JP3769734B2 - 砂糖及び有用物質を製造する方法 - Google Patents
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Description
本発明はサトウキビから砂糖及び廃糖蜜を原料とするアルコール、プラスチック等を製造する方法に関する。
植物由来の燃料用エタノールは炭酸ガス増加を防ぐガソリン代替液体燃料として期待されている。植物由来のエタノールの製造に関して、従来からサトウキビを原料とする製造方法が知られている（図１）。この方法では、搾り粕を燃焼して得られるエネルギーから、エタノール製造で必要とされるほぼすべてのエネルギーを得ることができるという利点を有している。しかしながら、サトウキビをエタノール原料とした場合、砂糖生産と競合するため、現在の耕作面積でエタノールを作ると、食糧である砂糖生成量の減量を招くという問題がある。
一般に、サトウキビからの砂糖（粗糖）の製造は図２に示す方法で生成される。ここで、砂糖の製造工程で副生される廃糖蜜を用いてエタノールを製造する方法も提案されている（図３）。この方法では、通常繊維分含量が１０〜１２質量％程度のサトウキビを使用し、砂糖を製造しつつ、搾り粕を燃焼させて砂糖及びエタノール製造に必要なエネルギーを補っている。従って、上記の砂糖の減量という問題は解消されるが、搾り粕を燃焼して得られるエネルギーが少なく、これでは砂糖製造工程等で消費されるエネルギーを賄うことはできず、エネルギーの不足分を電力又は重油から得られるエネルギーで補う必要がある。さらに、廃糖蜜が少ないために得られるエタノール量も少ない。
一般に、サトウキビからの砂糖（粗糖）の製造は図２に示す方法で生成される。ここで、砂糖の製造工程で副生される廃糖蜜を用いてエタノールを製造する方法も提案されている（図３）。この方法では、通常繊維分含量が１０〜１２質量％程度のサトウキビを使用し、砂糖を製造しつつ、搾り粕を燃焼させて砂糖及びエタノール製造に必要なエネルギーを補っている。従って、上記の砂糖の減量という問題は解消されるが、搾り粕を燃焼して得られるエネルギーが少なく、これでは砂糖製造工程等で消費されるエネルギーを賄うことはできず、エネルギーの不足分を電力又は重油から得られるエネルギーで補う必要がある。さらに、廃糖蜜が少ないために得られるエタノール量も少ない。
従って、本発明は砂糖の減量を招くことなく、製造されるエタノール量を増大し、サトウキビからの砂糖及びエタノールの製造において排出される搾り粕を燃焼して得られるエネルギーにより、前記砂糖及びエタノールの製造工程等で消費されるエネルギーのほぼすべてを賄うことができる、サトウキビから砂糖及びエタノールを製造する方法を提供することを目的とする。
上記問題点に関して、本発明者らが鋭意検討した結果、サトウキビとして、特にサトウキビの庶茎部に１５質量％以上の繊維分を含有するサトウキビを用いて製造方法を最適化することにより、砂糖生産及びエタノール生産を両立し、エネルギー的にも効率よく製造できることがわかった。本発明は、上記知見に基づいて完成されたものである。
すなわち、本発明は、
（a）サトウキビから搾汁及び搾り粕を生成する工程と、
（b）前記搾汁から砂糖及び廃糖蜜を生成する工程と、
（c）工程（a）及び（b）より得られる搾汁、廃糖蜜及び搾り粕を原料とするエネルギー及び有用物質を生産する工程とを含むサトウキビから砂糖及び有用物質を製造する方法であって、
前記サトウキビの庶茎部に１５質量％以上の繊維分を含有し、かつ、単位面積当たりの乾物収量が４０ｔ／ｈａ／ｙｅａｒ以上であり、
前記搾り粕を燃焼して得られるエネルギーから前記製造方法のすべての工程で必要とされるエネルギーの９０％以上を得ることを特徴とする前記方法を提供する。
すなわち、本発明は、
（a）サトウキビから搾汁及び搾り粕を生成する工程と、
（b）前記搾汁から砂糖及び廃糖蜜を生成する工程と、
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前記サトウキビの庶茎部に１５質量％以上の繊維分を含有し、かつ、単位面積当たりの乾物収量が４０ｔ／ｈａ／ｙｅａｒ以上であり、
前記搾り粕を燃焼して得られるエネルギーから前記製造方法のすべての工程で必要とされるエネルギーの９０％以上を得ることを特徴とする前記方法を提供する。
本発明の製造方法は、搾り粕を燃焼して得られるエネルギーから、本発明の製造工程のすべての工程で必要とされるほとんどのエネルギーを得ることができる。
また、砂糖生産量の減量を招くことなく有用物質、例えばエタノールを製造することができる。
サトウキビ原料から砂糖とエタノールとを単一のシステムで製造するために、砂糖及びエタノールをエネルギー的に効率よく製造することができる。
砂糖の結晶化回数を減らすことができるため、メイラード反応生成物の生成を低減することができ、その結果、着色を防止し、発酵阻害物質（フルフラール等）の生成を低減することができる。また、砂糖の結晶化回数を減らすことにより、従来廃糖蜜の発酵原料用途としての問題である糖に対する塩濃度の濃縮（特開昭７−５９１８７号公報に記載される問題点）も低減でき、耐塩性を持たない発酵性微生物でも利用できるようになる。
また、砂糖生産量の減量を招くことなく有用物質、例えばエタノールを製造することができる。
サトウキビ原料から砂糖とエタノールとを単一のシステムで製造するために、砂糖及びエタノールをエネルギー的に効率よく製造することができる。
砂糖の結晶化回数を減らすことができるため、メイラード反応生成物の生成を低減することができ、その結果、着色を防止し、発酵阻害物質（フルフラール等）の生成を低減することができる。また、砂糖の結晶化回数を減らすことにより、従来廃糖蜜の発酵原料用途としての問題である糖に対する塩濃度の濃縮（特開昭７−５９１８７号公報に記載される問題点）も低減でき、耐塩性を持たない発酵性微生物でも利用できるようになる。
本発明の砂糖及びエタノールを製造する方法は、
（a）サトウキビから搾汁及び搾り粕を生成する工程と、
（b）前記搾汁から砂糖及び廃糖蜜を生成する工程と、
（c）工程（a）及び（b）より得られる搾汁、廃糖蜜及び搾り粕を原料とするエネルギー及び有用物質を生産する工程とを含む。
サトウキビから搾汁及び搾り粕を準備する工程は、当業者に公知の方法、例えば圧搾工程により行うことができる。具体的には、刈り取ったサトウキビの蔗茎部をカッターで１５〜３０ｃｍに切断し、シュレッダーで細かく砕き、ミルロールで糖汁を搾り出す。搾出率をよくするために最終ロールに注水して９５〜９７％の糖分を搾り出す。次いで、ジュースヒーターで８０〜１００℃に加熱し、石灰混和槽において、石灰を添加して不純物を石灰塩として沈殿させ、上澄液を蒸発濃縮する。得られる搾汁は、主にスクロース、グルコース等を含む。また、搾り粕は、主にセルロース、ヘミセルロース、リグニン等を含む。
（a）サトウキビから搾汁及び搾り粕を生成する工程と、
（b）前記搾汁から砂糖及び廃糖蜜を生成する工程と、
（c）工程（a）及び（b）より得られる搾汁、廃糖蜜及び搾り粕を原料とするエネルギー及び有用物質を生産する工程とを含む。
サトウキビから搾汁及び搾り粕を準備する工程は、当業者に公知の方法、例えば圧搾工程により行うことができる。具体的には、刈り取ったサトウキビの蔗茎部をカッターで１５〜３０ｃｍに切断し、シュレッダーで細かく砕き、ミルロールで糖汁を搾り出す。搾出率をよくするために最終ロールに注水して９５〜９７％の糖分を搾り出す。次いで、ジュースヒーターで８０〜１００℃に加熱し、石灰混和槽において、石灰を添加して不純物を石灰塩として沈殿させ、上澄液を蒸発濃縮する。得られる搾汁は、主にスクロース、グルコース等を含む。また、搾り粕は、主にセルロース、ヘミセルロース、リグニン等を含む。
本明細書において「サトウキビ」とは、一般にイネ科（Gramineae）、キビ亜科（Panicoideae）、オガルカヤ族（Andropogoneae）、サトウキビ属（Saccharum L.）に属する多年生草本でSaccharum spontaneum L.、Saccharum officinarum L.、Saccharum robustum Jeswiet、Saccharum Barberi Jeswiet、Saccharum sinense Roxb.、Saccharum eduleの６種と、それら相互の種間雑種を言うが、さらに近縁属植物（Miscanthus属、Sorghum属、Erianthus属、Ripidium属等）との属間雑種で、可製糖（スクロース）を５％以上含有しているものを含む。なお、種間雑種、属間雑種はSaccharum hybrids と総称されている。本発明の製造方法で使用されるサトウキビは、サトウキビ属植物間の種間交雑、サトウキビ属植物と近縁属植物（Sorghum属、Miscanthus属、Erianthus属、Ripidium属等）との属間交雑、及びそれらの３系交雑によって作出された雑種のうち、温帯地域の畑地においてサトウキビの通常株出栽培法に従って１年間栽培した時に、サトウキビの庶茎部の繊維分含有量が１５質量％以上のものであり、好ましくは２０〜２５質量％のものである。繊維分含有量が１５質量％以上の場合には、上記搾り粕を燃焼して得られるエネルギー量から、本発明の製造方法のすべての工程で必要とされるエネルギーの９０％以上を得ることができる。本発明の製造方法のすべての工程で必要とされるエネルギーの９５％以上を得ることがより好ましく、特に１００％を得るのがより好ましい。
ここで、サトウキビの庶茎部の繊維分含有量の測定は製糖化学便覧（日本分蜜糖工業会）に記載されている方法に準拠して行うことができる。例えば、以下の手順で繊維分含有量を測定できる。
（1） サトウキビ（測定に用いるサンプル）の庶茎部１０本をシュレッダーで細断する。
（2） 細断したサンプルから５００ｇを計りとる。
（3） 油圧プレスで５００ｇの上記サンプルを搾汁する。
（4） 残差の質量（搾汁バガス重）を測定し、布袋に入れて乾燥機で乾燥させる。
（5） ９０℃で４８時間以上乾燥させた後、乾燥後のバガス質量(乾燥バガス重)を測定する。
（6） 下記式からバガス繊維重を算出する。
バガス繊維重＝乾燥バガス重−(搾汁バガス重−乾燥バガス重)×搾汁／(１００−搾汁)
（7） 次いで、下記式から繊維分含有量を算出する。
繊維分含有量＝バガス繊維重／５００ｇ×１００
（1） サトウキビ（測定に用いるサンプル）の庶茎部１０本をシュレッダーで細断する。
（2） 細断したサンプルから５００ｇを計りとる。
（3） 油圧プレスで５００ｇの上記サンプルを搾汁する。
（4） 残差の質量（搾汁バガス重）を測定し、布袋に入れて乾燥機で乾燥させる。
（5） ９０℃で４８時間以上乾燥させた後、乾燥後のバガス質量(乾燥バガス重)を測定する。
（6） 下記式からバガス繊維重を算出する。
バガス繊維重＝乾燥バガス重−(搾汁バガス重−乾燥バガス重)×搾汁／(１００−搾汁)
（7） 次いで、下記式から繊維分含有量を算出する。
繊維分含有量＝バガス繊維重／５００ｇ×１００
さらに、本発明の製造方法で使用されるサトウキビは、単位面積当たりの乾物収量が４０ｔ／ｈａ／ｙｅａｒ以上の多収性品種である。このような収量であれば、製造される砂糖の減量を招くことはない。さらに砂糖及び有用物質、特にアルコールやプラスチックを効率よく製造するためには、単位面積当たりの乾物収量が６５ｔ／ｈａ／ｙｅａｒ以上であることが好ましく、８０ｔ／ｈａ／ｙｅａｒ以上であることがさらに好ましい。サトウキビの単位面積当たりの乾物収量は、例えば、以下の手順で測定できる。
（1） 収穫したサトウキビの茎の中から生育が中庸なサンプル５本を選ぶ（できるだけ枯れ葉を落とさないようにサンプリングしてくる）。
（2） 選んだ５本の茎すべての生重を枯れ葉や梢頭部をつけた状態で測定する。
（3） 生重を測定した５本の茎をネットに詰めて、乾燥機で乾燥させる（時間はものによって変わってくるが、茎は乾燥しにくいので、搾り粕を乾燥させるよりも時間がかかる）。
（4） 乾燥後、５本の茎の乾燥質量を測定する。
（5） 下記式から乾物率を算出する。
乾物率＝５本の茎の乾燥質量／５本の茎の生重×１００
（6） 単位面積当たりの収穫した全体の生重（枯れ葉、梢頭部含む）に乾物率を乗じて、単位面積当たりの乾物量を得る。
（1） 収穫したサトウキビの茎の中から生育が中庸なサンプル５本を選ぶ（できるだけ枯れ葉を落とさないようにサンプリングしてくる）。
（2） 選んだ５本の茎すべての生重を枯れ葉や梢頭部をつけた状態で測定する。
（3） 生重を測定した５本の茎をネットに詰めて、乾燥機で乾燥させる（時間はものによって変わってくるが、茎は乾燥しにくいので、搾り粕を乾燥させるよりも時間がかかる）。
（4） 乾燥後、５本の茎の乾燥質量を測定する。
（5） 下記式から乾物率を算出する。
乾物率＝５本の茎の乾燥質量／５本の茎の生重×１００
（6） 単位面積当たりの収穫した全体の生重（枯れ葉、梢頭部含む）に乾物率を乗じて、単位面積当たりの乾物量を得る。
本発明の製造方法で使用される上記サトウキビとしては、例えば本発明者らが育種・開発したサトウキビである９５ＧＡ−２７、Ｓ８−４２、ＫＲＳｐ９３−２１及びＫＲＳｐ９３−３０（杉本明、熱帯農業，４６，Extra Issue 2，ｐ４９−５０（２００２））、Ｓ３−３２、Ｓ３−１０、ＳＹ４８０、ＳＹ４３５、ＳＹ４７８及び９７Ｓ−１３３（杉本明、熱帯農業，４５，Extra Issue 2，ｐ５７−５８（２００１））、及びＳ３−３１（杉本明、熱帯農業，４５，Extra Issue 2，ｐ５９−６０（２００１））等が挙げられる。これらのサトウキビの繊維分含量及び乾物収量を表１に示す。なお、表１には比較としてサトウキビの普及品種の平均値及び従来種（ＮＣｏ３１０）についてのデータも併せて示す。
2) 約９ヶ月栽培、反復なし（杉本明、熱帯農業，４５，Extra Issue 2，ｐ５７−５８（２００１））。
3) １２ヶ月栽培、反復なし（杉本明、熱帯農業，４５，Extra Issue 2，ｐ５７−５８（２００１））。
4) 約１５０日栽培、反復なし（杉本明、熱帯農業，４５，Extra Issue 2，ｐ５９−６０（２００１））。
従来、砂糖製造に適したサトウキビとして奨励される品種は、蔗糖（スクロース）含量が多く、繊維分含量が少ない品種であった。しかしながら、本発明の製造方法においては、逆に砂糖製造には奨励されない繊維分含量の多い品種を原料として使用することによって、砂糖及び有用物質、特にアルコールやプラスチックの製造工程で必要とされるほぼすべてのエネルギーを繊維分から得ることができることを特徴としている。さらに、乾物収量の多い品種を原料として使用することで、砂糖生産量及び有用物質、特にアルコールやプラスチックの生産量を高めることができ、従って、本発明の製造方法は、砂糖及び有用物質、特にアルコールやプラスチックの生産性の向上と省エネルギーとを達成し、当該関連産業の発達に資する技術である。従来、我が国で品種として認められているサトウキビは、砂糖原料となる蔗糖（スクロース）の含量が高く、生産性向上の為に、蔗茎部の繊維分含量が低い品種が多い。品種改良により作られた遺伝資源の中には、全体収量は多いが、蔗糖含量が少なく、繊維分含量が多いものがある。これらの中には、上記理由により、未だ品種として認められていないものがある。上記のような品種として未登録なサトウキビ遺伝資源を本システムで用いれば、生成搾り粕が多いため、製造工程で必要なエネルギーのすべてを搾り粕を燃焼して得ることができ、また全体収量増により蔗糖含量の少なさがカバーできる。本システムで用いるサトウキビとしては、蔗茎部の可製糖（スクロース）が７質量％以上、かつ、全糖として１０質量％以上含有しているものが好ましい。
前記搾汁から砂糖及び廃糖蜜を生成する工程は、当業者に公知の方法で、例えば砂糖を結晶化することにより行うことができる。具体的には、前記搾汁を少量ずつ（０．５〜１ｋｌ）吸引減圧下で加熱濃縮を繰り返し、一定の大きさ以上の砂糖結晶を取り出す。遠心分離機で砂糖結晶と廃糖蜜とに分離する。本発明の粗糖及び廃糖蜜の製造方法の１つの例の製造フローを図４に示す。
前記砂糖の結晶化は２回以下であるのが好ましい。図５に示すように、砂糖の結晶化においては、回数を経ることによって得られる砂糖の量が減少し、エネルギー的にも効率が低下する。本発明においては、上述した特定のサトウキビを用いることによって、２回以下の砂糖の結晶化であっても製造される砂糖の減量を招くことなく、効率的にエタノールを製造することができる。さらに、結晶化回数に比例して増加するエタノール発酵阻害物質の抑制を図ることができる。本発明においては、前記砂糖の結晶化は１回とするのが好ましい。
前記砂糖の結晶化は２回以下であるのが好ましい。図５に示すように、砂糖の結晶化においては、回数を経ることによって得られる砂糖の量が減少し、エネルギー的にも効率が低下する。本発明においては、上述した特定のサトウキビを用いることによって、２回以下の砂糖の結晶化であっても製造される砂糖の減量を招くことなく、効率的にエタノールを製造することができる。さらに、結晶化回数に比例して増加するエタノール発酵阻害物質の抑制を図ることができる。本発明においては、前記砂糖の結晶化は１回とするのが好ましい。
上記工程（a）及び（b）より得られる搾汁、廃糖蜜及び搾り粕を原料とするエネルギー及び有用物質を生産する工程は、当業者に公知の方法で行うことができる。ここで有用物質とは、糖質及び植物性セルロース分を原料とする燃料及び物質をいい、例えば、メタノール、エタノール、ブタノール等のアルコール、メタン、水素等の可燃性ガス、ポリ乳酸、ポリヒドロキシアルカノエート等の糖質を原料とする生分解性プラスチック及びアミノ酸、蛋白質等の微生物産生の機能性物質等が挙げられる。本発明の１つの実施態様において、前記廃糖蜜からエタノールを生成する工程は、当業者に公知の方法で行うことができる。エタノール製造方法としては、廃糖蜜に酵母などの発酵性微生物を作用させてエタノールを生産させる方法がよく行われている。また発酵方法については、発酵微生物と廃糖蜜を所定の割合で添加し発酵させる回分式、発酵性微生物を固定化後、廃糖蜜を連続供給し発酵させる連続式などある。さらに、生成したエタノールを精製分離する方法として、蒸留法、膜分離法が知られている。
例えば下記のような方法で行うことができる（図６及び７）。
１）発酵性微生物：日本醸造協会酵母、例えば協会７号（Saccharomyces cerevisiae）。
２）発酵方法：アルギン酸カルシウムゲルに酵母を固定化し、発酵温度10〜20℃で行う。生成したエタノールは蒸留および膜分離処理により分離精製する。
３）培養液：廃糖蜜を糖濃度20％になるように希釈調整して用いる。
本発明の砂糖及びエタノールの製造方法の１つの例の概略を図８に示す。
例えば下記のような方法で行うことができる（図６及び７）。
１）発酵性微生物：日本醸造協会酵母、例えば協会７号（Saccharomyces cerevisiae）。
２）発酵方法：アルギン酸カルシウムゲルに酵母を固定化し、発酵温度10〜20℃で行う。生成したエタノールは蒸留および膜分離処理により分離精製する。
３）培養液：廃糖蜜を糖濃度20％になるように希釈調整して用いる。
本発明の砂糖及びエタノールの製造方法の１つの例の概略を図８に示す。
なお、工程のエネルギーを生成するために必要な搾り粕の量を超えて発生した余剰搾り粕については、当業者に公知な方法を用いて糖化することで、新たな発酵原料とすることができる。
搾り粕の糖化工程は、例えば酸による加水分解、セルラーゼ等の酵素による糖化、高温高圧水による加水分解等により行うことができる。具体的には、酸加水分解では、搾り粕を塩酸、硫酸等の酸に浸漬させて、搾り粕の主成分であるセルロースのグルコシド結合を開裂させることによりグルコースを得る。使用した酸は回収・再利用する。セルラーゼによる酵素糖化では、例えば搾り粕を粉砕し、アルカリ処理等により前処理した後、セルラーゼを作用させて搾り粕の主成分であるセルロースをグルコースに変換する。高温高圧水による加水分解では、例えば300℃以上の亜臨界、超臨界状態の高温高圧の水中に搾り粕を導入し、搾り粕の主成分であるセルロースを分解し、グルコースを得る。
搾り粕の糖化工程は、例えば酸による加水分解、セルラーゼ等の酵素による糖化、高温高圧水による加水分解等により行うことができる。具体的には、酸加水分解では、搾り粕を塩酸、硫酸等の酸に浸漬させて、搾り粕の主成分であるセルロースのグルコシド結合を開裂させることによりグルコースを得る。使用した酸は回収・再利用する。セルラーゼによる酵素糖化では、例えば搾り粕を粉砕し、アルカリ処理等により前処理した後、セルラーゼを作用させて搾り粕の主成分であるセルロースをグルコースに変換する。高温高圧水による加水分解では、例えば300℃以上の亜臨界、超臨界状態の高温高圧の水中に搾り粕を導入し、搾り粕の主成分であるセルロースを分解し、グルコースを得る。
実施例１：砂糖及びエタノールの製造
（圧搾工程）
刈り取ったサトウキビ（９７Ｓ−１３３）の蔗茎部をカッター（ナイフ１３〜７２枚、３７５〜６７５ｒｐｍ）で１５〜３０ｃｍに切断し、シュレッダーで細裂化する。細裂化されたサトウキビを３本１組の４重（１２本）又は５重（１５本）のミルロールで圧搾し、糖汁を搾り出す。搾出率をよくするために最終ロールに注水して９５〜９７％の糖分を搾り出す。搾汁の糖度はＢｘ１３〜１５である。次いで、ジュースヒーターで糖汁を８０〜１００℃に加熱し（加熱面積４ｍ2）、石灰混和槽において、灰を添加して（ｐＨ７．６〜８．０、０．０７％ＣａＯ（対サトウキビ））、不純物を石灰塩として沈殿させ（上澄液は濃縮工程に送る）、オリバーフィルタ（回転数６ｒｐｍ、ケーキ量２〜４％（対サトウキビ）、水洗量：ケーキの１５０％、ケーキの糖分：０．８〜１．７％）で濾過して濾液を濃縮工程に送る。上澄液及び濾液を四重効用缶で、減圧化で連続的に蒸発濃縮を行い、搾汁を得る（Ｂｘ６０）。
（結晶化工程）
砂糖晶析缶において、濃縮工程で得られた搾汁を少量ずつ（０．５〜１ｋｌ）吸引減圧下で加熱濃縮を繰り返し、一定の大きさの砂糖結晶を取り出す（Ｂｘ９２〜９３）。次いで、遠心分離機で一定量ずつ（２００〜４００リットル）砂糖結晶と廃糖蜜とに分離する（１２００〜１５００ｒｐｍ、５〜１０分間サイクル、下網８メッシュ上網０．３５）。
（エタノール製造工程）
純粋分離した酵母菌株（日本醸造協会９号酵母）を前培養培地１（グルコース２．０％（ｗ／ｖ）、Yeast Nitrogen Base（ｗ／ｏ：ＡＡ−ＡＳ）０．１７％（ｗ／ｖ）、硫酸アンモニウム０．５％（ｗ／ｖ））を含む試験管に植菌し、３０℃で１２時間振盪培養した（１２５ｒｐｍ）。次に、前培養培地２（グルコース２．０％（ｗ／ｖ）、Yeast Extract１．０％（ｗ／ｖ）、Bacto Peptone２．０％（ｗ／ｖ））を含む坂口フラスコ（容量５００ｍｌ）に２×１０6ｃｅｌｌ／ｍｌとなるように酵母を植菌し、３０℃で６時間振盪培養し（１２５ｒｐｍ）、対数増殖期（４世代増殖後）の酵母を発酵用として採取した。
得られた酵母を２×１０7ｃｅｌｌ／ｍｌとなるように植菌して三角フラスコ中の５００ｍｌ発酵用培地に移し、３０℃でエタノール発酵させた。結晶化工程で分離された廃糖蜜を糖濃度１０％（ｗ／ｖ）となるように調整し、発酵用培地とした。嫌気条件下で３日間静置し、発酵させた。発酵終了後は、発酵液を０．４５μｍ孔径のメンブランフィルターで濾過した後、ガスクロマトグラフ法によりエタノール濃度を測定した。エタノール４．５％（ｗ／ｖ）の発酵液が得られた。
（圧搾工程）
刈り取ったサトウキビ（９７Ｓ−１３３）の蔗茎部をカッター（ナイフ１３〜７２枚、３７５〜６７５ｒｐｍ）で１５〜３０ｃｍに切断し、シュレッダーで細裂化する。細裂化されたサトウキビを３本１組の４重（１２本）又は５重（１５本）のミルロールで圧搾し、糖汁を搾り出す。搾出率をよくするために最終ロールに注水して９５〜９７％の糖分を搾り出す。搾汁の糖度はＢｘ１３〜１５である。次いで、ジュースヒーターで糖汁を８０〜１００℃に加熱し（加熱面積４ｍ2）、石灰混和槽において、灰を添加して（ｐＨ７．６〜８．０、０．０７％ＣａＯ（対サトウキビ））、不純物を石灰塩として沈殿させ（上澄液は濃縮工程に送る）、オリバーフィルタ（回転数６ｒｐｍ、ケーキ量２〜４％（対サトウキビ）、水洗量：ケーキの１５０％、ケーキの糖分：０．８〜１．７％）で濾過して濾液を濃縮工程に送る。上澄液及び濾液を四重効用缶で、減圧化で連続的に蒸発濃縮を行い、搾汁を得る（Ｂｘ６０）。
（結晶化工程）
砂糖晶析缶において、濃縮工程で得られた搾汁を少量ずつ（０．５〜１ｋｌ）吸引減圧下で加熱濃縮を繰り返し、一定の大きさの砂糖結晶を取り出す（Ｂｘ９２〜９３）。次いで、遠心分離機で一定量ずつ（２００〜４００リットル）砂糖結晶と廃糖蜜とに分離する（１２００〜１５００ｒｐｍ、５〜１０分間サイクル、下網８メッシュ上網０．３５）。
（エタノール製造工程）
純粋分離した酵母菌株（日本醸造協会９号酵母）を前培養培地１（グルコース２．０％（ｗ／ｖ）、Yeast Nitrogen Base（ｗ／ｏ：ＡＡ−ＡＳ）０．１７％（ｗ／ｖ）、硫酸アンモニウム０．５％（ｗ／ｖ））を含む試験管に植菌し、３０℃で１２時間振盪培養した（１２５ｒｐｍ）。次に、前培養培地２（グルコース２．０％（ｗ／ｖ）、Yeast Extract１．０％（ｗ／ｖ）、Bacto Peptone２．０％（ｗ／ｖ））を含む坂口フラスコ（容量５００ｍｌ）に２×１０6ｃｅｌｌ／ｍｌとなるように酵母を植菌し、３０℃で６時間振盪培養し（１２５ｒｐｍ）、対数増殖期（４世代増殖後）の酵母を発酵用として採取した。
得られた酵母を２×１０7ｃｅｌｌ／ｍｌとなるように植菌して三角フラスコ中の５００ｍｌ発酵用培地に移し、３０℃でエタノール発酵させた。結晶化工程で分離された廃糖蜜を糖濃度１０％（ｗ／ｖ）となるように調整し、発酵用培地とした。嫌気条件下で３日間静置し、発酵させた。発酵終了後は、発酵液を０．４５μｍ孔径のメンブランフィルターで濾過した後、ガスクロマトグラフ法によりエタノール濃度を測定した。エタノール４．５％（ｗ／ｖ）の発酵液が得られた。
実施例２：多収性サトウキビ９５ＧＡ−２７と従来種（サトウキビ普及品種）から得られる生成物量及びエネルギー計算
多収性サトウキビ９５ＧＡ−２７と従来種（サトウキビ普及品種）から得られる粗糖及びエタノール生産量及びエネルギー生産量を結晶化回数を変えて計算した。実施例１〜３は得られるバガスを全量燃焼した場合であり、実施例４〜６は必要なエネルギー分だけバガスを燃焼し、残りのバガスは糖化後エタノール生産に使用した場合であり、比較例１〜３は得られるバガスを全量燃焼した場合である。計算結果を表４に示す。
なお、それぞれの値は以下のようにして計算した。
（１）粗糖、エタノール及びバガス生産量
表２に示したデータを用いて、下記式に従って、粗糖、エタノール及びバガス生産量を計算した。
多収性サトウキビ９５ＧＡ−２７と従来種（サトウキビ普及品種）から得られる粗糖及びエタノール生産量及びエネルギー生産量を結晶化回数を変えて計算した。実施例１〜３は得られるバガスを全量燃焼した場合であり、実施例４〜６は必要なエネルギー分だけバガスを燃焼し、残りのバガスは糖化後エタノール生産に使用した場合であり、比較例１〜３は得られるバガスを全量燃焼した場合である。計算結果を表４に示す。
なお、それぞれの値は以下のようにして計算した。
（１）粗糖、エタノール及びバガス生産量
表２に示したデータを用いて、下記式に従って、粗糖、エタノール及びバガス生産量を計算した。
（２）バガスの燃焼エネルギー
バガスの燃焼エネルギーは図９に示す理論的考察に基づいて計算した。得られたバガスの燃焼エネルギーは、蒸気量に関して、バガス１トン当たり１．８５トンであり、発電量に関して、バガス１トン当たり７４ｋＷｈである。
（３）粗糖製造に必要なエネルギー
粗糖製造に必要な蒸気量は、「平成１３／１４年期 さとうきび及び甘しゃ糖生産実績」（沖縄県農林水産部）の８０ページの表のバガスと重油の燃料消費量から上記バガスの燃焼エネルギーの考察に基づいて、原料１トン当たりの蒸気量として求めた。また、粗糖製造に必要な発電量は、「原料糖製造法」（山根獄雄著、精糖技術研究会発行）の４３ページに記載のデータに基づいて決定した。さらに、結晶化回数を１回及び２回に減らしたときの蒸気量及び発電量を、「原料糖製造法」（山根獄雄著、精糖技術研究会発行）の４１〜４３ページの表２・１及び表２・３に示すデータに基づいて計算した。すなわち、結晶化に関係する「煎糖、助晶、分蜜」の部分のエネルギーを３分割して回数によって配分して計算した。得られた粗糖製造に必要な蒸気量及び発電量を表３に示す。
バガスの燃焼エネルギーは図９に示す理論的考察に基づいて計算した。得られたバガスの燃焼エネルギーは、蒸気量に関して、バガス１トン当たり１．８５トンであり、発電量に関して、バガス１トン当たり７４ｋＷｈである。
（３）粗糖製造に必要なエネルギー
粗糖製造に必要な蒸気量は、「平成１３／１４年期 さとうきび及び甘しゃ糖生産実績」（沖縄県農林水産部）の８０ページの表のバガスと重油の燃料消費量から上記バガスの燃焼エネルギーの考察に基づいて、原料１トン当たりの蒸気量として求めた。また、粗糖製造に必要な発電量は、「原料糖製造法」（山根獄雄著、精糖技術研究会発行）の４３ページに記載のデータに基づいて決定した。さらに、結晶化回数を１回及び２回に減らしたときの蒸気量及び発電量を、「原料糖製造法」（山根獄雄著、精糖技術研究会発行）の４１〜４３ページの表２・１及び表２・３に示すデータに基づいて計算した。すなわち、結晶化に関係する「煎糖、助晶、分蜜」の部分のエネルギーを３分割して回数によって配分して計算した。得られた粗糖製造に必要な蒸気量及び発電量を表３に示す。
（４）エタノール製造に必要なエネルギー
エタノール製造に必要な蒸気量及び発電量は、精糖産業の副産物−産業利用への導入−（日本分蜜糖工業会編）の２６２ページの表１１に示される製造データＢ、Ｃ及びＤの平均から求めた。得られたエネルギーは、蒸気量に関して、エタノール１ｋＬ当たり５．３８トンであり、発電量に関して、エタノール１ｋＬ当たり１２０ｋＷｈである。
エタノール製造に必要な蒸気量及び発電量は、精糖産業の副産物−産業利用への導入−（日本分蜜糖工業会編）の２６２ページの表１１に示される製造データＢ、Ｃ及びＤの平均から求めた。得られたエネルギーは、蒸気量に関して、エタノール１ｋＬ当たり５．３８トンであり、発電量に関して、エタノール１ｋＬ当たり１２０ｋＷｈである。
表４から分かるように、本発明の方法を用いることで、従来法に比べエタノール生産量が大きく増加しており、さらに従来法では、バガスの燃焼エネルギーから粗糖製造及びエタノール製造に必要なエネルギーのすべてを得ることはできなかったが、本発明の方法を用いることで、バガスの燃焼エネルギーから粗糖製造及びエタノール製造に必要な蒸気量及び発電量のすべてを得ることができる。
実施例３：多収性サトウキビ９５ＧＡ−２７を用いた粗糖及び廃糖蜜の製造（ラボスケール）
（１）サトウキビの圧搾・搾汁の清澄化
収穫後のサトウキビ（９５ＧＡ−２７）の蔗茎部約３ｋｇをシュレッダーで裁断後、４重ミルロールで圧搾し、搾汁２Ｌ（糖度Ｂｘ＝１５．２）を得た。搾汁を３Ｌ三角フラスコに移し、ウォーターバスにて７０℃まで加熱した後、１．００ｇ（搾汁重量に対して０．０５％）のＣａ（ＯＨ）2を添加して３０分間攪拌することにより不純物を沈殿させた。次いで、アングルロータ型遠心分離機にて８０００ｒｐｍで１０分間遠心分離し、上澄みの清澄化搾汁と沈殿物を分離した。
（２）清澄化搾汁の濃縮・結晶化
上記で得られた清澄化搾汁を３Ｌ容のロータリーエバポレーターにてフラスコ内温５０℃の吸引減圧下（７０〜１１０ｍｍＨｇ）で約４時間濃縮し（蒸発水分量１７００ｍＬ）、約３００ｍＬの濃縮シラップ（Ｂｘ＝８０．０）を得た。
（３）濃縮シラップの結晶化
濃縮シラップに、種結晶として市販グラニュー糖（粒径２５０〜５００μｍ）５０ｇを添加し、フラスコ内温５０℃の吸引減圧下（１２０ｍｍＨｇ）で約４時間結晶化させた。
（４）粗糖と糖蜜の分離
上記で結晶化させた糖及び糖蜜の混合物を、５０〜１００μｍメッシュの濾布を用いた有孔壁型遠心分離機にて３０００ｒｐｍ２０分間遠心分離し、結晶化糖（一番糖）と糖蜜（一番蜜）に分離した。回収した一番糖は一晩乾燥・放冷後、秤量し、種結晶添加量を差し引いて収量とした。
（５）糖蜜の再結晶化
上記で得られた糖蜜（一番蜜）に注水し、Ｂｘ＝８０に合わせた後 （３）及び（４）の作業を繰り返して二番糖及び二番蜜を得た。更にもう一度注水した後（３）及び（４）の作業を繰り返して三番糖及び三番蜜（廃糖蜜）を得た。結晶化回数と粗糖収率の関係を図１０に示す。
図１０から明らかなように、粗糖収率は一番糖で約７０％であり、一番糖と二番糖を合わせると約９０％となる。
（１）サトウキビの圧搾・搾汁の清澄化
収穫後のサトウキビ（９５ＧＡ−２７）の蔗茎部約３ｋｇをシュレッダーで裁断後、４重ミルロールで圧搾し、搾汁２Ｌ（糖度Ｂｘ＝１５．２）を得た。搾汁を３Ｌ三角フラスコに移し、ウォーターバスにて７０℃まで加熱した後、１．００ｇ（搾汁重量に対して０．０５％）のＣａ（ＯＨ）2を添加して３０分間攪拌することにより不純物を沈殿させた。次いで、アングルロータ型遠心分離機にて８０００ｒｐｍで１０分間遠心分離し、上澄みの清澄化搾汁と沈殿物を分離した。
（２）清澄化搾汁の濃縮・結晶化
上記で得られた清澄化搾汁を３Ｌ容のロータリーエバポレーターにてフラスコ内温５０℃の吸引減圧下（７０〜１１０ｍｍＨｇ）で約４時間濃縮し（蒸発水分量１７００ｍＬ）、約３００ｍＬの濃縮シラップ（Ｂｘ＝８０．０）を得た。
（３）濃縮シラップの結晶化
濃縮シラップに、種結晶として市販グラニュー糖（粒径２５０〜５００μｍ）５０ｇを添加し、フラスコ内温５０℃の吸引減圧下（１２０ｍｍＨｇ）で約４時間結晶化させた。
（４）粗糖と糖蜜の分離
上記で結晶化させた糖及び糖蜜の混合物を、５０〜１００μｍメッシュの濾布を用いた有孔壁型遠心分離機にて３０００ｒｐｍ２０分間遠心分離し、結晶化糖（一番糖）と糖蜜（一番蜜）に分離した。回収した一番糖は一晩乾燥・放冷後、秤量し、種結晶添加量を差し引いて収量とした。
（５）糖蜜の再結晶化
上記で得られた糖蜜（一番蜜）に注水し、Ｂｘ＝８０に合わせた後 （３）及び（４）の作業を繰り返して二番糖及び二番蜜を得た。更にもう一度注水した後（３）及び（４）の作業を繰り返して三番糖及び三番蜜（廃糖蜜）を得た。結晶化回数と粗糖収率の関係を図１０に示す。
図１０から明らかなように、粗糖収率は一番糖で約７０％であり、一番糖と二番糖を合わせると約９０％となる。
上記で得られた糖蜜（一番蜜，二番蜜）について、蔗糖残存率並びに発酵阻害物質であるＨＭＦ（ヒドロキシメチルフルフラール）の生成量及び色度を測定し、従来法での廃糖蜜（三番蜜）と比較した。蔗糖残存率は、実施例１の濃縮シロップに含まれる蔗糖量を１００％として、各結晶化糖の収率を減じて算出した。ＨＭＦについては、「シュガーハンドブック」（浜口栄次郎，桜井芳人監修、朝倉書店、１９６４）の６８２ページに記載の方法（波長２８４μｍの吸光度と波長２４５μｍの吸光度の差を濃度既知の検量線から求める方法）で行った。色度は水に３０倍希釈した後、石英セルに入れ、比色計（ＥＢＣ）を用いて測定した。結果を図１１及び図１２に示す。
図１１から結晶化回数が少ない方が蔗糖残存率が高く、これらをエタノール発酵原料とした場合にエタノール収量が多くなることが分かる。
また、図１２から結晶化回数が少ない方が発酵阻害物質ＨＭＦ生成量及び色度が低下する。すなわち、結晶化回数の少ない糖蜜を使う方が良好な発酵を示し、且つ、製造後の排水の着色の問題が軽減されることが分かる。
図１１から結晶化回数が少ない方が蔗糖残存率が高く、これらをエタノール発酵原料とした場合にエタノール収量が多くなることが分かる。
また、図１２から結晶化回数が少ない方が発酵阻害物質ＨＭＦ生成量及び色度が低下する。すなわち、結晶化回数の少ない糖蜜を使う方が良好な発酵を示し、且つ、製造後の排水の着色の問題が軽減されることが分かる。
Claims (6)
- （a）サトウキビから搾汁及び搾り粕を生成する工程と、
（b）前記搾汁から砂糖及び廃糖蜜を生成する工程と、
（c）工程（a）及び（b）より得られる搾汁、廃糖蜜及び搾り粕を原料とする有用物質を生産する工程とを含むサトウキビから砂糖及び有用物質を製造する方法であって、
前記サトウキビの庶茎部に１５質量％以上の繊維分を含有し、かつ、単位面積当たりの乾物収量が４０ｔ／ｈａ／ｙｅａｒ以上であり、
前記搾り粕を燃焼して得られるエネルギーから前記製造方法のすべての工程で必要とされるエネルギーの９０％以上を得ることを特徴とする前記方法。 - 単位面積当たりの乾物収量が６５ｔ／ｈａ／ｙｅａｒ以上である、請求項１記載の方法。
- 前記工程（c）が工程（b）より得られる廃糖蜜からエタノールを生成する工程である、請求項１又は２に記載の方法。
- 工程（b）において行われる砂糖の結晶化工程が２回以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
- 工程（b）において行われる砂糖の結晶化工程が１回である、請求項４に記載の方法。
- 前記搾り粕を燃焼して得られるエネルギーから前記製造方法のすべての工程で必要とされる消費エネルギーの９５％以上を得る請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
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