JPS6359884A

JPS6359884A - 有機廃棄物から発酵法により酵素及びメタンを製造する方法及び装置

Info

Publication number: JPS6359884A
Application number: JP61201291A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Ishida; 昌彦石田; Ryoichi Haga; 良一芳賀; Masami Tsuchiya; 土屋　雅美; Yusaku Nishimura; 勇作西村; Toshio Yahagi; 矢萩　捷夫
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-08-29
Filing date: 1986-08-29
Publication date: 1988-03-15

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、有機廃棄物からｎ酵法により訪素及びメタン
を製造する方法及び装置に係り、特に酵素を安価に製造
する方法及び装置に関する。

〔従来の技術〕

現在、ぶどう糖や異性化糖はでん粉をα−アミラーゼや
グルコアミラーゼを用いる酵素法により工業生産されて
いる。さらに繊維工業では繊維の糊抜き工程でα−アミ
ラーゼを、洗剤添加用としてα−アミラーゼやプロテア
ーゼが用いられている。これらの量産型酵素類のうち、
最も消費量の大きいのはα−アミラーゼで、国内で年間
１０，０００ｔ、消費されている。これまでの酵素の生
産菌は、酵素の供給を必要とする好気性菌を用いて生産
されてきた。そして、この方法は、ぶどう糖やペプトン
及び酵母エキス等の高価な原料を主成分とする培養基に
酵素生産菌を接種、培養し、その培養濾液もしくは菌体
破砕液から目的の酵素を分離し、精製して製造されるも
のである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の醗酵法による酵素の製法は、培地の炭素源、窒素
源としてぶどう糖、ペプトン、酵母エキス等の高価な原
料を使用するばかりでなく、培養液から酵素を分離した
残りの有機廃液や菌体破砕スラリか生物学的酸素要求ｆ
ｆｌ　（ＢＯＤ）が数万から数十万と極めて高い濃度の
ものであるため、この廃液の浄化処理のために経費が掛
り元来高い酵素のコストを更に上昇させる要因となって
いる。

そこで、本発明者らは有用な酵素を低コストで生産する
方法を開発すべく鋭意研究を行った。

これまでの酵素の生産には、前述の通り培養に際して酸
素を必要とする好気性菌が用いられてきた。先に、本発
明らは嫌気性菌の酵素に着目し探索した結果、好気性菌
の酵素と特性の異なるα−アミラーゼやグルコアミラー
ゼ等（特開昭５９−２３６７１５号）を見い出しており
、今後、嫌気性菌起源の酵素も広く利用されるものと期
待されている。

本発明らは、これら嫌気性菌の生理特性に注目し、これ
を検討した結果、その大部分はＩＪｇ類を分解し、低級
脂肪酸に転換する能力を有することを見い出した。さら
に、これらの菌は酵母エキスやペプトン等の高価な栄養
成分を原料に用いることなく、地下茎澱粉製造廃液を栄
養源として培養し・酵素を生成させうろことを見い出し
、本発明に至った。

本発明においては、酵素の生産コストを低減できるだけ
でなく、嫌気性の酵素生産菌を使用するために酵素生産
菌の培養とメタン発酵による濃厚有機廃液処理プロセス
における液化発酵を兼ねて行うことができる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、有機廃棄物を基質もしくは基質の一部として
嫌気性菌に属する酵素生産菌を嫌気的に培養し、培地中
に有機酸と酵素を蓄積させ、培養物から酵素を回収し、
次いで酵素を分離した残りの培養液にメタン生産菌を接
種、培養し培養物からメタンを回収することを特徴とす
る有機廃棄物から発酵法により酵素及びメタンを製造す
る方法、及び、地下茎澱粉原料の貯蔵槽、該原料の破砕
装置、破砕原料スラリーの固液分離装置、酵素生産菌培
養槽、培養液を分離する固液分離装置、菌体除去培養液
または菌体フラクションのいずれか一方もしくは両方か
ら酵素を分離する酵素分離回収装置、分離した酵素の乾
燥装置、酵素非含有フラクションの貯槽、酵素非含有フ
ラクションをメタン生産菌で発酵させるガス化発酵槽及
びこれら各装置を連結する移動配管から成ることを特徴
とする有機廃棄物から発酵法による酵素及びメタンの製
造装置からなる。

本発明の第１の特徴は、嫌気性の酵素生産菌を地下茎澱
粉製造廃液もしくは地下茎澱粉製造廃液を含む溶液中で
嫌気的条件下で培養し、脂肪酸を主体とする低分子化合
物と酵素を生成させることである。

第２の特徴は上記の酵素生産菌培養液から目的酵素を分
離することである。液中に分泌される酵素の場合には、
培養液を固液分離して得られる菌体除去培養液から目的
酵素をその特性に適した方法により分離回収される。

第３の特徴は、酵素生産菌培養液から酵素を回収した残
りのフラクションをそのまま絶対嫌気性のメタン酵素菌
群によりガス化発酵し、酵素を回収した残りのフラクシ
ョンに含まれる低級脂肪酸を主体とする低分子化合物を
メタンと炭酸ガスに転換することである。

本発明における有機廃棄物としては地下茎澱粉製造廃液
もしくはビートシュガー製造廃液が使用され、さらに地
下茎澱粉製造廃液としては加熱処理により蛋白質を回収
除去した残液等が使用される。酵素として特に限定はな
いが、耐熱性α−アミラーゼ、耐熱性グルコアミラーゼ
等が挙げられる。

以下、第１〜第３図を用いて、本発明の内容を詳しく説
明する。

尚、各図のフローは、本発明の一態様を示すもので、こ
れらに限定されるものではない。

第１図において、馬鈴薯や甘しょなどの地下茎澱粉原料
２は貯槽１から移送配管３を経て破砕装置７に搬送され
る。場合によっては貯水槽４から水５を供給し破砕され
る。破砕スラリは移送配管８を経て固液分離装置９に供
給されフレーク状繊維１１、粗澱粉スラリ１４と汁液１
６とに分離される。

汁液は貯槽１７から移送配管１８を経て酵素生産国培養
槽１９に投入される。培養槽１９には、必要に応じ汁液
以外の栄養成分を添加することも可能である。

培養は嫌気条件下で行い、好ましくは酸中和剤４９を添
加しｐＨを４〜６．２の弱酸性下に調整した方が良い。

酵素生産菌としては、目的酵素を生成する他に低級脂肪
酸生成能を有する嫌気性菌であれば特に限定されないが
、例えば、耐熱性α−アミラーゼを生産する中等度好熱
性嫌気性菌であるクロスツリジウムｓｐ　　Ｒ３−００
０１（ｉ工研菌寄第７９１８号）や耐熱性グルコアミラ
ーゼを生産する中等度好熱性嫌気性菌であるクロスツリ
ジウムＳｐ　　Ｇ−０００５（微工研菌寄第８７３７号
）が挙げられる。

培養条件は酵素生産菌の生理特性により適宜選択される
。温度については、高度好熱性細菌では９０〜６５℃、
中等度好熱性細菌では６５〜４０°Ｃ１常温性細菌では
４０℃以下で培養される。

嫌気度は酸化還元電位差が一１００ｍＶ以下で行われる
。これ以上の電位差では菌の増殖が著しく遅延し、酵素
生成量も少ない。ｐ）ｌも酵素生産菌の特性により適宜
、酵素生成の最適値にコントロールされるが、一般には
４〜６．２の範囲にある。また、効率よく培養するには
、機械攪拌や通気攪拌など適当な方法により攪拌するこ
とが望ましい。

栄養源としては、地下茎澱粉製造廃液もしくはビートシ
ュガー製造廃液からの汁液のみもしくは汁液から脱蛋白
した除蛋白汁液、さらにこれらに澱粉１、デキストリン
等を添加してもさしつかえない。

通常、培養期間中、水素を含有する炭酸ガスを発生する
。水素濃度は１０〜５０％の範囲にある。

培養の方式も特に限定されず、回分式でも連続式でも良
い。

次に、培養液２０は移送配管２２を経て固液分離装置２
３に導かれ菌体フラクション２６と菌体除去培養液２８
に分離される。固液分離法も特に限定されず、遠心分離
や濾過など公知の方法が適用できる。

菌体外に分泌される酵素の場合には、菌体除去培養液２
８を酵素分離回収装置３１にて目的酵素フラクション３
３が回収される。分離回収方法は特に限定されないが、
例えば、アミラーゼ等では澱粉カラムへの吸着等、十分
公知の技術も用いられる。

分離回収された酵素フラクション３３は酵素フラクショ
ン貯槽３４から移送配管３５により乾燥装置３６に導か
れて乾燥酵素３７として回収される。乾燥方法も特に限
定されるものではなく、目的酵素の耐熱の耐熱性や用途
により適宜選定される。例えば、耐熱性酵素は噴霧乾燥
〜常温性酵素は凍結乾燥により乾燥することもできる。

培養液２０から酵素フラクション３４を除いた残りの酵
素非含有フラクション３９は、酵素非含有フラクション
貯槽４０及び移送配管４１を経てガス化発酵槽４３に投
入される。ここで、ガス化発酵槽内に生棲する絶対嫌気
性菌に属するメタン生成細菌群により、低級脂肪酸を主
体とする低分子化合物がメタンと炭酸ガスに分解される
。

メタン生成細菌としては、特に限定されることなく、通
常使用されているメタン的酵細菌であればいずれでもよ
く、例えばメタノコツカス属やメタノサルシナ属など公
知の細菌が十分適用できる。

発酵温度も、使用するメタン生成細菌の生理特性に従い
適宜選択される。中等度好熱性メタン生成細菌では６０
℃前後、常温性メタン生成細菌の場合は４０℃以下で用
いられる。

ガス化発酵槽４３内では、発酵中にメタンと炭酸ガスの
混合ガスが発生する。これらのガスは、必要に応じ、系
外のエネルギ源として各種の用途に用いることが可能で
ある。メタン濃度は４０〜７０％（Ｖ／Ｖ）の範囲にあ
る。発生ガス量は有機物１　ｋｇあたり２００〜６００
　ｉ！の範囲にある。尚、メタン含有ガスは培養槽１９
から生成する水素含有炭酸ガスと混合し利用することも
可能である。

発酵方式は、連続式でも半連続式、回分式でも特に限定
されない。

発酵の終了したガス化発酵液４４は、適時、配管４５に
より糸外に抜き出し、通常の有機廃棄物の嫌気消化スラ
リの処理と同様に後処理される。

〔実施例〕

以下、実施例、を示して、本発明をさらに詳しく説明す
る。

実施例１馬鈴薯（固形分２６％、有機物２４．５％）２０ｋｇを
電動ミキサーを用いて粒径１關以下に粉砕し、粉砕スラ
リ２０ｋｇを得た。上記粉砕スラリを遠心脱水機で濾過
し、澱粉含有汁液１１　、２　ｋｇと残渣９．２　ｋｇ
を得た。上記澱粉含有汁液を遠心分離機にかけ澱粉を除
去して、汁液１１．０ｋｇを得た（ｐＨ６，０、固形分
４．１％有機物３．２％）。

上記の手順により調整した汁液１１をオートクレーブ中
で１２０℃、２０分間加熱して殺菌した。これを内容積
１．５１の培養槽に入れ、あらかじめ同上の液で嫌気的
に前培養した耐熱性α−アミラーゼ生産能を有する偏性
嫌気性菌のクロスツリジウムｓｐ　　Ｒ３−０００１（
？ｉｋ工研菌寄第７９１８号）の菌体縣濁液０．２ｋｇ
（菌体濃度０．３％讐ハ）を添加した。次いで、気相部
を窒素ガスで置換後、嫌気条件下で培養した。培養槽内
のｐＨを６．０に、温度を６０℃に自動調整しながら４
８時間培養した。この培養液を６．　ＯＯＯｒｐｍで１
０分間遠心分離して菌体を除去し、α−アミラーゼ活性
３．０単位／−の菌体除去培養液を１．２１得た。尚、
ｐＨ調製用のアルカリ液としてはＩＮの苛性ソーダ溶液
を用いた。本菌体除去培養液中には、無機塩１．２％、
α−アミラーゼ以外の有機物１．８％が含まれており、
特に、有機物中には、酢酸、プロピオン酸を主成分とす
る揮発性脂肪酸が約０．２％含まれている。

次に、木菌体除去培養液０．５７！（α−アミラーゼ１
　、５００華位含有、ｐＨ６，０）を５℃に冷却し、よ
く水洗した局方とうもろこし澱粉２０ｇを充填した直径
１．５印のフィルタ付カラムに流速Ｑ、５　ｒｎｌ／ｍ
ｉｎで通し、α−アミラーゼを吸着させた。カラムを通
過した非酵素含有培養液０．５７！（有機物濃度１．８
％）を収集後、本カラムを３０ｍ１の５°Ｃ蒸留水で洗
滌した。上記液中のα−アミラーゼ活性は５８単位であ
ることから１４４２単位が吸着したことを確認した。

次いで上記カラムに２Ｍの食塩水（ｐＨ８，５）　ｔ（
）、５１通してα−アミラーゼを？容出し、α−アミラ
ーゼフラクション＞ｉｏ、ｓ　７！を得た。次にポアサ
イズ分子量２Ｘ１０’のモレキュラシーブ膜で０．１６
まで濾過濃縮し、水洗を２回繰返して、最終的に０．１
１の脱塩処理α−アミラーゼフラクション液を得た。上
記液中のα−アミラーゼ活性を測定し、使用酵素活性量
の９２％を回収したことを確認した。

本漬は培養液由来の酸臭もない無色透明の溶液である。

本漬を凍結乾燥し、乾燥粉末６．２■を得た。

木標品は純白、無臭であり、回収活性は９８０　ｊＩＬ
位であった。従って、粉末の比活性は１５８単位７■と
なり、培養液基準で５．３　ＸＩＯ’倍に精製された。

次に、非酵素含有培養液０．５　βをガス化発酵に供し
た。まず、あらかじめ内容積２５βの発酵槽中に、前記
と同様の手順で調整した菌体除去培養液を栄養源として
、ガス化発酵用のメタン生成細菌の培養液（種母）を用
意した。この際発酵条件はｐＨ７〜８．６０°ＣＣ１２
０Ｏｒｐとした。上記のメタン生成細菌の培養液２０２
に対し、非酵素含を培養液０．５１を加え６０℃、２０
Ｏｒｐｍでｐｉ（を調製せずに回分式で発酵した。その
結果、ガス化発酵は３日間で終了し、この間、メタン含
有ガスが５．４℃発生した。

ガス組成はメタン６８％、炭酸ガス３２％であり、メタ
ン含有ガスの低位発熱量は５　、８００ｋｃａ　ｌ／　
ｒｒ？である。

実施例２本発明は澱粉製造廃液のみならずビート廃液等の農産加
工高濃度有機廃液を用いても実施できる。

以下、ビート廃液を用いた実施例を示す。

てんさい糖製造の際、砂糖を分離した残渣のビート廃液
を稀釈した稀釈ビート廃液１／（有機物濃度０．９３％
、固形分１．２％、ｐｌ＋５．０）を用意した。

無殺菌のま＼本渡を１．５２の発酵槽に入れ、実施例１
と同じ手順で調整したα−アミラーゼ産生能を有する偏
性嫌気性菌の属菌（微工研菌寄第７９１８号）の菌体懸
濁液０．２ｋｇ（菌体濃度０．３％Ｗ／Ｗ）を添加した
。次いで、気相部を窒素ガスで置換後、嫌気条件下で培
養した。培養槽内のｐＨを５．９に、温度６０℃に自動
調整しながら５２時間培養した。この培養液を６．　Ｏ
ＯＯｒｐｍで１０分間遠心分離して菌体を除去し、α−
アミラーゼ活性２．１単位／ｍＺの菌体除去培養液を１
．２２／得た。本菌体除去培養液中には、α−アミラー
ゼ以外の有機物が０．８％含まれており、特に、有機物
中には、酢酸、プロピオン酸を成分とする揮発性脂肪酸
が約０．２％含まれきいる。

次に、本菌体除去培養液０．５１（α−アミラーゼ１０
５０単位含有、ｐＨ６，０）を５℃に冷却し、よく水洗
した局方とうもろこし澱粉２０ｇを充填した直径１．５
ωのフィルタ付カラムに流速０．５　ｍ／／ｍｉｎで通
し、α−アミラーゼを吸着させた。

カラムを通過した非酵素含有培養液０．５β（有機物濃
度０．８％−八）を収集後、零カラムを３０ｍ／の５℃
蒸留水で洗滌した。上記液中のα−アミラーゼ活性は２
９単位であることから、１０２１単位が吸着したことを
確認した。

次いで、上記カラムに２Ｍの食塩水（ｐＨ８，７）を０
．５１通じ、α−アミラーゼを溶出して、α−アミラー
ゼフラクション液０．５１を得た。次に、ポアサイズ分
子ｆｆ１２Ｘ１０’のモレキュラシーブ膜で０．１１ま
で濾過濃縮し、水洗を２回繰り返して、最終的に０．１
１の脱塩処理α−アミラーゼフラクション液を得た。上
記液中のα−アミラーゼ活性を測定し、使用酵素活性量
の９０％を回収したことを確認した。本成は培養液由来
の酸臭もない無色透明の溶液である。本成を凍結乾燥し
、乾燥粉末５．２　ｍｇを得た。木標品は、純白、無臭
であり、回収活性は７３０単位であった。従って、粉末
の比活性は１４１単位／ｍｇとなり、培養液基準で６．
７　ＸＩＯ’倍に精製された。

次に、非酵素含有培養液０．５　Ａをガス化発酵に供し
た。まず、あらかじめ内容積２５ρの発酵槽中に、前記
と同様の手順で調整した菌体除去培養液（種母）を用意
した。この際発酵条件は、ｐＨ７〜８．６０’Ｃ１Ｃ１
２００ｒとした。上記のメタン生成細菌の培養液２０１
に対し、非酵素含有培養液０．５　βを加え、６０℃、
２００ｒｍｐで、ｐＨをコントロールせずに回分式で発
酵した。その結果、ガス化発酵は３．５日間で終了し、
この間、メタン含有ガスが３．９１発生した。ガス組成
はメタン６９％、炭酸ガス３１％であり、メタン含有ガ
スの低位発熱量は５．９００ｋｃａｌ／ｍである。

〔発明の効果〕

本発明によれば高価な原料を使用することなく農産加工
廃液、すなわち、地下茎澱粉製造廃液等の有機廃棄物を
原料として嫌気性菌によりα−アミラーゼ等の酵素を生
産するとともにメタン発酵も併せて行うことができるも
のであって酵素生産コストが低減できるばかりでなく、
酵素生産菌の培養とメタン発酵法による有機廃液処理と
を兼ねて行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明なるプロセスフローの一例を示す。符号の説明１・・・地下茎貯槽、２・・・地下茎、３・・・地下茎
移送管。４・・・水貯槽、５・・・水、６・・・水移送配管、７
・・・地下茎磨砕装置、８・・・地下茎磨砕スラリ移送
配管、９・・・固液分離装置、１０・・・繊維移送配管
、１１・・・繊維。１２・・・澱粉スラリ移送配管、１３・・・澱粉スラリ
貯槽。１４・・・澱粉スラリ、１５・・・汁液移送配管、１６
・・・′／＋液。１７・・・汁液貯槽、１８・・・汁液移送配管、１９・
・・液化発酵。２０・・・培養液、　２１・・・発酵ガス移送配管、２
２・・・培養液移送配管、２３・・・固液分離装置、２
４・・・菌体フラクション移送配管、２５・・・菌体フ
ラクション貯槽、２６°°゛菌体フラクション、２７・
・・菌体除去培養液移送配管。２８・・・菌体除去培養液、２９・・・菌体除去培養液
貯槽。３０・・・菌体除去培養液移送配管、３１・・・酵素分
離回収装置、３２・・・酵素フラクション移送配管、３
３・・・酵素フラクション、３４・・・酵素フラクショ
ン貯槽、３５・・・酵素フラクション移送配管、３６・
・・酵素フラクション乾燥装置、３７・・・乾燥酵素、
３８・・・酵素非含有フラクション移送配管、３９・・
・酵素非含有フラクション。

Claims

【特許請求の範囲】１、有機廃棄物を基質もしくは基質の一部として嫌気性
菌に属する酵素生産菌を嫌気的に培養し、培地中に有機
酸と酵素を蓄積させ、培養物から酵素を回収し、次いで
酵素を分離した残りの培養液にメタン生産菌を接種、培
養し培養物からメタンを回収することを特徴とする有機
廃棄物から発酵法により酵素及びメタンを製造する方法
。２、有機廃棄物が地下茎澱粉製造廃液もしくはビートシ
ュガー製造廃液であることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の方法。３、地下茎澱粉廃液が地下茎澱粉製造廃液から加熱処理
により蛋白質を回収除去した残液であることを特徴とす
る特許請求の範囲第２項記載の方法。４、嫌気性菌がクロスツリジウム属に属する微生物であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。５、酵素が耐熱性α−アミラーゼ又は耐熱性グルコアミ
ラーゼであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の方法。６、地下茎澱粉原料の貯蔵槽、該原料の破砕装置、破砕
原料スラリーの固液分離装置、酵素生産菌培養槽、培養
液を分離する固液分離装置、菌体除去培養液または菌体
フラクションのいずれか一方もしくは両方から酵素を分
離する酵素分離回収装置、分離した酵素の乾燥装置、酵
素非含有フラクションの貯槽、酵素非含有フラクション
をメタン生産菌で発酵させるガス化発酵槽及びこれら各
装置を連結する移動配管から成ることを特徴とする有機
廃棄物から発酵法による酵素及びメタンの製造装置