた一例を第１図に
示し、こｎに基づき説明する。

アルコール生産酵母を担体に固定化した固定化酵母１を
充填した連続発酵槽２に、原料糖質および栄養素等を調
整槽３であらかじめ調整した基質を供給する。供給され
た基質は、固定化酵母と接触し、糖質をアルコールと炭
酸ガスに変成しながら連続発酵槽２内を上昇し、炭酸ガ
スは、連続発酵槽２の上部より放出される。一方、発酵
液は、配管４、必要によシ加温器５および減圧弁６を通
り、減圧ボ／プ９で減圧された減圧フラッシュ槽７に放
出される。

放出された発酵液は、液の温度および減圧フラッシュ槽
７の圧力に相当する平衡濃度のアルコール−水の蒸気と
して気化分離され、配管８を通り、次の膜分離器１１に
送られる。減圧フラッシュ槽７でアルコール分を気化し
、アルコール濃度が低下した未発酵の糖質を含む発酵液
は、減圧フラッシュ槽７の下部よシ配管１６を通υ、再
び連続発酵槽２に循環される。こ＼で、減圧フラツクス
槽７で気化分離しｔアルコール相当分の糖質を新らたに
供給し、減少した容積に等しくなるように水を加えて調
整槽３で調整し、継続的に発酵を繰り返し行なう。なお
、減圧フラッシュ槽７の下部から連続発酵槽２に循環さ
れる発酵液は、原料廃糖蜜に含まれる塩類・夾雑物およ
び栄養素から来る塩類濃度等の調整が必要な場合には、
配管１６よシ発醇液又はその一部を濾過器２０および陽
イオンおよび陰イオン交換膜１７を備なえた電気透析脱
塩器１８に送り、塩類を除去した上で、連続発酵槽２に
循環するか、又は調整槽３の基質調整用の水として使用
する。したがって、系外に排出する廃液量は微量となる
。

減圧フラッシュ槽７で気化分離したアルコール−水の混
合蒸気に、配管８を通シ、減圧ポンプ９で吸引され、減
圧ポンプ９内で圧縮・昇温した状態で、膜分離器１１０
機能性膜の上流側に供給される。膜分離器１１は、疎水
性高機能ガス分離膜１０で上流側と下流側に仕切られて
おり、下流９Ａは、減圧ポンプ１２で減圧され、上流側
よシ圧力が低くなっている。膜分離器１１内の上流側に
供給されたアルコール−水の混合蒸気は、疎水性高機能
ガス分離膜１０の上流側表面に凝縮し、膜の細孔をアル
コールが選択的に通過し、下流側表面で濃縮アルコール
蒸気として気化され、冷却器１３で凝縮・冷却して、製
品タンク１４に回収される。一方、上流側のアルコール
を分離した蒸気−液は、冷却器１５で凝縮・冷却して調
整槽３に返えされる。

ＷＪ１図では、膜分離を単段に使用した例を示している
が、アルコール濃度を上げるためには、直列多段に使用
しても良い。

製品タンク１４のアルコールには、多少の不純物を含む
ので、精溜塔１９で精製する。このとき、低沸点化合物
は、塔頂より抜き、高沸点化合物は、通常塔下部よ）排
出するが、塔中段に集積するフーゼル油等は、集積した
段より排出する。また、精溜塔１９に供給するアルコー
ルは、膜分離器１１の下流側に気化する濃縮アルコール
蒸気を直接供給しても良い。

第２図は膜分離器に親水性高機能ガス分離膜を用いた例
を示す。減圧フラッシュ槽７から減圧ポンプ９によりア
ルコール含有蒸気を膜分離器１７に導入するまでは第１
図と同じである。

膜分離器１７では蒸気の中の水分は膜を透過し、冷却凝
縮器１５で凝縮されて調整槽に送り循環使用される。ア
ルコールは膜を浸透せず、水分を除かれた状態で冷却凝
縮器１３を経て精留塔１？に送られ、アルコール成分の
精製が行なわれる。

（実施例〕 次に、第１図の装置を用いてアルコールを生産した例を
説明する。発酵槽と減圧フラッシュ槽との間を図のよう
に基質を循環しながら、連続発酵を行なった。基質の糖
濃度を２０％、滞留時間を約６時間とした時、発酵液の
アルコール濃度は、約２．５モル分率とはｙ均一の濃度
を示した。これを約５０℃に加熱し、減圧ポンプで約７
０〜１００トールに減圧した減圧フラッシュ槽に放出し
て、約２０モル分率のアルコール蒸気を得た。これを減
圧ポンプで吸引し、吐出側圧力を約８００トール７０℃
の蒸気とし、疎水性ガス分離膜を有する膜分原器に導入
し、下流側を約５０トールに減圧することで、下流側で
９０モル分率以上のアルコールを回収することが出来た
。

なお、この時用いた膜分離器の高機能ガス分離膜は、シ
リカ・アルミナ系芯材の表面をアルミナゾルで約１０又
の細孔をもつ疎水性膜に形成した。膜の分離特性を第３
図に示す。なお、減圧フラッシュ槽の１００　ｍＨｇ　
　におけるエタノール−水の気液平衡を計算値と実測値
を比較して、第４図に示した。

比較のため、滞溜時間を約１０時間とし、基質を循環し
なかった場合の発酵液中のアルコール濃度は、約１５モ
ル分率であった。

（発明の効果） 本発明は、前記構成を採用することによシ次の効果を奏
する。

（１）　　発酵槽ともろみ中のアルコールを回収する減
圧フラッシュ槽を組合せることにより、アルコール濃度
阻害の防止を行なうことができる。

（２）減圧フラッシュ槽で気化したアルコールを、選択
的高機能ガス分離膜を内蔵する膜分離器とシステム的に
組合せ、アルコール分を分離濃縮するため、蒸溜工程が
削除され、エネルギー消費を低減することができる。

（３）　　発酵槽からのもろみを、減圧フラッシュ槽で
予備的にアルコールと夾雑物に分離し、気化した清浄な
アルコールを膜で処理することにより、膜の寿命、連続
操業性を向上させた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるアルコール生産装置の一例を示
す全体のフロー図であシ、膜分離器には疎水性高機能ガ
ス分離膜を用いた例である。 第２図は膜分離器に親水性高機能ガス分離膜を用いた例
であり、膜分離器の周辺のフローを示す図である。第３
図は実施例に用いた疎水性高機能ガス分離膜の分離特性
を示すグラフであり、第４図は１００ｗＨｇ　　におけ
る水−エタノール気液平衡曲縁を示す図である。 復代理人　　内　１）　　明 復代理人　　萩　原　亮　− 復代理人　　安　西　篤　夫 、Ｔ馬紹塔

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. アルコール生産菌を用い連続的にアルコールを生産する
   装置において、原料を供給してアルコールを発酵する発
   酵槽と、該発酵槽からのアルコール含有液を導入してア
   ルコール分を気化分離する減圧フラッシュ槽と、該減圧
   フラッシュ槽からのアルコール含有蒸気を導入し、機能
   性ガス分離膜を介して浸透分離することによりアルコー
   ルを濃縮回収する膜分離器とからなり、前記減圧フラッ
   シュ槽底部からの未蒸発液を前記発酵槽に循環する導管
   を設けることにより発酵槽内のアルコール濃度を低く調
   節可能としたことを特徴とするアルコール生産装置。