WO2014010567A1 - キャッサバ粕の処理方法 - Google Patents

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cassava
alcohol
reaction
lees
glucoamylase
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Inventor
雅志 町田
智 牛若
バイタノムサット ピラニー
アピワタナピワット ワラポーン
善則 村田
昭彦 小杉
Original Assignee
出光興産株式会社
カセサート大学
独立行政法人国際農林水産業研究センター
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/02—Monosaccharides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/14—Preparation of compounds containing saccharide radicals produced by the action of a carbohydrase (EC 3.2.x), e.g. by alpha-amylase, e.g. by cellulase, hemicellulase
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
    • C12P7/08—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate

Definitions

  • the present invention relates to a cassava lees treatment method for producing ethanol from cassava lees using enzymes and yeast.
  • Patent Document 1 and Non-Patent Documents methods for producing ethanol and other chemical products using starch contained in wheat, corn, cassava straw, etc. as a raw material are known (for example, Patent Document 1 and Non-Patent Documents). Reference 1).
  • cassava mash which is the casserole mash used for starch production, is partly used as feed, but most of it is dumped and discarded.
  • Methane gas which is a greenhouse gas, is discharged from the cassava bowl (see Non-Patent Document 2), and environmental degradation is regarded as a problem.
  • wheat, corn, cassava strawberries, and sweet potatoes also have a problem with food competition. For this reason, for example, a method for producing ethanol from waste such as garbage and waste materials, cassava pulp (cassava lees), or biomass has also been studied (see, for example, Patent Document 2 and Non-Patent Document 3).
  • the method for producing ethanol from the starch as described above it is first hydrolyzed with ⁇ -amylase at about 90 ° C. and then liquefied, then cooled to about 60 ° C., then saccharified with glucoamylase, and further from 30 ° C. After cooling to about 35 ° C., it is necessary to ferment with yeast to produce ethanol while continuing cooling so that this temperature range is maintained.
  • the use of heat-resistant yeast is also being considered to reduce cooling energy, but heating and cooling will be carried out until ethanol is produced from starch, requiring large operating energy. Become.
  • a large amount of energy is required to use waste as a renewable energy, and even if the raw material can be easily obtained at a low cost, the operation cost is large and the operation cost is low. Reduction is desired.
  • An object of the present invention is to provide a method for treating cassava lees that can easily and efficiently produce ethanol from cassava lees.
  • the method for treating cassava lees according to the present invention is a method for treating cassava lees producing ethanol from cassava lees, wherein ⁇ -amylase, glucoamylase and alcohol-fermenting yeast are added to cassava lees having a water content of 30% by mass or more.
  • a mixing step, and a reaction step in which the cassava meal to which the ⁇ -amylase, the glucoamylase and the alcohol-fermenting yeast are added in the mixing step is retained in a reaction tank and subjected to alcohol fermentation. To do.
  • the blending step is configured such that a mixture obtained by mixing ⁇ -amylase, glucoamylase, and alcohol-fermenting yeast into the cassava cake is put into the reaction tank and retained to cause alcohol fermentation.
  • the blending step is preferably configured such that the cassava cake, the ⁇ -amylase, the glucoamylase, and the alcohol-fermenting yeast are line-mixed to obtain the mixture.
  • the blending step is performed so that the cassava lees charged into the reaction tank and the ⁇ -amylase, the glucoamylase, and the alcohol-fermenting yeast are multi-layered in the reaction tank.
  • the ⁇ -amylase, the glucoamylase and the alcohol-fermenting yeast are preferably added to the cassava meal.
  • the blending step further includes adding at least one of cellulase, pectinase and protease to the cassava cake.
  • the reaction step uses a reaction tank having a charging port at the top and a discharging port for discharging the reaction product after alcohol fermentation at the bottom.
  • the ⁇ -amylase is added at 9 ⁇ 10 ⁇ 5 U or more and 600 U or less per 1 g of the cassava cake, and the glucoamylase is added at 3 ⁇ 10 ⁇ 4 U or more per 1 g of the cassava cake. It is preferable that the composition be added at 200 U or less.
  • the alcohol-fermenting yeast is preferably Saccharomyces cerevisiae or Kluyveromyce marxianus.
  • the cassava lees having a water content of 30% by mass or more in which ⁇ -amylase, glucoamylase and alcohol-fermenting yeast are blended are retained in the reaction tank for alcohol fermentation, so that the conventional liquefaction treatment was performed. Later, it is not necessary to carry out saccharification / fermentation treatment in a separate container, and ethanol can be produced from cassava cake in a single reaction tank without the need for agitation and temperature adjustment. Efficient and effective use of firewood.
  • the flow for increasing the amount of ethanol production which shows processing operation of cassava lees of other embodiments of the present invention.
  • the processing method of cassava lees according to the present embodiment includes a compounding step S1 in which an enzyme and yeast are added to the cassava lees to obtain a mixture, and a reaction tank (not shown) showing the mixture obtained in the compounding step S1. And a reaction step S2 in which alcohol fermentation is performed.
  • ⁇ -amylase, glucoamylase and alcohol-fermenting yeast are added to a cassava cake having a water content of 30% by mass or more to obtain a mixture.
  • the cassava straw used as a raw material is waste discharged when the cassava starch is produced from the cassava straw, and is not limited to any production method of cassava starch.
  • As the cassava cake used as a raw material a water content of 30% by mass or more, preferably 70% by mass or more and 90% by mass or less is used. This is because if the water content is less than 30% by mass, it takes a very long time to decompose all the undegraded cassava cake after adding the enzymes and yeast described later.
  • the raw cassava cake having a water content of 30% by mass that is, the cassava cake discarded after the starch is extracted from the cassava cake is not limited.
  • water is added to a dried cassava cake so that the water content is 30% by mass or more, preferably 70% by mass or more and 90% by mass or less, or a raw cassava cake and a dried cassava cake are mixed. What added water as needed may be used.
  • ⁇ -Amylase is added in an amount of 9 ⁇ 10 ⁇ 5 U to 600 U, preferably 8 ⁇ 10 ⁇ 3 U to 0.6 U, per 1 g of cassava cake.
  • Glucoamylase is added at 3 ⁇ 10 ⁇ 4 U or more and 200 U or less, preferably 3 ⁇ 10 ⁇ 2 U or more and 0.2 U or less per 1 g of cassava koji.
  • cellulase is preferably added at 1 ⁇ 10 ⁇ 4 U to 100 U, particularly 1 ⁇ 10 ⁇ 2 U to 0.1 U per gram of cassava.
  • Pectinase is preferably added at 1 ⁇ 10 ⁇ 3 U to 1000 U, particularly 1 ⁇ 10 ⁇ 1 U to 1 U, per 1 g of cassava koji. It is preferable to add the protease at 1 ⁇ 10 ⁇ 4 U to 100 U, particularly 1 ⁇ 10 ⁇ 2 U to 0.1 U, per 1 g of cassava koji.
  • yeast what is generally called yeast can be used.
  • Saccharomyces cerevisiae or Kluyveromyce marxianus which is a heat-resistant yeast is preferably used.
  • Kluyveromyce marxianus which is a heat-resistant yeast
  • the alcohol-fermenting yeast is preferably added at an initial yeast concentration of 0.05 to 10 in terms of optical density.
  • the treatment time for producing ethanol from the sugar produced by the enzyme by the alcohol-fermenting yeast does not require a long time even if it is not stirred, and the required amount of the alcohol-fermenting yeast An increase in cost can also be prevented.
  • the alcohol-fermenting yeast to be added returns and uses a part of the alcohol-fermenting yeast grown in the subsequent reaction step, it is not necessary to newly add alcohol-fermenting yeast, and ethanol can be produced at a lower cost. be able to.
  • reaction step S2 the mixture obtained in the blending step S1 is put into one reaction tank, and liquefaction, saccharification, and alcohol fermentation are performed.
  • the liquid phase increases as liquefaction, saccharification, and alcohol fermentation progress.
  • the mixture is introduced from above, and the reaction product is discharged from the bottom to the outside of the tank. It is preferable that a discharge port is provided at the top and a discharge port at the bottom so that the discharge can be performed.
  • heat is recovered from the mixture during the reaction, for example, the mixture is cooled by heat exchange with the medium, and the recovered heat is provided with a heat exchange device that uses the water as heat for heating or heating, thereby making energy more effective. Can be recovered.
  • the reaction in the reaction vessel may be either a batch type or a continuous type.
  • the reaction time from the introduction of the mixture into the reaction tank to the discharge from the tank is preferably 24 hours or longer and 120 hours or shorter. That is, the mixture is charged at a temperature of 25 ° C. or more and 35 ° C. or less where the temperature rises somewhat due to room temperature or friction during transportation. This is because in the case of a mixture at such a temperature, alcohol fermentation is sufficiently advanced in 24 hours or more and 120 hours or less. That is, when it is shorter than 24 hours, starch decomposition and alcohol fermentation are not sufficiently completed, and sugar remains. In addition, when the reaction is not sufficiently completed even after 120 hours, it is in a state where a long time is required for the ethanol generation treatment, and ethanol cannot be efficiently generated.
  • the reaction product thus obtained in the reaction step is transferred to a subsequent ethanol separation step after solid-liquid separation, and ethanol is recovered with higher purity.
  • solid-liquid separation method various conventionally known methods such as filter press and centrifugation can be applied.
  • a method for recovering ethanol in the ethanol separation step various conventionally known methods such as distillation can be applied. Note that ethanol may be directly recovered by heating the reaction product without performing solid-liquid separation.
  • the starch in the cassava cake is cleaved by the enzyme by allowing the mixture containing ⁇ -amylase, glucoamylase, and alcohol-fermenting yeast to be added to the cassava cake having a water content of 30% by mass or more and retaining the mixture. Since it is gradually decomposed and the water content is high with respect to the starch content, the temperature during fermentation can be suppressed, and inactivation of the yeast due to temperature rise can be prevented.
  • the water content is high, the viscosity of the mixture does not increase so much even if heated, and even if the liquefaction and the alcoholic fermentation are not performed in a multistage process with stirring after the conventional liquefaction treatment, Just by putting it in the reaction vessel and leaving it to stand, the same degree of ethanol can be produced in the same treatment time. Therefore, since it is not necessary to carry out stirring even with a high-viscosity cassava bowl, an apparatus for stirring the high-viscosity material and a large energy for stirring are not required, and the cassava bowl can be easily and low-energy with a simple configuration. The ethanol can be produced from the cassava, and the cassava can be efficiently and easily used as a renewable energy.
  • the reaction vessel is configured such that the mixture is introduced from the top and the reaction product is discharged from the bottom, so that it is sequentially decomposed to produce ethanol, or water flows out from inside the cell.
  • the phase fraction flows down to the bottom of the reaction vessel and is discharged. For this reason, the reaction product can be easily recovered even by simply allowing the mixture inserted without stirring the mixture in the reaction vessel, and the liquid phase is increased in the vicinity of the bottom so that the reaction can be performed in the liquid phase.
  • ethanol can be generated sufficiently without the reaction time becoming too long. it can. Then, it is allowed to stay in the reaction tank for 4 hours or longer, preferably 24 hours or longer and 120 hours or shorter to generate ethanol, so that it can be sufficiently decomposed without adjusting the temperature and stirring of heating and cooling. It can produce ethanol efficiently.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, but includes modifications and improvements as long as the object of the present invention can be achieved.
  • the cassava cake was mixed with enzyme and alcohol-fermenting yeast in the blending process.
  • the cassava cake was mixed by dropping impact when the cassava cake was put into the reaction vessel, or the cassava cake, enzyme and alcohol were added to the reaction vessel. Fermentation yeast may be added little by little so as to form a thin layer.
  • alcohol can be generated without special stirring and mixing.
  • alcohol can be generated in the same processing time as in the case of mixing in advance.
  • the mixture when the mixture is charged into the reaction vessel, the mixture is simply charged.
  • the cassava cake may be heated before the enzyme or alcohol-fermenting yeast is added.
  • the reaction step S2 is performed by charging the reaction vessel.
  • the processing efficiency can be improved by heating to a temperature at which starch is gelatinized.
  • processing efficiency can be improved by heating the cassava cake before adding yeast and alcohol fermentation yeast compared with the case where it heats after mixing previously.
  • water vapor is used as a method for heating the cassava cake.
  • heating may be performed by applying various conventional heating methods. .
  • water can be supplied by heating with steam instead of adding water, and thus heating with steam is particularly effective.
  • nutrient sources such as phosphorus and nitrogen.
  • Phosphorus is preferably added in an amount of 3 ⁇ 10 ⁇ 4 to 0.03% by mass in terms of phosphorus.
  • nitrogen source it is preferable to add 1 ⁇ 10 ⁇ 3 mass% or more and 0.1 mass% or less in terms of nitrogen.
  • Experiment 1 relating to the effect of the mixing conditions of cassava meal, enzyme, and alcohol-fermenting yeast on ethanol production will be described.
  • the raw material used was 2000 g of cassava koji with a water content of 85%, cellulase, pectinase, ⁇ -amylase and glucoamylase were used as enzymes, and Saccharomyces cerevisiae was used as yeast.
  • Ethanol production conditions were carried out under the following four conditions.
  • Comparative Example 1 As shown in FIG. 3, in Comparative Example 1, ⁇ -amylase was mixed in a 10 L jar fermenter in a cassava bowl to which 2000 ml of water had been added in advance (step S21), and then stirred at 90 ° C. for 1 hour. Liquefaction treatment was performed (step S22). Thereafter, glucoamylase and cellulase were added to the product obtained by the liquefaction treatment (step S23), and saccharification treatment was performed at 50 ° C. for 24 hours with stirring (step S24).
  • Comparative Example 2 In Comparative Example 2, ⁇ -amylase, glucoamylase, cellulase, yeast, and yeast extract (nitrogen source and phosphorus source) were sprinkled in a 10L jar fermenter in a cassava bowl to which 2000 ml of water had been added in advance. And allowed to react for 48 hours.
  • Example 1 uses a biaxial kneader in which ⁇ -amylase, glucoamylase, cellulase, yeast, and yeast extract (nitrogen source and phosphorus source) are added to a cassava cake to which 2000 ml of water has been added in advance. The mixture mixed at 55 rpm for 10 minutes was allowed to react for 48 hours in a 10 L jar fermenter. (Example 2) Example 2 was allowed to react with stirring for 48 hours instead of standing for 48 hours in Example 1.
  • Example 1 which mixes an enzyme and yeast beforehand, it was recognized that ethanol equivalent to the comparative example 1 which implements a saccharification process and a fermentation process in multiple steps, stirring conventionally is produced
  • Example 2 which implements stirring at the time of reaction, ethanol equivalent to Example 1 was produced, and the effect of stirring was not recognized.
  • Example 3 shows that in 50 g of cassava koji with a water content of 85%, ⁇ -amylase, glucoamylase, cellulase, yeast (Kluyveromyce marxianus), yeast extract (nitrogen source and phosphorus source), Was mixed for 10 minutes at 55 rpm using a twin-screw kneader, and the resulting mixture was allowed to react for 72 hours using a 300 ml beaker.
  • Example 4 In Example 4, 50 g of cassava cake having a water content of 85% was heated at 80 ° C.
  • Example 4 in which starch was gelatinized by heating in advance, about twice as much ethanol was produced as in Example 3 in which the starch was not heated. From this, it is understood that the processing efficiency can be improved by preliminarily heating and gelatinizing.
  • Example 3 Experiment 3 related to the effect of the heating temperature on ethanol production in Experiment 2 will be described.
  • Example 5 Example 5 was performed in the same manner as Example 4 except that the heating temperature in Example 4 of Experiment 2 was 30 ° C.
  • Examples 6 to 10 Example 6 to 10 were carried out in the same manner as in Example 4 except that the heating temperatures in Example 4 of Experiment 2 were 60 ° C., 70 ° C., 80 ° C., 100 ° C., and 120 ° C., respectively.
  • the solid content was removed by centrifugation and filtration, and then the amount of ethanol was measured using gas chromatography.
  • Example 6 The result is shown in FIG. From the results shown in FIG. 6, from 60 ° C. (Example 6) at which starch gelatinization begins, when ethanol is heated at 30 ° C. (Example 5), the amount of ethanol produced is more than doubled to 100 ° C. In (Example 9), the generation amount is nearly three times. In addition, in the case of heating to 120 ° C. (Example 10), since the temperature is too high and the activities of the enzyme and yeast are starting to decrease, it is considered that the amount of ethanol produced has decreased. It can be seen that it is preferable that the temperature be 60 ° C. or higher and 120 ° C. or lower.

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Abstract

　含水率３０質量％以上のキャッサバ粕に、α－アミラーゼ、グルコアミラーゼおよびアルコール発酵酵母を添加して管内混合し（配合工程Ｓ１）、混合された混合物を反応槽の上部の投入口から投入し、４時間以上滞留させてアルコール発酵させる（配合工程Ｓ２）。反応生成物は反応槽の底部の排出口から排出させ、固液分離した後、後工程でエタノールを精製する。従来のような液化処理を実施した後に別の反応容器にて糖化・発酵処理を実施する必要がなく、一つの反応槽で、攪拌や温度調整などを実施しなくてもキャッサバ粕からエタノールを生成でき、キャッサバ粕を効率よく省エネルギーで有効利用できる。

Description

キャッサバ粕の処理方法
　本発明は、キャッサバ粕から酵素および酵母を用いてエタノールを生成させるキャッサバ粕の処理方法に関する。
　近年、環境保護等の観点から、小麦、トウモロコシ、キャッサバ芋等に含まれている澱粉を原料としてエタノールやその他の化成品等を製造する方法が知られている（例えば、特許文献１および非特許文献１参照）。
　ところで、スターチの製造に利用されたキャッサバ芋の粕であるキャッサバ粕は、飼料として一部利用されるものの、大半が野積み廃棄され、広大な敷地が必要となる問題があるとともに、野積みされたキャッサバ粕から温室効果ガスであるメタンガスが排出され（非特許文献２参照）、環境の悪化が問題視されている。また、小麦、トウモロコシ、キャッサバ芋、甘藷などは食料との競合も問題となる。このことから、例えば生ゴミや廃材、キャッサバパルプ（キャッサバ粕）などの廃棄物、あるいはバイオマスからエタノールを製造する方法も検討されている（例えば、特許文献２および非特許文献３参照）。
特開昭６１－１６６３９７号公報 特開２００９－１１２２００号公報
社団法人日本エネルギー学会「バイオマスハンドブック」平成１４年９月２０日発行　第１５７頁－第１６１頁 平成２０年度環境省委託事業　平成２０年度ＣＤＭ／ＪＩ事業調査　タイ・キャッサバ粕利用エタノール製造プログラムＣＤＭ事業調査　報告書　株式会社前川製作所　平成２１年２月　第２－１０頁，第２－１１頁，第２－２９頁，第２－３０頁 独立行政法人　新エネルギー・産業総合開発機構　平成２２年度成果報告　「国際エネルギー消費効率化等技術普及協力事業技術実証事業ＦＳ　キャッサバパルプからのバイオエタノール製造技術実証事業（タイ）」　平成２３年２月　第８頁，第９頁，第８４頁
　しかしながら、生ゴミやキャッサバパルプ（キャッサバ粕）などの廃棄物やバイオマスからエタノールを製造する従来の方法では、廃棄物中の澱粉を効率よく糖化するために攪拌する際、廃棄物をそのまま攪拌したのでは、高粘度であることから、攪拌のための消費エネルギーが大きくなり、エタノールを製造するためのコストが増大してしまう不都合がある。特に、キャッサバ粕は高粘度であり、攪拌が困難である。一方、水を加えて攪拌しやすくすることも考えられるが、廃棄物中の澱粉含有量が少ないことから生成されるエタノールの含有量も少なくなり、最終的にエタノールを回収する際に蒸留するなどのエネルギーが必要となる不都合がある。
　また、上述したような澱粉からエタノールを製造する方法では、まず９０℃程度でα－アミラーゼで加水分解して液化した後、６０℃程度まで冷却してからグルコアミラーゼで糖化し、さらに３０℃～３５℃程度まで冷却した後、この温度範囲が保たれるように冷却を継続しつつ酵母によりアルコール発酵させてエタノールを生成させる必要がある。アルコール発酵の際に、耐熱性酵母を用いることで冷却エネルギーを削減することも検討されているが、澱粉からエタノールを製造するまで、加熱と冷却とを実施することとなり、大きな運転エネルギーが必要となる。これらのように、従来の方法では、廃棄物などを再生可能エネルギーとして利用するために大きなエネルギーが必要で、原料の入手は低コストで容易に入手できても、運転コストが大きく、運転コストの低減が望まれている。
　本発明は、キャッサバ粕から容易に効率よくエタノールを生成できるキャッサバ粕の処理方法を提供することを目的とする。
　本発明のキャッサバ粕の処理方法は、キャッサバ粕からエタノールを生成させるキャッサバ粕の処理方法であって、含水率３０質量％以上のキャッサバ粕に、α－アミラーゼ、グルコアミラーゼおよびアルコール発酵酵母を添加する配合工程と、前記配合工程で前記α－アミラーゼ、前記グルコアミラーゼおよび前記アルコール発酵酵母が添加されたキャッサバ粕を、反応槽内で滞留させてアルコール発酵させる反応工程と、を実施することを特徴とする。
　そして、本発明では、前記配合工程は、前記キャッサバ粕にα－アミラーゼ、グルコアミラーゼおよびアルコール発酵酵母を混合して得られた混合物を前記反応槽へ投入して滞留させアルコール発酵させる構成とすることが好ましい。
　さらに、本発明では、前記配合工程は、前記キャッサバ粕と、前記α－アミラーゼ、前記グルコアミラーゼおよび前記アルコール発酵酵母とをライン混合して前記混合物を得る構成とすることが好ましい。
　また、本発明では、前記配合工程は、前記反応槽内に投入されたキャッサバ粕と、前記α－アミラーゼ、前記グルコアミラーゼおよび前記アルコール発酵酵母とが、前記反応槽内で多層状となるように、前記キャッサバ粕に、前記α－アミラーゼ、前記グルコアミラーゼおよび前記アルコール発酵酵母を添加する構成とすることが好ましい。
　そして、本発明では、前記配合工程は、前記キャッサバ粕に、セルラーゼ、ペクチナーゼおよびプロテアーゼのうちの少なくともいずれか１つをさらに添加する構成とすることが好ましい。
　さらに、本発明では、前記反応工程は、前記反応槽として、上部に投入口、底部にアルコール発酵後の反応生成物を排出する排出口を有したものを用いる構成とすることが好ましい。
　また、本発明では、前記反応工程は、前記反応槽内で４時間以上滞留させる構成とすることが好ましい。
　そして、本発明では、前記配合工程は、前記α－アミラーゼを前記キャッサバ粕１ｇ当たり９×１０－５Ｕ以上６００Ｕ以下で添加し、前記グルコアミラーゼを前記キャッサバ粕１ｇ当たり３×１０－４Ｕ以上２００Ｕ以下で添加する構成とすることが好ましい。
　また、本発明では、前記アルコール発酵酵母は、サッカロミセス属セレビシエ（Saccharomyces cerevisiae）またはクリベロミセス属マーキシアナス（Kluyveromyce marxianus）である構成とすることが好ましい。
　本発明によれば、α－アミラーゼ、グルコアミラーゼおよびアルコール発酵酵母が配合された含水率３０質量％以上のキャッサバ粕を反応槽で滞留させてアルコール発酵させるので、従来のような液化処理を実施した後に、別の容器で糖化・発酵処理を実施する必要がなく、一つの反応槽で、攪拌や温度調整などを実施しなくても長時間を要せずにキャッサバ粕からエタノールを生成でき、キャッサバ粕を効率よく、有効利用できる。
本発明の一実施形態のキャッサバ粕の処理動作を示す基本となるフロー。 本発明の他の実施形態のキャッサバ粕の処理動作を示すエタノール生成量を増加させるためのフロー。 本発明を説明するための従来のキャッサバ粕の処理動作（比較例１）を示すフロー。 攪拌混合とエタノール生成との関係に関する実験結果を示すグラフ。 加熱の有無とエタノール生成との関係に関する実験結果を示すグラフ。 加熱温度とエタノール生成との関係に関する実験結果を示すグラフ。
　以下、本発明の一実施形態に係るキャッサバ粕の処理方法を、図１を参照して説明する。
　図１に示すように、本実施形態のキャッサバ粕の処理方法は、キャッサバ粕に酵素および酵母を添加して混合物を得る配合工程Ｓ１と、この配合工程Ｓ１で得られた混合物を図示しない反応槽に投入してアルコール発酵させる反応工程Ｓ２と、を実施する。
［配合工程］
　配合工程Ｓ１では、含水率３０質量％以上のキャッサバ粕に、α－アミラーゼ、グルコアミラーゼおよびアルコール発酵酵母を添加して混合物を得る。
　原料として利用されるキャッサバ粕は、キャッサバ芋からキャッサバスターチを製造する際に排出される廃棄物であり、キャッサバスターチのいずれの製造方法に限られるものでない。
　原料に利用するキャッサバ粕として、含水率が３０質量％以上、好ましくは７０質量％以上９０質量％以下のものを用いる。含水率が３０質量％より少なくなると、後述する酵素および酵母を添加した後、未分解のキャッサバ粕が残らず分解されるまでに極めて長い時間を要してしまうためである。さらには、含水率が３０質量％より少なくなると、エタノール生成時の発熱により、粕の昇温速度が速くなり、酵母の活性が低下してしまうためである。また、含水率が低くなることにより、キャッサバスターチ以外の物質も濃縮されるので、濃縮された物質の影響を受け、エタノール生成が阻害される可能性がある。一方、９０質量％より多くなると、後述する反応工程後に得られる反応生成物中のエタノールの濃度が低くなり、後工程でのエタノールの精製に必要なエネルギー量が増大するおそれがあるためである。
　ここで、含水率が３０質量％の生のキャッサバ粕、すなわちキャッサバ芋から澱粉を抽出した後に廃棄されるキャッサバ粕を用いる場合に限られない。例えば、乾燥されたキャッサバ粕に含水率が３０質量％以上、好ましくは７０質量％以上９０質量％以下となるように水を添加したり、生のキャッサバ粕および乾燥のキャッサバ粕を混合したものに必要に応じて水を添加したりしたものでもよい。
　α―アミラーゼは、キャッサバ粕１ｇ当たり９×１０－５Ｕ以上６００Ｕ以下、好ましくは８×１０－３Ｕ以上０．６Ｕ以下で添加する。
　ここで、９×１０－５Ｕより少ないとキャッサバ粕の澱粉を分解するために時間を要してしまい、６００Ｕより多く添加しても、キャッサバ粕が未分解で残留せずにエタノールに分解されるまでの時間の短縮があまり図れず、費用対効果の点で有効ではないためである。
　グルコアミラーゼは、キャッサバ粕１ｇ当たり３×１０－４Ｕ以上２００Ｕ以下、好ましくは３×１０－２Ｕ以上０．２Ｕ以下で添加する。
　ここで、３×１０－４Ｕより少ないとキャッサバ粕の澱粉を分解するために時間を要してしまい、２００Ｕより多く添加しても、キャッサバ粕が未分解で残留せずにエタノールに分解されるまでの時間の短縮があまり図れず、費用対効果の点で有効ではないためである。
　さらに、酵素として、α－アミラーゼおよびグルコアミラーゼの他に、セルラーゼ、ペクチナーゼおよびプロテアーゼのうちの少なくともいずれか１つをさらに添加することが好ましい。これら酵素をさらに添加することで、キャッサバ粕が分解されてエタノールが生成されるまでの時間を短縮できる。
　セルラーゼは、キャッサバ粕１ｇ当たり１×１０－４Ｕ以上１００Ｕ以下、特に１×１０－２Ｕ以上０．１Ｕ以下で添加することが好ましい。
　ペクチナーゼは、キャッサバ粕１ｇ当たり１×１０－３Ｕ以上１０００Ｕ以下、特に１×１０－１Ｕ以上１Ｕ以下で添加することが好ましい。
　プロテアーゼは、キャッサバ粕１ｇ当たり１×１０－４Ｕ以上１００Ｕ以下、特に１×１０－２Ｕ以上０．１Ｕ以下で添加することが好ましい。
　アルコール発酵酵母は、一般的に酵母と称されるものを用いることができる。例えば、サッカロミセス属セレビシエ（Saccharomyces cerevisiae）、または耐熱性酵母であるクリベロミセス属マーキシアナス（Kluyveromyce marxianus）が好適に用いられる。特に、詳細は後述するが、反応工程ではアルコール発酵の際にある程度の温度（４５℃以上）に上昇する場合には、耐熱性酵母であるクリベロミセス属マーキシアナス（Kluyveromyce marxianus）が特に好適である。
　そして、アルコール発酵酵母は、初期酵母濃度が光学密度で０．０５以上１０以下で添加することが好ましい。すなわち、この範囲で添加することで、酵素により生成された糖からアルコール発酵酵母によりエタノールを生成させる処理時間が、攪拌処理しなくても長時間を要せず、また必要量のアルコール発酵酵母によりコストが増大することも防止できる。なお、添加するアルコール発酵酵母は、後段の反応工程で増殖したアルコール発酵酵母の一部を返送して利用すれば、新たにアルコール発酵酵母を添加する必要がなく、より低コストでエタノールを生成させることができる。
　そして、これら酵素およびアルコール発酵酵母を添加する方法としては、キャッサバ粕を反応工程の反応槽へ搬送するスクリューコンベヤやラインミキサーなどにより管内混合する他、混練機にて混合するなど、従来公知の各種方法を利用できる。
　なお、上記の反応工程の反応槽へ搬送する搬送経路中で管内混合する構成とすることで、攪拌混合専用の槽が不要となり、処理装置全体の小型化や簡略化ができるとともに、反応工程の反応槽へ搬送するエネルギーを利用して酵素を混合でき、エタノール生成のエネルギー消費量を低減できる。
　このような管内混合などにより、キャッサバ粕に酵素およびアルコール発酵酵母が添加された混合物が得られる。
［反応工程］
　反応工程Ｓ２では、配合工程Ｓ１で得られた混合物を、一つの反応槽に投入し、液化、糖化およびアルコール発酵させる。
　反応槽は、構成上、特段の制約はないが、液化、糖化、アルコール発酵が進行するにつれて液相分が多くなることから、例えば上方から混合物が投入され、底部から反応生成物を槽外へ排出可能に、上部に投入口、底部に排出口を有した構成とすることが好ましい。特に、反応中の混合物から熱を回収、例えば媒体との熱交換により混合物を冷却し、回収した熱は給湯器や暖房用の熱として利用する熱交換装置を備えることで、エネルギーをより有効に回収できる。
　なお、反応槽での反応は、バッチ式、連続式のいずれであってもよい。
　反応工程では、反応槽への混合物の投入から槽外へ排出するまでの反応時間として、好ましくは２４時間以上１２０時間以下とする。すなわち、混合物は、室温もしくは搬送の際の摩擦などで多少温度が上がった２５℃以上３５℃以下で投入される。このような温度の混合物の場合、２４時間以上１２０時間以下でアルコール発酵が十分に進行されているためである。
　すなわち、２４時間より短い場合には、澱粉の分解およびアルコール発酵が十分に完了しておらず、糖が残った状態となってしまう。また、１２０時間を超えても反応が十分に完了しない場合には、エタノール生成の処理に長時間を要した状態であり、エタノールの効率的な生成ができないためである。
　なお、反応槽では、攪拌や加熱は実施せず、投入された混合物はそのまま静置された状態で処理が進行する。すなわち、α－アミラーゼにより澱粉がデキストリンに分解され、生成されたデキストリンはグルコアミラーゼによりグルコースに分解され、グルコースからはアルコール発酵酵母によりエタノールが生成される。
　このようにして反応工程で得られた反応生成物は、固液分離後、後工程のエタノール分離工程に移送され、エタノールがより高純度で回収される。
　固液分離方法としては、例えばフィルタープレス、遠心分離など、従来公知の各種方法を適用できる。
　エタノール分離工程におけるエタノールの回収方法としては、例えば蒸留など、従来公知の各種方法を適用できる。なお、固液分離することなく、反応生成物を加熱してエタノールを直接回収するなどしてもよい。
［実施形態の作用効果］
　上記実施形態では、含水率３０質量％以上のキャッサバ粕に、α－アミラーゼ、グルコアミラーゼおよびアルコール発酵酵母を添加した混合物を反応槽に投入して滞留させることで、酵素によりキャッサバ粕中の澱粉が次第に分解され、澱粉含有量に対して含水率が高いので、発酵時の温度が抑えられ、温度上昇による酵母の失活を防止できる。さらに、含水率が多いことから、加熱しても混合物の粘度はあまり上昇せず、従来のような液化処理を実施した後に攪拌しつつ糖化およびアルコール発酵をする多段処理をしなくても、単に反応槽内に投入して静置させておくのみで、同等の処理時間で同程度のエタノールを生成できる。
　したがって、高粘度のキャッサバ粕でも攪拌を実施する必要がないことから、高粘度質を攪拌するための装置および攪拌のための大きなエネルギーが不要となり、簡単な構成で容易にかつ低エネルギーでキャッサバ粕からエタノールを生成でき、キャッサバ粕を効率よく容易に再生エネルギーとして有効利用することができる。
　また、上記実施形態では、キャッサバ粕を反応槽へ搬送する搬送路内で、あらかじめ酵素およびアルコール発酵酵母を添加して管内混合して混合物とし、この混合物を反応槽へ投入して反応工程を実施している。このため、キャッサバ粕に酵素およびアルコール発酵酵母が均一に混合されているので、効率よく反応が進行し、反応時間を短縮でき、エタノールの生成効率を向上できる。特に、管内混合により、別途混練機などにて混練する処理を実施する必要がなく、キャッサバ粕を反応槽へ搬送する搬送経路中で混合できるので、より効率よく混合でき、処理作業が容易になるととともに、混練のためのエネルギーも低減でき、効率よくエタノールを生成できる。
　そして、キャッサバ粕に、セルラーゼ、ペクチナーゼおよびプロテアーゼのうちの少なくともいずれか１つをさらに添加することにより、反応工程での反応時間を短縮でき、効率よくエタノールを生成できる。
　また、各種酵素およびアルコール発酵酵母をキャッサバ粕にライン混合することにより、酵素およびアルコール発酵酵母とキャッサバ粕とが均一に混合され、反応工程での反応時間を短縮できる。
　さらに、反応槽として、上部から混合物が投入され、底部から反応生成物を排出する構成とすることで、順次分解されてエタノールが生成したり、細胞内などから水分が流出したりして、液相分が反応槽の底部に流下して排出される。このため、反応槽で混合物を攪拌することなく挿入した混合物を単に静置しておく処理でも、反応生成物を容易に回収できるとともに、底部近傍では液相分が多くなるので液相で反応が進行し、攪拌しなくても反応が促進する状態となり、反応時間がそれ程長くなることなく十分にエタノールを生成させることができることから、反応槽に攪拌機能を設けない簡単な構造に処理装置を構築できる。
　そして、反応槽内で４時間以上滞留、好ましくは２４時間以上１２０時間以下で滞留させてエタノールを生成させることで、加熱および冷却の温度調整や攪拌を実施しなくても、十分に分解して効率よくエタノールを生成できる。
［変形例］
　なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは、本発明に含まれるものである。
　例えば、配合工程でキャッサバ粕に酵素およびアルコール発酵酵母を混合して説明したが、例えばキャッサバ粕を反応槽内へ投入する際の落下衝撃により混合したり、反応槽内にキャッサバ粕と酵素およびアルコール発酵酵母を薄い層状となるように、少量ずつ投入したりしてもよい。なお、これらの構成では特段の攪拌混合をすることなく、アルコール生成でき、特に層状で供給する構成であれば、あらかじめ混合する場合と同等の処理時間でアルコール生成できる。
　そして、上記実施形態では、反応槽の上部から混合物を投入し、底部から反応生成物を排出する構成を例示したが、例えば反応槽の容積が大きくなった場合など、耐圧性や設備コストなどの点で上部から混合物を投入し、上部からポンプで吸い上げるなどにより排出する構成とするなどしてもよい。
　また、反応槽への混合物の投入に際して、単に混合物を投入するのみとしたが、例えば図２に示すように、酵素やアルコール発酵酵母を添加する前に、キャッサバ粕を加熱していてもよい。
　具体的には、キャッサバ粕を例えば水蒸気により６０℃以上１２０℃以下で加熱する加熱工程Ｓ１１を実施し、澱粉を糊化してから、各酵素およびアルコール発酵酵母を添加して管内混合し（配合工程Ｓ１）、反応槽へ投入して反応工程Ｓ２を実施する。
　この図２に示すように、澱粉を糊化させる温度に加熱することで、処理効率を向上できる。なお、澱粉を糊化する温度以下に加熱したとしても、各酵素およびアルコール発酵酵母の活性が増大し、エタノールを生成する処理時間を短縮できる。
　また、酵母およびアルコール発酵酵母を添加する前のキャッサバ粕を加熱することで、先に混合してから加熱する場合に比して処理効率を向上できる。
　なお、この図２に示す実施形態では、キャッサバ粕を加熱する方法として水蒸気を用いたが、キャッサバ粕の水分量が十分である場合には、従前の各種加熱方法を適用して加熱すればよい。キャッサバ粕の含水率が５０質量％に満たない場合には、水の添加に代えて水蒸気による加熱にて水分を供給することができるので、水蒸気による加熱は特に有効である。
　そして、反応工程では、アルコール発酵酵母の活性を向上させるため、リンや窒素などの栄養源を添加してもよい。
　リンとしては、リン換算で３×１０－４量％以上０．０３質量％以下添加することが好ましい。窒素源としては、窒素換算で１×１０－３質量％以上０．１質量％以下添加することが好ましい。
　その他、本発明の実施における具体的な構成および形態などは、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造などとしてもよい。
　次に、上記図１に示す実施形態の処理方法について実施した実験について説明する。
　なお、本発明は、以下の実施例および比較例により制限されるものではない。
［実験１］
　以下、キャッサバ粕と酵素およびアルコール発酵酵母との混合条件が、エタノール生成に及ぼす影響に関した実験１について説明する。
　｛原料｝
　原料に含水率が８５％のキャッサバ粕２０００ｇを用い、酵素にセルラーゼ、ペクチナーゼ、α－アミラーゼ、グルコアミラーゼを用い、酵母にサッカロミセス属セレビシエ（Saccharomyces cerevisiae）を用いた。
　｛実験条件｝
　エタノールの生成条件は、以下の４つの条件で実施した。
　　（比較例１）
　比較例１は、図３に示すように、あらかじめ水２０００ｍｌが添加されたキャッサバ粕に、１０Ｌのジャーファーメンター内でα－アミラーゼを混合した後（工程Ｓ２１）、攪拌しながら９０℃で１時間液化処理をした（工程Ｓ２２）。この後、液化処理により得られた生成物に、グルコアミラーゼ、セルラーゼを添加し（工程Ｓ２３）、攪拌しながら５０℃で２４時間糖化処理をした（工程Ｓ２４）。さらに、酵母と酵母エキス（窒素源およびリン源）とを添加し（工程Ｓ２５）、攪拌しながら３０℃で２４時間発酵処理した（工程Ｓ２６）。
　　（比較例２）
　比較例２は、あらかじめ水２０００ｍｌが添加されたキャッサバ粕に、１０Ｌのジャーファーメンター内でα－アミラーゼと、グルコアミラーゼと、セルラーゼと、酵母と、酵母エキス（窒素源およびリン源）とを振り掛けて、４８時間静置して反応させた。
　　（実施例１）
　実施例１は、あらかじめ水２０００ｍｌが添加されたキャッサバ粕に、α－アミラーゼと、グルコアミラーゼと、セルラーゼと、酵母と、酵母エキス（窒素源およびリン源）とを二軸の混練機を用いて５５ｒｐｍで１０分間混合した混合物を、１０Ｌのジャーファーメンター内で４８時間静置して反応させた。
　　（実施例２）
　実施例２は、実施例１の４８時間静置に代えて、４８時間攪拌しつつ反応させた。
　｛結果｝
　反応後、遠心分離および濾過により固形分を除去した後、ガスクロマトグラフィーを用いてエタノール量を測定した。その結果を図４に示す。
　この図４に示す結果から、酵素および酵母がキャッサバ粕と十分に混合されていない比較例２では、エタノールがほとんど得られなかった。なお、液相分が生成されており、酵素および酵母が接触し得る範囲であれば、攪拌せずとも反応が進行することが認められた。
　また、あらかじめ酵素および酵母を混合しておく実施例１では、従来の攪拌しつつ糖化処理および発酵処理を多段で実施する比較例１と同等のエタノールが生成されることが認められた。また、反応時に攪拌を実施する実施例２では、実施例１と同等のエタノールが生成され、攪拌による効果は認められなかった。
［実験２］
　次に、反応前の加熱がエタノール生成に及ぼす影響に関した実験２について説明する。
　｛実験条件｝
　　（実施例３）
　実施例３は、含水率が８５％のキャッサバ粕５０ｇに、α－アミラーゼと、グルコアミラーゼと、セルラーゼと、酵母（クリベロミセス属マーキシアナス（Kluyveromyce marxianus））と、酵母エキス（窒素源およびリン源）とを、二軸の混練機を用いて５５ｒｐｍで１０分間混合し、得られた混合物を３００ｍｌのビーカーを用いて７２時間静置して反応させた。
　　（実施例４）
　実施例４は、含水率が８５％のキャッサバ粕５０ｇをオートクレーブを用いて８０℃１５分加熱した後、実施例３と同様にして混合物を得て７２時間静置して反応させた。
　｛結果｝
　反応後、遠心分離および濾過により固形分を除去した後、ガスクロマトグラフィーを用いてエタノール量を測定した。その結果を図５に示す。
　この図５に示す結果から、あらかじめ加熱して澱粉を糊化しておく実施例４では、加熱しない実施例３に比して、約２倍の量のエタノールを生成できた。このことから、あらかじめ加熱して糊化しておくことで、処理効率を向上できることがわかる。
［実験３］
　次に、上記実験２における加熱する温度がエタノール生成に及ぼす影響に関した実験３について説明する。
　｛実験条件｝
　　（実施例５）
　実施例５は、上記実験２の実施例４における加熱温度を３０℃とした以外は、実施例４と同様に行った。
　　（実施例６～１０）
　実施例６～１０は、上記実験２の実施例４における加熱温度を、それぞれ６０℃、７０℃、８０℃、１００℃、１２０℃とした以外は、実施例４と同様に行った。
　｛結果｝
　反応後、遠心分離および濾過により固形分を除去した後、ガスクロマトグラフィーを用いてエタノール量を測定した。その結果を図６に示す。
　この図６に示す結果から、澱粉の糊化が始まる６０℃（実施例６）から、３０℃で加熱した場合（実施例５）に対して、エタノールの生成量が２倍以上となり、１００℃（実施例９）では３倍近い生成量となっている。なお、１２０℃に加熱した場合（実施例１０）では、温度が高すぎて酵素および酵母の活性が低下し始めているため、エタノールの生成量が少なくなったものと考えられることから、加熱する場合には、６０℃以上１２０℃以下とすることが良好であることがわかる。
　　　Ｓ１　　配合工程
　　　Ｓ２　　反応工程
　　　Ｓ１１　加熱工程

Claims (9)

  1. 　キャッサバ粕からエタノールを生成させるキャッサバ粕の処理方法であって、
    　含水率３０質量％以上のキャッサバ粕に、α－アミラーゼ、グルコアミラーゼおよびアルコール発酵酵母を添加する配合工程と、
    　前記配合工程で前記α－アミラーゼ、前記グルコアミラーゼおよび前記アルコール発酵酵母が添加されたキャッサバ粕を、反応槽内で滞留させてアルコール発酵させる反応工程と、を実施する
    　ことを特徴とするキャッサバ粕の処理方法。
  2. 　前記配合工程は、前記キャッサバ粕にα－アミラーゼ、グルコアミラーゼおよびアルコール発酵酵母を混合して得られた混合物を前記反応槽へ投入して滞留させアルコール発酵させる
    　ことを特徴とする請求項１に記載のキャッサバ粕の処理方法。
  3. 　前記配合工程は、前記キャッサバ粕と、前記α－アミラーゼ、前記グルコアミラーゼおよび前記アルコール発酵酵母とをライン混合して前記混合物を得る
    　ことを特徴とする請求項２に記載のキャッサバ粕の処理方法。
  4. 　前記配合工程は、前記反応槽内に投入されたキャッサバ粕と、前記α－アミラーゼ、前記グルコアミラーゼおよび前記アルコール発酵酵母とが、前記反応槽内で多層状となるように、前記キャッサバ粕に、前記α－アミラーゼ、前記グルコアミラーゼおよび前記アルコール発酵酵母を添加する
    　ことを特徴とする請求項１に記載のキャッサバ粕の処理方法。
  5. 　前記配合工程は、前記キャッサバ粕に、セルラーゼ、ペクチナーゼおよびプロテアーゼのうちの少なくともいずれか１つをさらに添加する
    　ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のキャッサバ粕の処理方法。
  6. 　前記反応工程は、前記反応槽として、上部に投入口、底部にアルコール発酵後の反応生成物を排出する排出口を有したものを用いる
    　ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のキャッサバ粕の処理方法。
  7. 　前記反応工程は、前記反応槽内で４時間以上滞留させる
    　ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載のキャッサバ粕の処理方法。
  8. 　前記配合工程は、
    　前記α－アミラーゼを前記キャッサバ粕１ｇ当たり９×１０－５Ｕ以上６００Ｕ以下で添加し、
    　前記グルコアミラーゼを前記キャッサバ粕１ｇ当たり３×１０－４Ｕ以上２００Ｕ以下で添加する
    　ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載のキャッサバ粕の処理方法。
  9. 　前記アルコール発酵酵母は、サッカロミセス属セレビシエ（Saccharomyces cerevisiae）またはクリベロミセス属マーキシアナス（Kluyveromyce marxianus）である
    　ことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載のキャッサバ粕の処理方法。
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