JP2009296949A

JP2009296949A - 醗酵装置

Info

Publication number: JP2009296949A
Application number: JP2008155753A
Authority: JP
Inventors: Saihatsu Ko; 再発洪
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2009-12-24

Abstract

【課題】有機性固形物から効率よく短期間で還元糖リッチ溶液やエタノールを製造する方法を提供する。
【解決手段】醗酵タンク本体と、タンク下方に設けられた固定濾過体と、該固定濾過体の上方に設けられ、上下動可能な可動濾過体と、醗酵タンク本体上部に設けられたエア導入部と、醗酵タンク本体に設けられた温度制御手段とを備える醗酵装置に、有機性固形物と微生物製剤を投入し、低位置にある可動濾過体上に載置された有機性固形物を加温水中浸漬状態で固液混合醗酵させ、次いで上方の高位置に移動させた可動濾過体上の有機性固形物にエアを吹き込みながら固体醗酵させると同時に、固体醗酵により生じる熱を可動濾過体下方の培養液に利用させながら液体醗酵させた後、可動濾過体を再度低位置に移動させ、低位置にある可動濾過体上の有機性固形物部分を冷却しながら固液混合醗酵させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、有機性固形物（穀物を含むセルロース系固形物、セルロース系廃棄物等）を醗酵して糖類、エタノール、水素ガス等の有用ガス等を効率的に製造するための醗酵装置に関し、より具体的には、醗酵タンク本体と該醗酵タンク本体内の下方に設けられた固定濾過体と、該固定濾過体の上方に設けられ、上下動可能な可動濾過体等が設けられた醗酵装置、該醗酵装置を用いる還元糖リッチ培養液の調製方法、エタノール等の製造方法等に関する。

有機性廃棄物、例えば、セルロース系廃棄物は、草木由来の廃棄物、稲わら、麦わら等の農業系廃棄物、廃材等の林業系廃棄物、焼酎粕、コーヒー粕、茶粕、パーム油絞り粕等の食品関連廃棄物、パルプスラッジ等の繊維工場廃棄物、古紙、紙類を含む都市ごみ等の家庭・商業系廃棄物など、その種類は多岐にわたっている。年々廃棄物の量は増えており、かなりの量が燃焼（又は焼却）により処理されている。最近では、東南アジアで採取されるパーム油の利用が高まり、その絞り粕も大量に排出されており、３日以内に処理しないと腐敗する恐れがあり、一部は、家畜特に牛の粗飼料として利用されるものの、大部分が、焼却されているのが現状である。

廃棄物等の被処理原料を真空乾燥する装置に於いて、装置から排出される気体や凝縮水中に、生活環境を悪化させる有害物質が含まれないようにする為に、被処理原料中の気散し易いアルカリ性物質と共存して蒸散し難い物性に変質させ得る酸性物質を、被処理原料中に所定量混和させる為の、酸混和手段を、真空乾燥タンクに付設した真空乾燥装置（例えば、特許文献１参照）が知られている。このように、乾燥・燃焼のための施設・処理場には高いコストがかかり、より経済的、且つ廃棄物を有効に利用する必要がある。このため、近年、種々の廃棄物に対して、研究が進められている。例えば、セルロース系廃棄物に酵素を作用させ、加水分解してグルコースなどの糖を生成させ、この糖をアルコール醗酵や乳酸醗酵等の醗酵に供して、生成されるエチルアルコール等をガソリン燃料の一部（バイオエタノール）として用いる技術等が注目されている。

有機性廃棄物を有効に利用するための処理装置として、アルコール生産菌を固定化したゲルを用い、原料溶液を醗酵させてアルコールを製造する装置であって、該装置が、頭頂部又はその近傍に前記原料溶液のための供給口を有し底部には沈殿物廃出口を有すると共に、装置全体を恒温に維持するための加熱手段を外壁側に有する縦長の反応槽であり、該槽が、鉛直方向の中間部に設けられた、中央底部に沈殿した固形分を落下させるための開口を有するすり鉢形隔壁によって、上部から、順次反応液撹拌手段を有する撹拌領域、前記アルコール生産菌を固定化した固形化ゲルの浮上を抑えるフィルター装置を有するアルコール醗酵反応領域、及び、死滅したアルコール生産菌のゲルその他の固形分が沈降を開始する沈降開始領域を形成する上槽と、前記沈降した固形分が推積した沈殿領域と上澄液領域を有する下槽とに分割されていると共に、該下槽の上部に上澄液取り出し口が設けられているアルコール製造装置（例えば、特許文献２参照）や、デンプン質を含む原料からペレットを形成するペレット形成装置と、麹菌を接種した前記ペレットを培養することにより糖化ペレットを製造する製麹装置と、前記糖化ペレットと酵母と水とから構成された水分含量３０〜６０％の醗酵もろみを嫌気的条件下で醗酵させる固体醗酵槽と、醗酵終了後の醗酵もろみを蒸留してエタノールを回収する蒸留装置と、を備えたエタノール製造システム（例えば、特許文献３参照）が知られている。

また、有機性廃棄物又はアルコール原料作物等の有機物を再利用可能な物質に変換する一連の処理過程を１つの密閉型醗酵乾燥槽内で実施する醗酵蒸留乾燥システム（例えば、特許文献４参照）が知られている。さらに、有機性廃棄物を醗酵させて水素ガスを製造する、いわゆる水素醗酵法を用いて廃棄物のエネルギー化及び再資源化として重要な技術であり、原料供給設備および攪拌設備を有する水素醗酵槽と、前記水素醗酵槽に連通するガス管と、前記水素醗酵槽の発生ガスを貯留するガス貯留槽を有する水素醗酵装置において、前記水素醗酵槽の壁面に設けられた１つまたは２つ以上の醗酵液排出管と、前記醗酵液排出管に接続されたサイホン設備とを備えた水素醗酵装置（例えば、特許文献５参照）が知られている。

一方、有機性固形物（穀物を含むセルロース系固形物、セルロース系廃棄物等）を１つの醗酵タンクに投入し、固体と液体を混合醗酵すること、固体と液体を分離し、同一のタンクで固体醗酵と液体醗酵を同時に行って、有用なアルコールや、水素ガス等を短期間に得ることのできる装置は知られていない。

特開２００３−３０２１５７号公報特開２０００−３２５０６９号公報特開２００５−６５６９５号公報特開２００７−９７４２２号公報特開２００６−１１０４９５号公報

増え続ける有機性廃棄物を処理する手段・装置は前記のとおり種々知られているものの、その大部分は、単に燃焼（焼却）処理されており、該処理では、その燃焼装置が有する種々の問題点、排気される排気ガスを無毒化等するための処理・装置を必要とする点、さらには有用な物質を何ら生産することができない等多くの問題点がある。本発明の課題は、有機性固形物（穀物を含むセルロース系固形物、セルロース系廃棄物等）を１つの醗酵タンクを用いて、短期間に有用な醗酵産物に転換することができる実用的な醗酵装置や、その醗酵装置を用いる還元糖リッチ培養液の調製方法、エタノールの製造方法を提供することにある。

本発明者らは、経済的で、短期間に有機性固形物（穀物を含むセルロース系固形物、セルロース系廃棄物等）を醗酵処理して、有用な物質を得るべく醗酵タンクの構造に根本的な改良を加えるなど鋭意研究した結果、醗酵タンク本体において、該醗酵タンク本体内の下方に固定濾過体を、該固定濾過体の上方に上下動可能な可動濾過体を備えた手段を含む醗酵装置として構成し、一つの醗酵タンクで固液混合培養、固液分離同時培養、再度の固液混合培養と順次行うことにより、短期間に有用なエタノール、有機酸、水素ガス等を生成することができることを見い出し、本発明を完成するに至った。

すなわち本発明は、（１）醗酵タンク本体と、該醗酵タンク本体内の下方に設けられた固定濾過体と、該固定濾過体の上方に設けられ、上下動可能な可動濾過体と、醗酵タンク本体上部に設けられたエア導入部と、醗酵タンク本体に設けられた温度制御手段とを備えることを特徴とする醗酵装置や、（２）醗酵タンク本体上部に、分離膜を備えたガス排出部が設けられていることを特徴とする前記（１）記載の醗酵装置や、（３）醗酵タンク本体の内部に撹拌手段を備えた前記（１）又は（２）記載の醗酵装置に関する。

また本発明は、（４）前記（１）〜（３）のいずれか記載の醗酵装置に有機性固形物と微生物製剤を投入し、低位置にある可動濾過体上に載置された有機性固形物を加温水中浸漬状態で固液混合醗酵させ、次いで可動濾過体を培養液上面の上方の高位置に移動させ、高位置にある可動濾過体上に載置された有機性固形物にエアを吹き込みながら固体醗酵させると同時に、固体醗酵により生じる熱を可動濾過体下方の培養液に利用させながら液体醗酵させることを特徴とする還元糖リッチ培養液の調製方法や、（５）前記（１）〜（３）のいずれか記載の醗酵装置に有機性固形物と微生物製剤を投入し、低位置にある可動濾過体上に載置された有機性固形物を加温水中浸漬状態で固液混合醗酵させ、次いで可動濾過体を培養液上面の上方の高位置に移動させ、高位置にある可動濾過体上に載置された有機性固形物にエアを吹き込みながら固体醗酵させると同時に、固体醗酵により生じる熱を可動濾過体下方の培養液に利用させながら液体醗酵させた後、可動濾過体を再度低位置に移動させ、低位置にある可動濾過体上に載置された有機性固形物を冷却しながら固液混合醗酵させることを特徴とするエタノールの製造方法に関する。

本発明の醗酵装置によれば、通常醗酵が困難とされる有機性固形物（穀物を含むセルロース系固形物、セルロース系廃棄物等）を、一つの醗酵タンク内で固液混合培養、固液分離同時培養、再度の固液混合培養と順次繰り返すことにより、効率よく短期間で糖化・醗酵することができる。その結果、難分解性有機性固形物から、安価で、かつ、短期間に還元糖リッチな糖類、エタノール、水素ガス等を生成することができる。

本発明の醗酵装置としては、醗酵タンク本体と、該醗酵タンク本体内の下方に設けられた固定濾過体と、該固定濾過体の上方に設けられ、上下動可能な可動濾過体と、醗酵タンク本体上部に設けられたエア導入部と、醗酵タンク本体に設けられた温度制御手段とを備える装置であれば特に制限されるものではないが、固定濾過体の目開きが可動濾過体の目開きより小さい装置が好ましく、醗酵タンク本体上部に、生成ガスをガスの種類ごとに分離する分離膜を備えたガス排出部が設けられている装置や、醗酵タンク本体の内部に撹拌手段を備えた装置を好適に例示することができる。

また、本発明の還元糖リッチ培養液の調製方法や、エタノールの製造方法は、上記本発明の醗酵装置を用いる方法であり、本発明の還元糖リッチ培養液の調製方法は、醗酵装置に有機性固形物と微生物製剤を投入し、（最）低位置にある可動濾過体上に載置された有機性固形物を加温水中浸漬状態で固液混合醗酵させ［全糖化期］、次いで可動濾過体を培養液上面の上方の（最）高位置に移動させ、（最）高位置にある可動濾過体上に載置された有機性固形物にエアを吹き込みながら固体醗酵させると同時に、固体醗酵により生じる熱を可動濾過体下方の培養液に利用させながら液体醗酵させる［還元糖期］方法であれば特に制限されず、また、本発明のエタノールの製造方法は、醗酵装置に有機性固形物と微生物製剤を投入し、（最）低位置にある可動濾過体上に載置された有機性固形物を加温水中浸漬状態で固液混合醗酵させ［全糖化期］、次いで可動濾過体を培養液上面の上方の（最）高位置に移動させ、（最）高位置にある可動濾過体上に載置された有機性固形物にエアを吹き込みながら固体醗酵させると同時に、固体醗酵により生じる熱を可動濾過体下方の培養液に利用させながら液体醗酵させた［還元糖期］後、可動濾過体を再度（最）低位置に移動させ、（最）低位置にある可動濾過体上に載置された有機性固形物を冷却しながら固液混合醗酵させる［エタノール期］方法であれば特に制限されない。

上記［全糖化期］は、繊維を糖化(全糖を取る)するために固体と液体を比較的高温で好気的に混合醗酵する工程で、上記［還元糖期］は、繊維糖化を強化するために固体は高温醗酵し、液体は中温醗酵し、固体と液体を分離し同一容器で醗酵して全糖から還元糖を取る時期であるので、菌の力で固体が自力醗酵すると高熱が発生し、高温空間になり、その熱を液体醗酵に利用する（省エネ）工程で、上記［エタノール期］は、還元糖からエタノールを生成するために固体と液体が再合体させ比較的低温で嫌気的に醗酵する工程である。

上記有機性固形物としては、穀物、ソルゴやサトウキビ等の茎、イネ・ムギわら、焼酎粕、パーム油絞り粕、家畜の糞、汚泥などの高繊維質含有有機性固形物を挙げることができるが、ソルゴやサトウキビ等の茎、イネ・ムギわら、焼酎粕、パーム油絞り粕、家畜の糞などの有機性廃棄物を好適に例示することができる。これらは、粉砕・裁断して用いることが好ましい。

また、上記微生物製剤としては、例えば、バチルス（Bacillus）属、ラクトバチルス（Lactobacillus）属、ストレプトコッカス（Strptococcus）属、サッカロミセス（Saccharomyces）属、キャンディダ（Candida）属及びピキア（Pichia）属に属する微生物を、パーム油残渣、米糠、珪藻土を含有する醗酵基質に添加し、醗酵させたこれら微生物含有組成物を用いることができる。その他、アスペルギルス属やリゾップス属に属する糸状菌や、硫黄バクテリア、マンガン還元バクテリア、マンガン酸化バクテリア、アンモニア酸化バクテリア、ニトロバクテリア、メタン酸化バクテリア、放線菌等を加えてもよい。

例えば、バチルス属の微生物としては、バチルス・ズブチリス（B.subtilis）、バチルス・メガテリウム（B.megaterium）、バチルス・セレウス（B.cereus）などを、ラクトバチルス属の微生物としては、ラクトバチルス・アシドフィルス(L.acidophilus)、ラクトバチルス・プランタルム(L.plantarum)、ラクトバチルス・ブレビス(L.brevis)、ラクトバチルス・カセイ（L.casei）等などを、ストレプトコッカス属の微生物としては、ストレプトコッカス・フエカリス(St.faecalis)、ストレプトコッカス・ラクティス（St.lactis）、ストレプトコッカス・サーモフィラス(St.thermophilus)等を挙げることができる。サッカロミセス属の微生物としては、サッカロミセス・セレビシエ（S.cerevisiae）、サッカロミセス・ヤポニカス（S.japonicus）等を挙げることができる。キャンディダ属に属する微生物には、カンジダ・アルビカンス（C.albicans）、カンジダ・リポリチカ（C.lipolytica）、カンジダ・トロピカリス（C.tropicalis）,カンジダ・ユーティリス（C.utillis）を代表的なものとして挙げることができるが、その他、C.albicans var.stellatoidea, C.catenulata,Candidacurvata, C. famata, C.glabrata, C.guilliermondii, C.humicola, C.intermedia, C. kefyr, C. krusei, C.loxderi, C. macedoniensis, C.magnoliae, C.maltosa, C. melinii, C. nitratophila, C.parapsilosis, C.pelliculosa, C.pintolopesii, C. pinus, C.pulcherrima, C.robusta, C.rugosa, C.zeylanoidesを挙げることができる。ピキア属の微生物としては、ピキア・メンブラナエファシエンス（P.membranaefacience）、ピキア・ファリノーサ（P.farinosa）、ピキア・ファーメンタンス（P.fermentans）を代表的なものとして挙げることができるが、その他、Pichia pinus、Pichia subpelliculosaを挙げることができる。

前記本発明の醗酵タンクは、設置場所や有機性固形物の種類、その排出量により、その容量には、特に制限されるものではないが、パーム油絞り粕、ソルゴの茎を含む嵩高の有機性固形物の場合は、１ｔ〜３ｔのタンクを用い、後述する縦型の醗酵タンクや横型の醗酵タンクのいずれをも用いることができるが、本発明の醗酵タンクは、タンク内の培養液中に浸漬された状態で配設される固定濾過体と、固定濾過体の上方に設けられ、培養液に浸漬・非浸漬状態に上下動可能な可動濾過体とを備えた点に大きな特徴を有している。

前記固定濾過体は、培養液中の比較的小さい固形物を濾材上に保持し、濾液に混入することを防止するために設けられ、固定濾過体の目開きのサイズは、０．３〜１ｍｍ、より好ましくは、０．５〜０．８ｍｍとする。固定濾過体はタンクの高さ方向下方から約１／４〜１／３の位置に、タンク本体内周面に固定部材により固定されている。そして、この固定濾過体より下方の下層液体を加熱することができる加熱手段（タンク内の加熱コイルや加熱片、タンク外の加熱ジャケット）が設けられており、前記の［全糖化期］には下層液体が加温され、上昇流となって固定濾過体や可動濾過体を通過することになる。

一方、可動濾過体は、培養液中の比較的大きい有機性固形物を濾材上に保持するために設けられ、可動濾過体の目開きのサイズは、１〜２．５ｍｍ、より好ましくは、１．５〜２．０ｍｍとする。可動濾過体は、固定濾過体の上方に、固定濾過体とほぼ同じ形状で、タンク本体内周面を摺動して上下動自在に設置されている。この可動濾過体をタンク本体内で上下動させる昇降手段は特に制限されないが、例えば、醗酵タンクの内周面に適宜間隔で垂直方向に固着された複数本のレールにガイドされ、固定濾過体の直上の最下位置からタンクの高さ方向上方から約１／４〜１／３の最上位置まで、吊り上げ手段や歯車手段によりタンク本体内周面を摺動させながら上下動させることができる。また、最上位置と最下位置では固定しうるようになっている。この可動濾過体は、有機性固形物を醗酵タンクに投入する前や、その後の前記［全糖化期］には、固定濾過体の上方に重なり合うように位置設定される。［全糖化期］の終了後、可動濾過体は、固定濾過体の直上の最下位置からタンクの上方の最上位置まで移動させられ、［還元糖期］の位置設定となる。［還元糖期］の終了後、可動濾過体は、タンクの上方の最上位置から固定濾過体の直上の最下位置まで再度移動させられ、［エタノール期］の位置設定となる。

前記固定濾過体及び可動濾過体の材料は、特に制限されないが、合成樹脂製でも金属製でもよく、合成樹脂製のものは、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル等を挙げることができ、金属製のものでは、ステンレス、銅、真鍮、鉄、アルミ等を挙げることができ、固定濾過体と可動濾過体のそれぞれは、同種又は異種であってもよいが、強度の点、化学物質により腐食されにくい点等からステンレスが好ましい。また、濾過体の目開きのサイズについては、上方の可動濾過体の方が下方の固定濾過体より大きく、すなわち、有機性固形物（廃棄物）が醗酵し、生成した糖化液状物は可動濾過体により濾過されて下方に移動し、さらに、目の細かい固定濾過体により濾過されて固定濾過体の下方に移動する。

本発明の醗酵装置は、醗酵タンク本体上部にエア導入部を備えるものである。空気は、［還元糖期］において固体醗酵に利用され、導入空気により固体が好気的に自力醗酵すると高熱が発生する。また、空気の代わりに酸素をタンク内に導入することもできる。導入する空気は加温や殺菌しておくこともできる。また、空気の導入量は有機性固形物の種類により適宜変更されるが、固形物による醗酵温度が４０〜６０℃となるように供給することが好ましい。

本発明の醗酵装置は、醗酵タンク本体に温度制御手段を備えるものである。温度制御手段としては、例えば、前記のように、［全糖化期］に固定濾過体より下方の下層液体を４５〜５５℃に加熱することができる加熱手段（タンク内の加熱コイルや加熱片、タンク外の加熱ジャケット）や、［還元糖期］に固定濾過体より上方の上層液体の温度を２５〜３５℃に維持することができる温度調節手段や、［エタノール期］に可動濾過体上の有機性固体近傍を１８〜２３℃に冷却する醗酵タンクの周囲に設けた蛇型の冷却管を挙げることができる。

本発明の醗酵装置には、前記のように、醗酵タンク本体上部に、醗酵により発生するガスを種別に分離することが出きる分離膜を備えたガス排出部を設けることが好ましい。発生するガスは、使用する微生物製剤や醗酵型式により異なるが、有用ガスとして、水素ガス等を例示することができる。また、分離膜を設けることにより、純度の高い有用ガスとすることができる。例えば、水素分離膜として、アルミナ等酸化物セラミックス、窒素珪素等非酸化物セラミックスなどの多孔体基体材上にパラジウム、シリカ、ゼオライト、窒化珪素系等で成膜したものを挙げることができる。

醗酵タンク本体の内部には、必要に応じて撹拌手段を設けることができ、撹拌部材としては、例えば、縦型の円筒形の醗酵タンクを用いる場合は、中心軸の周りに適宜数の撹拌翼を設けたものを用いることができる。この撹拌手段による撹拌は、主として、［全糖化期］における固液混合培養時に用いられる。したがって、続く［還元糖期］への移行時に可動濾過体の上昇を妨げないように、タンクから引き上げられる。

以下、図面を参照して、本発明に係る装置をより具体的に説明するが、本発明の技術的範囲はこれらの例示に限定されるものではない。ここで、図１は、本発明の一実施形態に係る、撹拌機が設けられていない横型醗酵タンクを用いる醗酵装置の概略縦断面図を示し、図２は、撹拌機が設けられている円筒状の縦型醗酵タンクを用いる醗酵装置の概略縦断面図を示す。図１と図２において、共通の部分は同じ符号を用いて説明する。１は醗酵タンク本体、２は固定濾過体、３は可動濾過体、４はエア導入部、５は温度計及び／又は加熱器、６は蛇型冷却管、７は上層液排出口、８は撹拌機、９は下層液排出口、１０は醗酵材料投入口、１１は圧力計、１２はガスタンク、１３は逆流止弁を表わす。

図１に示される横型タンクは、高さ２ｍ、横２ｍ×縦３ｍのサイズを有するタンクであり、タンクの高さ方向下方から約１／４〜１／３の位置に、横２ｍ弱×縦３ｍ弱の長方形の、目開き２５メッシュ（約０．７ｍｍ）の固定濾過体２がタンク本体内周面に固定部材により固定されている。固定濾過体２の上方に、固定濾過体２とほぼ同じ長方形状で、目開き１〜２ｍｍの可動濾過体３がタンク本体内周面を摺動して上下可動自在に設置されている。この可動濾過体３は、醗酵タンク１の内周面に適宜間隔で垂直方向に固着された２〜４本のレールにガイドされ、固定濾過体２の直上の最下位置からタンクの高さ方向上方から約１／４〜１／３の最上位置まで、適宜引き上げ手段によりタンク本体内周面を摺動するように上下可動に構成され、また、最上位置と最下位置では固定しうるようになっている。醗酵タンク上部には、有機性固形物等の醗酵原料と醗酵微生物を含む微生物製剤などの醗酵材料投入口１０や、酸素や空気を醗酵タンクに導入するエア導入部４や、逆止弁を介して水素ガスなどの有用ガスを分離して収容するためのガス分離膜（図示せず）を備えたガスタンク１２が設けられている。また、醗酵タンクの底部には下層液排出口９が配設されている。

図２に示される縦型タンクは、高さ２ｍ、直径２ｍのサイズを有するタンクであり、タンクの高さ方向下方から約１／４〜１／３の位置に、直径２ｍ弱の円板形の、目開き２５メッシュ（約０．７ｍｍ）の固定濾過体２がタンク本体内周面に固定部材により固定されている。固定濾過体２の上方に、固定濾過体２とほぼ同じ円板形状で、目開き１〜２ｍｍの可動濾過体３がタンク本体内周面を摺動して上下可動自在に設置されている。この可動濾過体３は、醗酵タンク１の内周面に等間隔で垂直方向に固着された２〜５本のレールにガイドされ、固定濾過体２の直上の最下位置からタンクの高さ方向上方から約１／４〜１／３の最上位置まで、適宜引き上げ手段によりタンク本体内周面を摺動するように上下可動に構成され、また、最上位置と最下位置では固定しうるようになっている。醗酵タンク本体内の中心軸近傍には、垂直に撹拌機８が設けられ、培養物の撹拌を促進する。醗酵タンク上部には、有機性固形物等の醗酵原料と醗酵微生物を含む微生物製剤などの醗酵材料投入口１０や、酸素や空気を醗酵タンクに導入するエア導入部４や、水素ガスなどの有用ガスを分離して収容するためのガス分離膜（図示せず）を備えたガスタンク１２が設けられている。また、醗酵タンクの底部には下層液排出口９が配設されている。

本発明の醗酵装置を用いて還元糖リッチ培養液の調製方法、及びエタノールの製造方法を詳述すると、最初に醗酵タンクにおいて、可動濾過体を固定濾過体の上に位置させておき、次にパーム油絞り粕、ソルゴ茎等を細断した有機性固形物を醗酵タンクに投入する。水と微生物製剤を所定量入れ、固定濾過体下方の下層液体をヒーターで加熱し、エア導入部より空気を導入しながら、固体と液体とを好気的に１日間混合醗酵する。醗酵タンク内温度を所定温度（高温３５〜４５℃例えば４０℃）に温度制御する。醗酵前期である［全糖化期］においては、繊維分のセルロース等を分解し、糖化が進行するが、その多くは型くずれしているものの、固形形状を保持しているが、一部は可動濾過体より濾過されて固定濾過体上に移動する。次に醗酵中期である［還元糖期］においては、可動濾過体を培養液上面の上方位置に移動させ、可動濾過体上に残存している有機性固形物にエアを吹き込みながら４０〜６０℃で固体醗酵させると同時に、固体醗酵により生じる熱を可動濾過体下方の培養液に利用させながら液体醗酵させる。この［還元糖期］においても、固体醗酵では主として糖化が行われ、繊維質の部分が崩壊してくるが、可動濾過体の下方では液体醗酵（中温２５〜３５℃）が行われ、主として還元糖が生成する。これら両醗酵は、同時に行われ、個別に醗酵が行われるが、例えば、８時間の固体醗酵と液体醗酵の同時個別醗酵の後、可動濾過体を再度低位置に移動させ、低位置にある可動濾過体上に載置された状態の有機性固形物部分を冷却（中温２５〜３５℃）しながら１６時間程度醗酵する還元糖生成を行う［還元糖期］が好ましい。この醗酵中期である［還元糖期］終了後の液体部分は、還元糖リッチ培養液ということができる。還元糖リッチ培養液には、グルコース、キシロース、アラビノース、フラクトース、ガラクトース等の還元性単糖類、マルトース、ラクトース、セロビオース等の還元性二糖類、還元性オリゴ糖、還元性多糖類やこれらの混合物が含有されている。１日間の［還元糖期］後、可動濾過体を再度低位置に移動させ、低位置にある可動濾過体上に載置された状態の有機性固形物部分を冷却しながら１８〜２３℃で（既に、可動濾過体が低位置に移動している場合は温度を１８〜２３℃に切り換えて）１日間嫌気的に固液混合醗酵させ、エタノールを製造する。微生物製剤の種類を代えることにより、ブタノール等の種々の醗酵生産物を得ることができる。

図２に示される本発明の醗酵装置を用いた還元糖リッチ培養液の調製方法や、エタノールの製造方法を説明する。なお、微生物製剤として、バチルス（Bacillus）属、ラクトバチルス（Lactobacillus）属、ストレプトコッカス（Strptococcus）属、サッカロミセス（Saccharomyces）属、キャンディダ（Candida）属及びピキア（Pichia）属に属する微生物を、パーム油残渣、米糠、珪藻土を含有する醗酵基質に添加し、醗酵させたこれら微生物含有組成物である、日本仁安堂薬健株式会社製「ＢＭＥＳ製剤」を用いた。

［例１］
醗酵材料投入口１０より有機性固形物（トウモロコシの茎）と水とＢＭＥＳ製剤を醗酵タンク１に投入した。温度制御装置により、加熱器５により加熱、或いは冷却器（蛇型冷却管６）により冷却し温度４０℃に設定し、撹拌機８により撹拌し、固体と液体の混合醗酵を２４時間［全糖化期］行った。次に、可動濾過体３を上昇させ、可動濾過体３上方の有機性固形物にエアを供給しながら４０〜６０℃で８時間固形培養を行うと同時に、可動濾過体３の下方（上層液体と下層液体）で液体醗酵を３０℃で８時間［還元糖期］行った。可動濾過体をタンクの上方の最上位置から固定濾過体の直上の最下位置まで再度移動させ、３０℃で１６時間固液混合醗酵を行い、［還元糖期］を終了した。醗酵開始から２日後の醗酵液部分（還元糖リッチ培養液）で、還元糖の種類と含量を測定した。生成した還元性単糖類の構成は、果糖９．１８重量％、アラビノース２６．０８重量％、キシロース１０．５０重量％、グルコース５４．２４重量％であった。また、単糖類と二糖類を合計すると、原料の９．５２重量％となった。［還元糖期］の終了後、還元糖リッチ培養液を２０℃で２４時間醗酵させた［エタノール期］。醗酵後のエタノール濃度は２５．５８重量％という高濃度エタノールが得られた。

［例２］
トウモロコシの茎を用いて、例１と同様に２４時間の［全糖化期］と２４時間の［還元糖期］の醗酵を行った。単糖類と二糖類の合計が原料の６．２９重量％の還元糖リッチ培養液が得られた。この還元糖リッチ培養液を２４時間醗酵させ［エタノール期］、濃度１０．９２重量％のエタノールが得られた。

［例３］
トウモロコシの茎に代えて中国産ソルゴの茎を用いて、例１と同様に２４時間の［全糖化期］と２４時間の［還元糖期］の醗酵を行った。還元糖の含量が２．３重量％の還元糖リッチ培養液が得られた。この還元糖リッチ培養液を２４時間醗酵させ［エタノール期］、濃度１４．７１重量％のエタノールが得られた。

［例４］
トウモロコシの茎に代えて台湾産ソルゴの茎を用いて、例１と同様に２４時間の［全糖化期］と２４時間の［還元糖期］の醗酵を行った。還元糖の含量が８０８．４１ｍｇ／１００ｍｌの還元糖リッチ培養液が得られた。この還元糖リッチ培養液を２４時間醗酵させ［エタノール期］、濃度１７．７３重量％のエタノールが得られた。

本発明の一実施形態に係る、撹拌機が設けられていない横型醗酵タンクの概略縦断面図である。本発明の一実施形態に係る、撹拌機が設けられている円筒状の縦型醗酵タンクの概略縦断面図である。

符号の説明

１醗酵タンク本体
２固定濾過体
３可動濾過体
４エア導入部
５温度計及び／又は加熱器
６蛇型冷却管
７上層液排出口
８撹拌機
９下層液排出口
１０醗酵材料投入口
１１圧力計
１２ガスタンク
１３逆流止弁

Claims

醗酵タンク本体と、該醗酵タンク本体内の下方に設けられた固定濾過体と、該固定濾過体の上方に設けられ、上下動可能な可動濾過体と、醗酵タンク本体上部に設けられたエア導入部と、醗酵タンク本体に設けられた温度制御手段とを備えることを特徴とする醗酵装置。
醗酵タンク本体上部に、分離膜を備えたガス排出部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の醗酵装置。
醗酵タンク本体の内部に撹拌手段を備えた請求項１又は２記載の醗酵装置。
請求項１〜３のいずれか記載の醗酵装置に有機性固形物と微生物製剤を投入し、低位置にある可動濾過体上に載置された有機性固形物を加温水中浸漬状態で固液混合醗酵させ、次いで可動濾過体を培養液上面の上方の高位置に移動させ、高位置にある可動濾過体上に載置された有機性固形物にエアを吹き込みながら固体醗酵させると同時に、固体醗酵により生じる熱を可動濾過体下方の培養液に利用させながら液体醗酵させることを特徴とする還元糖リッチ培養液の調製方法。
請求項１〜３のいずれか記載の醗酵装置に有機性固形物と微生物製剤を投入し、低位置にある可動濾過体上に載置された有機性固形物を加温水中浸漬状態で固液混合醗酵させ、次いで可動濾過体を培養液上面の上方の高位置に移動させ、高位置にある可動濾過体上に載置された有機性固形物にエアを吹き込みながら固体醗酵させると同時に、固体醗酵により生じる熱を可動濾過体下方の培養液に利用させながら液体醗酵させた後、可動濾過体を再度低位置に移動させ、低位置にある可動濾過体上に載置された有機性固形物を冷却しながら固液混合醗酵させることを特徴とするエタノールの製造方法。