JP6745414B2 - エタノールの製造方法及びエタノール組成物 - Google Patents
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Description
[1] 炭素源を真正細菌又は古細菌によって微生物発酵させ、エタノールを製造する方法において、微生物発酵槽内の2−プロパノール濃度を2ppm未満とするエタノールの製造方法。
[2]前記炭素源がバイオマス資源を含む、[1]のエタノールの製造方法。
[3]前記バイオマス資源が非可食原料である、[2]のエタノールの製造方法。
[4]前記バイオマス資源が廃棄物である、[2]又は[3]のエタノールの製造方法。
[5]前記微生物が真正細菌である、[1]〜[4]の何れかのエタノールの製造方法
[6]微生物発酵槽内のエタノール濃度を0.1質量%以上15質量%以下とする、[1]〜[5]の何れかのエタノールの製造方法。
[7][1]〜[6]の何れかの方法により製造されたエタノール。
[8]2−プロパノール濃度が2ppm未満である、エタノール組成物。
[9]炭素数6〜14個の飽和炭化水素化合物を0.001ppm以上1000ppm以下含む、エタノール組成物。
[10]エタノールを50質量%以上含む[9]のエタノール組成物。
[11]さらに、炭素数6〜14個の芳香族炭化水素化合物を、0.001ppm〜800ppm含む、[8]〜[10]のいずれかのエタノール組成物。
[12]前記飽和炭化水素化合物が、ヘプタン、オクタン、及びデカンからなる群より選ばれる1種以上である、[8]〜[11]のいずれかのエタノール組成物。
[13]炭素数6〜14の芳香族化合物を、0.001ppm〜100ppm含む、エタノール組成物。
[14]前記芳香族化合物が、トルエン、ベンゼン、エチルベンゼン、キシレン、及びナフタレンからなる群より選ばれる1種以上である、[13]のエタノール組成物。
[15]さらに、炭素数6〜14個の飽和炭化水素化合物を、0.001ppm〜1000ppm含む、[8]、[13]または[14]に記載のエタノール組成物。
[16]エタノールを50質量%以上含む、[8]〜[15]のいずれかのエタノール組成物。
[17]n−デカンを、0.001ppm〜1000ppm含む、エタノール組成物。
[18]エチルベンゼンを、0.001ppm〜800ppm含む、[17]に記載のエタノール組成物。
[19]エチルベンゼンを、0.001ppm〜100ppm含む、エタノール組成物。
[20]n−デカンを、0.001ppm〜1000ppm含む、[19]のエタノール組成物。
[21][8]〜[20]のいずれかのエタノール組成物を水で希釈し、希釈後のエタノール濃度を0.1質量〜15質量%としたエタノール水溶液を土壌に散布する、土壌消毒方法。
<微生物>
本発明の方法で用いることのできる微生物はエタノール生産性を備えている真正細菌又は古細菌であれば特に限定されないが、通常ザイモモナス属、大腸菌、コリネバクテリウム属、クロストリジウム属、ハロモナス属等の真正細菌、ハロバクテリウム綱等の古細菌が挙げられ、エタノール生産性の点から、ザイモモナス属、大腸菌、コリネバクテリウム属、クロストリジウム属、ハロモナス属の真正細菌が好ましく、大腸菌、クロストリジウム属がより好ましく用いられる。
本発明の方法において、微生物発酵の原料として使用する炭素源は炭素を含んでいる原料であれば特に限定されないが、バイオマス資源を含むことが好ましい。バイオマス資源としては、可食原料、非可食原料のどちらであってもよいが、非可食原料が食物資源保護の観点から好ましく、非可食廃棄物原料がより好ましい。具体的には、サトウキビ、トウモロコシ等の可食原料、製紙用樹木、林地残材、間伐材等のチップ又は樹皮、木本性植物の切株から発生した萌芽、製材工場等から発生する鋸屑又はおがくず、街路樹の剪定枝葉、建築廃材等の木質系バイオマス原料、ケナフ、稲藁、麦わら、コーンコブ、バガス等の草系バイオマス原料、農産廃棄物、油用作物やゴム等の工芸作物の残渣、木材由来の紙、古紙、パルプ、パルプスラッジ、スラッジ、下水汚泥、食品廃棄物等を原料として利用することができ、中でも木質系バイオマス原料、農業廃棄物、下水汚泥、食品廃棄物の何れかが含まれることがより好ましい。
機械処理を行う場合は、バイオマス資源の切断、裁断、破砕、磨砕等の任意の機械的手段が挙げられ、バイオマス資源を糖化及び発酵され易い状態にすることである。使用する機械装置については特に限定されないが、例えば、一軸破砕機、二軸破砕機、ハンマークラッシャー、レファイナー、ニーダー、ボールミル等を用いることができる。
化学処理を行う場合は、バイオマス資源を水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、炭酸ナトリウム及び炭酸水素ナトリウムから選ばれる1種以上のアルカリ薬品、又は、亜硫酸ナトリウムと前記アルカリ薬品の中から選ばれる1種以上のアルカリ薬品を含有する溶液に浸漬することができる。接触温度、時間については目的とするバイオマス資源に応じて、適時設定することができる。
ガス化処理は、ガス化部において、バイオマス資源をガス化させることによって一酸化炭素を含む原料ガスを生成する工程である。ガス化部は、炭素源を燃焼(不完全燃焼)させる炉であり、例えば、シャフト炉、キルン炉、流動床炉、ガス化改質炉等のガス化炉が挙げられる。
バイオマス資源を、適量の水と酵素と混合した上で適切な温度とすることで糖化処理を行うことができる。より具体的には、セルラーゼ、ヘミセルラーゼを酵素として添加することで、バイオマス資源の糖化(例えば、セルロース→グルコース、ヘミセルロース→グルコース、キシロース)を行うことができる。
微生物発酵工程は、微生物発酵槽において、上記した炭素源を真正細菌又は古細菌によって微生物発酵させて、エタノールを製造する工程である。微生物発酵槽は、連続発酵装置とすることが好ましい。一般に、微生物発酵槽は任意の形状のものを用いることができ、撹拌型、エアリフト型、気泡塔型、ループ型、オープンボンド型、フォトバイオ型が挙げられる。
従来、木質系、草系の原料、特に木質系建築廃材には、揮発性有機化合物(VOC)が含まれており、該VOC成分として2−プロパノール等通常含まれることが知られている(JIS1964:2015 付属書A1等)。中でも2−プロパノールは、エタノールと沸点等の特性が類似であり、通常の蒸留等では単離が困難である。そのため、バイオマス資源中に含まれる2−プロパノールは通常の前処理工程を経たとしても微生物発酵槽及び製品に微量含まれることとなる。
そして、このような微量成分は通常殺菌に使われる濃度の精製エタノールであれば何ら殺菌性(静菌性)に影響を与えないものの、1〜15質量%程度の低濃度エタノール存在下においては、微生物への殺菌性に大きく影響を与えたと考えられる。
即ち、低濃度エタノールの微生物への殺菌作用は、細胞膜を乱すことで細胞内基質の流出や栄養分の取り込みを抑制していることと考え、エタノールよりも脱脂性の高い2−プロパノールが培養液中に含まれることで、殺菌効果が増加していたと推測した。
本発明は、原料中、前処理、培養工程の段階で2−プロパノールの量を制御することで、従来よりもエタノールの殺菌性を押さえ、高い生産性でエタノールを製造できると考える。
また、本発明の方法によって製造したエタノール組成物は、エタノール濃度が1〜15質量%の使用下において、上記と同様の理由で殺菌性が低減されていると考える。
本発明によるエタノールの製造方法においては、微生物発酵を経て得られたエタノール含有液を、その後、精製を目的とする精製工程に供してもよい。精製工程は、発酵工程において得られたエタノール含有液を、精製部において、目的のエタノールの濃度を高めた留出液と、目的のエタノールの濃度を低下させた残留液とに分離する工程である。精製工程で用いられる装置は、例えば、蒸留装置、浸透気化膜を含む処理装置、ゼオライト脱水膜を含む処理装置、エタノールより沸点の低い低沸点物質を除去する処理装置、エタノールより沸点の高い高沸点物質を除去する処理装置、イオン交換膜を含む処理装置等が挙げられる。これらの装置は単独でまたは2種以上を組み合わせてもよい。単位操作としては、加熱蒸留や膜分離を好適に用いてもよい。
本発明の第一の実施態様によれば、エタノール組成物中の、2−プロパノール濃度は2ppm未満である。エタノール組成物中の2−プロパノール濃度は1.8ppm以下が好ましく、1.5ppm以下が好ましく、1.2ppm以下がより好ましく、1ppm以下が更に好ましい、一方下限は通常0ppm以上であり、好ましくは0.001ppm以上、より好ましくは0.01ppm以上である。エタノール組成物中の2−プロパノール含有量が上記範囲であると、低濃度での使用におけるエタノール組成物の殺菌性が低減される。
芳香族化合物は細胞毒性を有する化合物が多く、含有量が多すぎると、微生物の生存率が低下すると共に、土壌汚染を引き起こす恐れがあり、含有量が少なすぎると微生物群への殺菌性低減効果が得られない恐れがある。
そこで、本発明で規定する炭素数6〜14の芳香族化合物は、高い疎水性を備えていることから、低濃度エタノールによって細胞膜に乱れが生じた箇所(即ち、親水性が局所的に低くなった箇所)から細胞膜内の疎水層に移動し、その疎水性によって細胞膜の乱れを修復することで、エタノールの殺菌性を抑制できたと考えられる。
また、芳香族化合物がベンゼンの場合は、細胞膜内の疎水層内で移動(回転)することで、内部から細胞膜に損傷を与えると考えられるが、特にアルキル鎖を備えた単環芳香族化合物、例えばエチルベンゼンであると、細胞膜に平行な位置で安定化し、取り込まれた後に細胞膜に悪影響を与えないことからより好ましいと推測する。
本発明のエタノール組成物は、微生物への殺菌性が低いことから土壌殺菌剤や、皮膚常在菌への影響が少ないため、低刺激用途の香水等の化粧品やエタノール誘導体の原料として用いることができる。
・エタノールA:99.5%エタノール組成物、
・エタノールB:日本アルコール産業社製 99.8%発酵エタノール 製品名:トレーサブル99 1級、
・エタノールC:95.2%発酵エタノール 製品名:トレーサブル95 1級、
・エタノールD:日本アルコール産業社製 99.5%石油由来合成エタノール 製品名:99度 合成アルコール、
をアルコール協会規格 JAAS001「エタノール」に準拠する方法にて、各成分の評価を行った。なお、2−プロパノールの検出限界は1ppmであるが、その他の各成分の検出下限は0.01ppmである。その結果を表5に示す。
<使用培地及び試薬の調製>
(1)SCDLP
SCDLPブイヨン培地をイオン交換水で溶解し、15mL遠沈管に9mLずつ分注後、高圧蒸気滅菌した。
エタノールAを原液として、15質量%エタノール水溶液になるようにPWで希釈したものを試料液とした。
(3−1)S.aureusをSCDに接種し、30〜35℃で18〜24時間培養した。
(3−2)出現した集落をSCD−B 10mLに接種し、35℃で18〜24時間培養したものを菌液とした。
(1)接種用菌液の調製
菌液をPWで希釈し、約107〜108CFU/mL程度に調製したものを接種用菌液とした。
(2−1)試料液10mLをそれぞれ15mL遠沈管3本に分注後、接種用菌液を0.1mLずつ接種し、混和した(サンプル数n=3)。
(2−2)対照物質(0%水溶液)10mLを15mL遠沈管1本に分注後、接種用菌液を0.1mL接種し、混和した。
(2−3)室温にて、10分、30分作用させた後、1mLをそれぞれSCDLP 9mLに接種し混和した。(中和液)
(3−1)上記(2)で得られた中和液の一部を、SALで希釈し10倍段階希釈液を作製した。
(3−2)各中和液及び10倍段階希釈液を2枚の滅菌シャーレに1mLずつ接種し、45℃以下に保温したSCD−Aを加え固化させた。
(3−3)30〜35℃で40〜48時間培養した。
(3−4)2枚の培地上に発育した集落数を計測して平均を取り、試料液及び対照物質1mL当たりの菌数に換算した。
サンプル数n=3の平均値を表2に示す。また、対照物質(エタノールAを加えず、水のみ、n=1)の結果を参考例1として同様に表6に示す。
エタノールAをエタノールBに置き換えた以外は実施例1と同様の条件で評価を行った。その結果を表6に示す。
エタノールAをエタノールDに置き換えた以外は実施例1と同様の条件で評価を行った。その結果を表6に示す。
よって、微生物発酵槽において、発酵で製造される上限である15%以下のエタノール濃度において、微生物への殺菌性が抑制され、より高濃度のエタノール培養液を得ることができることが明らかになった。
Claims (3)
- 2−プロパノールを含有する木質系バイオマス原料を含む廃棄物をガス化して原料ガスを得るガス化処理工程と、
前記原料ガスを前処理する前処理工程と、
前記前処理後の前記原料ガスを、微生物発酵槽内において、エタノール生産性を備える真正細菌又は古細菌によって微生物発酵させて、エタノール含有液を得る微生物発酵工程と、
前記エタノール含有液を精製する精製工程とを有し、
前記微生物発酵工程において、前記微生物発酵槽内の前記エタノールの濃度を1〜15質量%とし、かつ、前記2−プロパノールの濃度を2ppm未満とし、
前記微生物発酵槽内の前記2−プロパノールの濃度の制御を、前記前処理工程において、前記2−プロパノールの除去能を備えるイオン交換樹脂、活性炭又はゼオライトに、前記原料ガスを接触させることにより行うエタノールの製造方法。 - 前記微生物発酵に、前記真正細菌を使用する、請求項1に記載のエタノールの製造方法。
- 前記真正細菌は、ザイモモナス属、大腸菌、コリネバクテリウム属、クロストリジウム属又はハロモナス属の真正細菌である、請求項1又は2に記載のエタノールの製造方法。
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