JP4038577B2 - Alcohol production system and alcohol production method - Google Patents
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Description
本発明は、例えば生ごみなどの廃棄物から燃料用アルコールを得ることが可能なアルコール生産システムおよびアルコール生産方法に係り、特にアルコール発酵にお酒製造で使用するSaccharomyces cerevisiaeに属する酵母を用いる場合に有効なアルコール生産システム及びアルコール生産方法に関する。 The present invention relates to an alcohol production system and an alcohol production method capable of obtaining alcohol for fuel from waste such as garbage, particularly when using yeast belonging to Saccharomyces cerevisiae used in liquor production for alcohol fermentation. about the valid alcohol production system and alcohol production how.
近年、地球環境問題の観点からバイオマスの利用が注目されている。特に、次世代自動車燃料として期待されているエタノール等のアルコールをバイオマスから製造する技術についての研究開発が盛んに行われている。このアルコール生産は、バイオマス原料を、加水分解などの糖化工程により糖類に分解した後、酵母(微生物)を用いたアルコール発酵によりエタノールに変換することにより行われる。 In recent years, the use of biomass has attracted attention from the viewpoint of global environmental problems. In particular, research and development on technology for producing alcohol such as ethanol, which is expected as a next-generation automobile fuel, from biomass has been actively conducted. This alcohol production is performed by decomposing biomass raw material into saccharides by a saccharification process such as hydrolysis, and then converting it to ethanol by alcohol fermentation using yeast (microorganism).
一般的なバイオマス原料としては、サトウキビなどの糖質を含むものあるいはトウモロコシなどのデンプン質を含むものが多く用いられている。その他にも、バガスや稲わらのような草木系原料、木材チップ等の木質系原料、バイオマス等のセルロース系原料も原料として用いられている。しかし、これらの糖質やデンプン質原料は本来食用資源であり、これらの食用資源を長期的、安定的に工業用利用資源として用いることは、今後生じる人口増加問題と拮抗するため好ましくない。 As general biomass materials, those containing sugars such as sugar cane or starches such as corn are often used. In addition, plant-based materials such as bagasse and rice straw, wood-based materials such as wood chips, and cellulose-based materials such as biomass are also used as materials. However, these saccharides and starchy raw materials are originally edible resources, and it is not preferable to use these edible resources as industrial resources for a long period of time because they antagonize the future population growth problem.
そこで最近では、産業廃棄物等を用いたバイオマスが研究されており、例えば、セルロース系資源として利用可能な廃建材等からアルコールを生成する方法等が提案されている。 Therefore, recently, biomass using industrial waste and the like has been studied, and for example, a method for generating alcohol from waste building materials and the like that can be used as cellulosic resources has been proposed.
しかし、廃建材の中でも合板等の加工木材を用いる場合には、木材チップ等の未加工木材を用いた場合と比較して、発酵工程でのアルコールや有機酸の収率が低下するという問題があった。その原因は、加工木材には酢酸あるいはギ酸等が含まれている接着剤等が使用されており、これらが糖溶液中に含まれていると微生物による発酵を阻害する発酵阻害物質として作用するからである。この発酵阻害物質を除去する方法としては、イオン交換分離を採用することができるが、コストが高くなるなどの点で問題となる。そこで、糖溶液から発酵阻害物質糖を蒸発させて除去する前処理工程等を設けることにより、発酵収率を向上させる方法(第1の方法)などが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 However, when using processed wood such as plywood among waste building materials, there is a problem that the yield of alcohol or organic acid in the fermentation process is lower than when using raw wood such as wood chips. there were. The reason is that processed wood uses adhesives containing acetic acid or formic acid, etc., and if these are contained in a sugar solution, it acts as a fermentation inhibitor that inhibits fermentation by microorganisms. It is. As a method for removing the fermentation inhibitor, ion exchange separation can be employed, but it is problematic in that the cost is increased. Then, the method (1st method) etc. which improve a fermentation yield by providing the pre-processing process etc. which evaporate and remove fermentation inhibitory substance saccharide | sugar from a saccharide | sugar solution are proposed (for example, refer patent document 1). ).
また、アルコール発酵としては、醸造食品関連分野で古くから行われている方法が利用されており、例えば、Saccharomyces cerevisiaeを用いた方法等が最も一般に用いられている。しかし、アルコール生産性を重視する工業用や燃料用エタノールを生産する時は、一般にpH5付近で用いられている。このため、培養液や発酵装置の殺菌や温度制御は避けることができない。
For alcohol fermentation, a method that has been practiced for a long time in the field of brewing foods is used. For example, a method using Saccharomyces cerevisiae is most commonly used. However, when producing industrial or fuel ethanol that places importance on alcohol productivity, it is generally used near
そこで、酵母についても、耐酸性および耐塩性を有する酵母の開発がなされている。このような耐酸性の酵母を用いる方法(第2の方法)により、例えば、バイオマス原料を硫酸等の酸で加水分解(糖化)したpH3以下の糖溶液を用いた場合においてもアルコール発酵が可能となる。更に、上記酵母は耐酸性および耐塩性の他、耐糖性および耐アルコール性を複合的に有しているため、培地や発酵装置の殺菌などが不要になる(例えば、特許文献2参照)。 Thus, yeasts having acid resistance and salt resistance have been developed. By such a method using acid-resistant yeast (second method), for example, alcohol fermentation is possible even when a sugar solution having a pH of 3 or less obtained by hydrolyzing (saccharifying) biomass raw material with an acid such as sulfuric acid is used. Become. Furthermore, since the yeast has a combination of acid resistance and salt resistance, as well as sugar resistance and alcohol resistance, sterilization of the culture medium and fermentation apparatus is unnecessary (for example, see Patent Document 2).
上述のように従来、2つの方法が提案されているが、それぞれ以下のような問題があった。すなわち、第1の方法では、上述のように培養液や発酵装置の殺菌や温度制御が不可避であることに加え、酢酸などの除去工程が発酵工程前に必要となることからプロセス的な負荷が大きくなる等の問題がある。一方、第2の方法では、耐酸性等を有する新たな酵母のスクリーニングが必要であり、また、アルコール発酵工程等において酵母に栄養源の添加が必要となることから経済的およびプロセス的な負荷が大きくなるなどの問題があった。 Conventionally, two methods have been proposed as described above, but each has the following problems. That is, in the first method, as described above, the sterilization and temperature control of the culture solution and the fermentation apparatus are unavoidable, and a process for removing acetic acid and the like is necessary before the fermentation process, so that a process load is imposed. There are problems such as becoming larger. On the other hand, in the second method, it is necessary to screen for a new yeast having acid resistance and the like, and it is necessary to add a nutrient source to the yeast in an alcohol fermentation process or the like, so there is an economical and process load. There were problems such as becoming larger.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第1の目的は、産業廃棄物などの生ごみをバイオマス原料として有効利用すると共に、アルコール発酵に汎用のSaccharomyces cerevisiaeを用いても殺菌、温度制御およびpH調整等が不要であり、効率良くアルコールを生成することのできるアルコール生産システムおよびアルコール生産方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and the first object thereof is to effectively use raw garbage such as industrial waste as a biomass raw material, and to sterilize even when using a general-purpose Saccharomyces cerevisiae for alcohol fermentation, An object of the present invention is to provide an alcohol production system and an alcohol production method that do not require temperature control and pH adjustment and that can efficiently produce alcohol.
本発明のアルコール生産システムは、嫌気状態において生ごみと酵素とを反応させて糖化液を生成すると共に、前記生ごみ中に生息する微生物により主として乳酸を生成させ、糖化液の水素イオン濃度(pH)を2.5以上5.5以下の範囲とする糖化部と、糖化部において生成された糖化液に、酵母として前記pHの範囲で増殖・発酵するSaccharomyces cerevisiaeに属する凝集性酵母を添加してアルコール発酵させる第1発酵部とを備えたものである。なお、本明細書において「生ごみ」とは、家庭、ホテル、コンビニエンスストア等から廃棄される加熱前後の食物(残飯等)を含むごみをいい、その成分として、中性成分(糖質)、脂溶性成分(脂質等)あるいはイオン性成分(タンパク質、アミノ酸、有機酸、無機塩類)等を含むものである。生ごみには紙、木片等の「燃えるごみ」として通常廃棄されるものが混在していてもよい。 The alcohol production system of the present invention reacts garbage with an enzyme in an anaerobic state to produce a saccharified solution, and also mainly produces lactic acid by microorganisms living in the garbage, and the hydrogen ion concentration (pH) of the saccharified solution ) In the range of 2.5 to 5.5, and to the saccharified solution produced in the saccharification part, adding as a yeast aggregating yeast belonging to Saccharomyces cerevisiae that grows and ferments in the above pH range And a first fermentation part for alcohol fermentation. In the present specification, “garbage” refers to garbage including foods before and after heating (such as leftover food) discarded from households, hotels, convenience stores, etc., and as its components, neutral components (sugars), It contains fat-soluble components (lipids, etc.) or ionic components (proteins, amino acids, organic acids, inorganic salts) and the like . Garbage may be mixed with what is normally disposed of as “burning garbage” such as paper and wood chips.
また、本発明のアルコール生産方法は、嫌気状態において生ごみと酵素とを反応させて糖化液を生成すると共に、前記生ごみ中に生息する微生物により主として乳酸を生成させ、糖化液の水素イオン濃度(pH)を2.5以上5.5以下の範囲とする糖化工程と、糖化工程において生成された糖化液に、酵母として前記pHの範囲で増殖・発酵するSaccharomyces cerevisiaeに属する凝集性酵母を添加してアルコール発酵させる発酵工程と、を含むものである。 In addition, the alcohol production method of the present invention reacts garbage with an enzyme in an anaerobic state to produce a saccharified solution, and mainly produces lactic acid by microorganisms living in the garbage, and the hydrogen ion concentration of the saccharified solution Add saccharifying yeast belonging to Saccharomyces cerevisiae that grows and ferments in the above pH range to the saccharified solution in which the (pH) is in the range of 2.5 to 5.5 and the saccharified solution produced in the saccharifying step And a fermentation process for alcohol fermentation .
本発明のアルコール生産システム、アルコール生産方法では、上記のような各部(工程)を有していることにより、以下のようにしてアルコールが生成される。 In the alcohol production system and the alcohol production method of the present invention, the alcohol is produced as follows by having each part (step) as described above.
まず、糖化部(工程)では、嫌気状態において生ごみと酵素とを反応させて糖化液が生成されると共に、生ごみ中に生息する微生物により主として乳酸が生成され、糖化液の水素イオン濃度(pH)が2.5以上5.5以下の範囲に低くなる。これにより、雑菌の増殖が抑制され、糖化液の殺菌が不要となると共に、第1発酵部(発酵工程)において添加される酵母が増殖・発酵する環境が整えられる。第1発酵部(発酵工程)においては、この糖化液に、酵母として上記pHの範囲で増殖・発酵するSaccharomyces cerevisiaeに属する凝集性酵母が添加され、アルコール発酵する。なお、また、糖化部として回転ブレードを用いると、糖化液と糖化残渣を分離することが可能である。糖化反応が終了後、メッシュろ過した後、ろ液を圧搾ろ過もしくは遠心分離により糖化清澄液を得る。具体的な糖化方法としては、生ごみと水と酵素とを混合したのち、30℃以上、好ましくは50℃以上の温度で糖化する。その際、水の量を生ごみの湿潤重量に対して1/4以上、更には1/2以上とすることが好ましく、また、酵素の量を湿潤の生ごみ1kgに対して100mg以上、更には300mg以上とすることが好ましい。ここで、嫌気状態とは、生ごみが外気とほとんど触れないように密閉した状態のことを意味する。なお、上記生ごみ処理においては、乳酸培養液が添加された生ごみを破砕することによりミンチ状の生ごみとしてもよい。次に、糖化部(工程)では、処理ごみと水と酵素とを混合したのち、例えば30℃以上、好ましくは50℃以上の温度で糖化すると共に、処理ごみ中に生息する微生物が処理ごみを糖化するのが好ましい。この際、回転ブレードを用いると、糖化液と糖化残渣を分離することが可能である。また、水の量は、処理ごみの湿潤重量に対して1/4以上、更には1/2以上とすることが好ましく、酵素の添加量は、湿潤の処理ごみ1kgに対して50mg以上、更には100mg以上とすることが好ましい。ここで、酵素には、耐酸性グルコアミラーゼもしくは耐酸性および耐熱性を有するグルコアミラーゼを用いるようにしてもよく、このような酵素の添加後、さらにセルラーゼ酵素を用いるようにしてもよい。これにより、酵素の添加量を減らすことができ、糖をより効率良く回収することが可能となる。なお、糖化部において、生ごみに対して乳酸菌培養液を10%以下、好ましくは1%以下になるように添加することが好ましく、更には、酵素を、乳酸菌培養液を添加し、一定期間、嫌気状態で保存してpHが上記範囲になった後に、添加するような構成とすることが好ましい。 First, in the saccharification part (process), garbage and enzymes are reacted in anaerobic conditions to produce a saccharified solution, and lactic acid is mainly produced by microorganisms that live in the garbage, and the hydrogen ion concentration ( pH) is lowered to a range of 2.5 or more and 5.5 or less. Thereby, the growth of miscellaneous bacteria is suppressed, the sterilization of the saccharified solution is unnecessary, and the environment in which the yeast added in the first fermentation part (fermentation process) grows and ferments is prepared. In the first fermentation part (fermentation step), the saccharified solution is added with a coagulable yeast belonging to Saccharomyces cerevisiae that grows and ferments as a yeast in the above pH range, and undergoes alcohol fermentation. In addition, when a rotating blade is used as the saccharification part, it is possible to separate the saccharification solution and the saccharification residue. After completion of the saccharification reaction, mesh filtration is performed, and then the filtrate is squeezed or centrifuged to obtain a saccharified clarified liquid. As a specific saccharification method, garbage, water and an enzyme are mixed and then saccharified at a temperature of 30 ° C or higher, preferably 50 ° C or higher. At that time, the amount of water is preferably ¼ or more, more preferably ½ or more of the wet weight of the garbage, and the amount of the enzyme is 100 mg or more with respect to 1 kg of the wet garbage. Is preferably 300 mg or more. Here, an anaerobic state means the state sealed so that garbage hardly touches external air. In addition, in the said garbage processing, it is good also as a minced garbage by crushing the garbage to which the lactic acid culture solution was added. Next, in the saccharification part (process), after processing waste, water, and an enzyme, for example, it saccharifies at the temperature of 30 degreeC or more, Preferably it is 50 degreeC or more, and the microorganisms which inhabit in a treatment waste process waste. Saccharification is preferred. At this time, if a rotating blade is used, it is possible to separate the saccharified solution and the saccharification residue. The amount of water is preferably ¼ or more, more preferably ½ or more with respect to the wet weight of the treated waste, and the amount of enzyme added is 50 mg or more with respect to 1 kg of the wet treated waste. Is preferably 100 mg or more. Here, acid-resistant glucoamylase or acid-resistant and heat-resistant glucoamylase may be used as the enzyme, and a cellulase enzyme may be further used after the addition of such an enzyme. As a result, the amount of enzyme added can be reduced, and sugar can be recovered more efficiently. In the saccharification part, it is preferable to add the lactic acid bacteria culture solution to the garbage so that it is 10% or less, preferably 1% or less. Further, the enzyme is added to the lactic acid bacteria culture solution, It is preferable that the composition is added after being stored in an anaerobic state and the pH is within the above range.
次に、濃縮部(工程)において、糖化液に対して常圧濃縮または減圧濃縮が行われるようにしてもよい。このとき濃縮糖化液の全糖濃度が100g/l以上300g/l以下(糖化液の濃縮割合を1.5倍以上5倍以下)になるまで糖化液を濃縮することにより、アルコール発酵に必要な栄養源が濃縮されると共に糖化液中の単糖類の濃度が高くなり、アルコール発酵で生成されるアルコール濃度が高くなる。これにより、濃縮糖化液中のアルコールの濃度は50g/l以上150g/l以下となる。また、乳酸の濃度が濃縮前の2倍以上、より具体的には10000mg/l以上、更には30000mg/l以上になるまで減圧濃縮することによって糖化液のpHがさらに低下し、これによっても雑菌の増殖が抑制される。また、濃縮部においては、乳酸の濃度を高くすることにより使用する酵母が好適に増殖することができるpH値となり、糖化液の特別なpH調整が不要となる。 Next, the saccharified solution may be subjected to normal pressure concentration or reduced pressure concentration in the concentration unit (step). At this time, it is necessary for alcoholic fermentation by concentrating the saccharified solution until the total saccharide concentration of the concentrated saccharified solution becomes 100 g / l or more and 300 g / l or less (concentration ratio of saccharified solution is 1.5 times or more and 5 times or less). As the nutrient source is concentrated, the concentration of monosaccharides in the saccharified liquid increases, and the concentration of alcohol produced by alcohol fermentation increases. Thereby, the density | concentration of the alcohol in a concentrated saccharified liquid will be 50 g / l or more and 150 g / l or less. Moreover, the pH of the saccharified solution is further reduced by concentration under reduced pressure until the concentration of lactic acid is 2 times or more of that before concentration, more specifically, 10000 mg / l or more, and further 30000 mg / l or more. Growth is suppressed. Moreover, in the concentration part, it becomes a pH value at which the yeast to be used can be suitably grown by increasing the concentration of lactic acid, and no special pH adjustment of the saccharified solution is required.
上記のように濃縮過程において雑菌の増殖が抑制されるため、第1発酵部では、濃縮糖化液として、殺菌したものまたは殺菌していないものいずれも利用可能となり、また、pH調整したものまたはpH調整していないものいずれも利用可能となる。 Since the growth of miscellaneous bacteria is suppressed during the concentration process as described above, in the first fermentation part, either a sterilized or non-sterilized one can be used as the concentrated saccharified solution, and the pH adjusted or pH adjusted Anything that has not been adjusted will be available.
第1発酵部でのアルコール発酵としては、回文発酵方式、繰り返し回分発酵方式または連続発酵方式で利用することができる。また、酵母としては、pH2.5以上pH5.5以下の範囲で増殖・発酵するSaccharomyces cerevisiaeに属する凝集性酵母を利用することができる。より具体的には、流加発酵方式も含めた回分発酵方式が、繰り返し回分発酵としては、ガス発生量に基づいて自動化して行う装置を用いる方式あるいは1日に1回の回分発酵を繰り返す方式がそれぞれ利用可能である。また、連続発酵方式を利用する場合には、発酵装置として機械攪拌およびガス循環などの機能を有すると共に後段に沈降分離部を設けた発酵槽、上部もしくは後段に沈降分離部を有する塔型リアクタ、または流動部にドラフトチューブを有する塔型リアクタを利用することができる。また、連続発酵方式を適用すると共にアルコール発酵pH4.5以下、アルコールの濃度は50g/l以上150g/以下、アルコール発酵温度を25℃以上および希釈率Dを0.05h-1以上としてアルコール発酵を行うことが好ましい。 As alcohol fermentation in the 1st fermentation part, it can utilize with a palindromic fermentation system, a repeated batch fermentation system, or a continuous fermentation system. As the yeast, it can be utilized that agglutination of yeast belonging to Saccharomyces cerevisiae to grow and fermentation in the range of pH2.5 or pH5.5 or less. More specifically, the batch fermentation method including the fed-batch fermentation method is a method that uses an apparatus that performs automation based on the amount of gas generated or a method that repeats batch fermentation once a day. Are available. In addition, when using a continuous fermentation system, a fermentation tank having functions such as mechanical stirring and gas circulation as a fermentation apparatus and having a sedimentation separation unit in the subsequent stage, a tower reactor having a sedimentation separation unit in the upper or subsequent stage, Alternatively, a tower reactor having a draft tube in the fluidized part can be used. In addition, while applying a continuous fermentation method, alcohol fermentation pH 4.5 or less, alcohol concentration is 50 g / l or more and 150 g / less, alcohol fermentation temperature is 25 ° C. or more, and dilution rate D is 0.05 h −1 or more. Preferably it is done.
上記濃縮部および上記第1発酵部において好適な条件とすることにより、アルコール発酵中に雑菌が増殖するのを完全に防ぐことが可能となる。 By setting it as suitable conditions in the said concentration part and said 1st fermentation part, it becomes possible to prevent that a miscellaneous microbe grows during alcohol fermentation.
ここで、本システムおよび本生産方法では、第1発酵部に加えて、廃液処理・利用部として第2発酵部を備え、上記の蒸留部から排出された蒸留廃液をメタン発酵槽中で発酵させることによりバイオガスを生成するような構成とすることが好ましい。 Here, in this system and this production method, in addition to the first fermentation section, a second fermentation section is provided as a waste liquid treatment / utilization section, and the distilled waste liquid discharged from the distillation section is fermented in a methane fermentation tank. It is preferable that the biogas is generated.
このような構成とすることにより、バイオガスを回収したのち、濃縮部あるいは蒸留部のエネルギー源として利用することができる。その際、バイオガスの発生量の5%以上10%以下の空気をメタン発酵槽中に導入してバイオガスと混合することにより、その混合ガス中の硫化水素の濃度を低減することが好ましく、更には、混合ガスを水槽とメタン発酵槽との間で循環させて硫化水素を空気酸化して硫黄にすることにより、混合ガス中の硫化水素の濃度を10ppm以下にすることが好ましい。 With such a configuration, after collecting biogas, it can be used as an energy source for the concentrating section or the distillation section. At that time, it is preferable to reduce the concentration of hydrogen sulfide in the mixed gas by introducing air of 5% to 10% of the generated amount of biogas into the methane fermentation tank and mixing it with the biogas, Further, it is preferable to circulate the mixed gas between the water tank and the methane fermentation tank to oxidize hydrogen sulfide to air to make it sulfur, so that the concentration of hydrogen sulfide in the mixed gas is 10 ppm or less.
加えて、メタン発酵槽の後段に循環式生物学的脱窒槽を、その循環式生物学的脱窒槽の後段に硝化槽をそれぞれ設けることが好ましい。このような構成とすることにより、メタン発酵により生成するアンモニウムイオンを硝化槽で硝酸イオンに酸化したのち、この硝酸イオンを含む液の一部を脱窒槽に循環させることにより、メタン発酵後に残存する有機物と硝酸イオンとが同時に除去される。 In addition, it is preferable to provide a circulatory biological denitrification tank after the methane fermentation tank and a nitrification tank after the circulatory biological denitrification tank. With such a configuration, after ammonium ions generated by methane fermentation are oxidized to nitrate ions in the nitrification tank, a part of the liquid containing the nitrate ions is circulated to the denitrification tank, so that it remains after methane fermentation. Organic matter and nitrate ions are removed simultaneously.
本発明のアルコール生産システムまたはアルコール生産方法によれば、糖化部(糖化工程)において、主として乳酸を生成し、糖化液の水素イオン濃度(pH)を特定の範囲(2.5以上5.5以下)とすることにより、雑菌の増殖が抑制され糖化液の殺菌が不要となると共に、第1発酵部(発酵工程)において添加される酵母が増殖・発酵する環境を形成し、その後、第1発酵部(発酵工程)において、この糖化液に対して特定の凝集性酵母を添加するようにしたので、殺菌,pH調整および酵母への栄養源の添加が不要になると共に、アルコールの生成濃度が高くなるという効果を奏する。そして、これらの効果は、濃縮部(濃縮工程)において濃縮糖化液の全糖濃度を100g/l以上300g/l以下の範囲にし、さらに乳酸を濃縮することによりpHの値が自然に適性値になることによって、より顕著になる。 According to the alcohol production system or the alcohol production method of the present invention, lactic acid is mainly produced in the saccharification part (saccharification step), and the hydrogen ion concentration (pH) of the saccharified solution is within a specific range (2.5 or more and 5.5 or less). ), The growth of miscellaneous bacteria is suppressed and sterilization of the saccharified solution becomes unnecessary, and an environment in which yeast added in the first fermentation part (fermentation process) grows and ferments is formed, and then the first fermentation Part (fermentation process), because specific flocculating yeast is added to this saccharified solution, sterilization, pH adjustment and addition of nutrients to the yeast are unnecessary, and the alcohol production concentration is high. The effect of becoming. These effects are achieved by bringing the total sugar concentration of the concentrated saccharified solution to a range of 100 g / l or more and 300 g / l or less in the concentrating part (concentration step), and further concentrating lactic acid so that the pH value naturally becomes a suitable value. Become more prominent.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[第1の実施の形態]
図1は、本実施の形態に係るアルコール生産システム1の構成例を表すものである。なお、本発明のアルコール生産方法については、アルコール生産システム1の作用に具現化されるものであるので合せて説明し、重複する内容についてはその説明を省略する。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a configuration example of an
本実施の形態のアルコール生産システム1は、アルコール生産部10および廃液処理・利用部20を備えている。アルコール生産部10は、糖化部11、濃縮部12、第1発酵部13、蒸留部14および脱水部15を有し、バイオマス原料(生ごみ.廃棄物)W1からアルコール(燃料用や工業用アルコール)L1を生成するものである。バイオマス原料W1は、例えば、産業廃棄物として排出される生ごみなどであり、従ってこのアルコール生産システム1は、ごみ処理問題についての一解決手段ともなっている。
The
廃液処理・利用部20は、蒸留部14に続く第2発酵部21と、第2発酵部21に続くコージェネレーション部22および循環式生物学的脱窒・硝化23と、循環式生物学的脱窒・硝化23に続く脱色部24とを備えている。なお、コージェネレーション部22において得られる蒸気は、濃縮部12および蒸留部14において利用することができるようになっている。
The waste liquid treatment /
糖化部11は、生ごみW1と酵素を反応させ生ゴミに含まれるデンプン質や一部のセルロース等を糖化し糖化液L2を生成する工程である。糖化期間中に生ごみW1中に生息する微生物により主として乳酸発酵が起こり、生成する乳酸A1が主成分となる有機酸Aが含まれており、これにより、糖化液L2の水素イオン指数(pH)が、例えばpH2.5以上5.5以下に保たれる。糖化部11に用いる装置としては、生ゴミと酵素との接触がよい反応槽であればよく、例えば回転ドラムや回転ブレード等が好ましい。特に、回転ブレードは、糖化終了後、糖化液を回収したのち、糖化残渣を粗粉砕しつつ回収することができるので好ましい。具体的な糖化方法としては、生ごみと水と酵素とを混合したのち、30℃以上、好ましくは50℃以上の温度で糖化する。その際、水の量を生ごみの湿潤重量に対して1/4以上、更には1/2以上とすることが好ましく、また、酵素の量を湿潤の生ごみ1kgに対して100mg以上、更には300mg以上とすることが好ましい。
The
濃縮部12は、糖化液L2をメッシュ濾過、そして圧搾濾過して得られた糖化清澄液を濃縮して濃縮糖化液L3を生成するものである。この濃縮糖化液L3の全糖濃度は100g/l以上300g/l以下(糖化液の濃縮割合は1.5倍以上5倍以下)であることが好ましい。この理由は、アルコール発酵に必要な栄養源が濃縮されると共に糖化液L2中の単糖類の濃度が高められることにより第1発酵部(アルコール発酵部)13で生産されるアルコールL1の濃度を高めることができるからである。なお、濃縮糖化液中のアルコールの濃度は50g/l以上150g/l以下である。濃縮方法としては常圧濃縮または減圧濃縮が用いられる。 The concentration part 12 concentrates the saccharified clarified liquid obtained by mesh-filtering the saccharified liquid L2, and squeezing and filtering, and produces | generates the concentrated saccharified liquid L3. The total sugar concentration of the concentrated saccharified solution L3 is preferably 100 g / l or more and 300 g / l or less (the concentration ratio of the saccharified solution is 1.5 times or more and 5 times or less). This is because the concentration of the alcohol L1 produced in the first fermentation part (alcohol fermentation part) 13 is increased by increasing the concentration of monosaccharides in the saccharified liquid L2 while the nutrient sources necessary for alcohol fermentation are concentrated. Because it can. The concentration of the alcohol in the concentrated saccharified solution is 50 g / l or more and 150 g / l or less. As the concentration method, atmospheric concentration or vacuum concentration is used.
また、濃縮部12は、糖化により生成した乳酸A1の濃度が濃縮前の2倍以上、より具体的には10000mg/l以上、更には30000mg/l以上になるまで糖化液L2を濃縮してpHを低下させる機能も有しており、そのため雑菌の増殖が抑制されるようになっている。すなわち濃縮糖化液L3(糖化液L2)の殺菌が不要となる。ここで、乳酸A1の濃度が濃縮前の2倍以上になるまで糖化液L2が濃縮されることにより濃縮糖化液L3のpHが、例えば2.5以上5.5以下の範囲に自然となる。このpH 領域で第1発酵部13で使用する酵母は増殖するので、濃縮糖化液L3のpHを特別に調整する必要はない。
In addition, the concentration unit 12 concentrates the saccharified solution L2 until the concentration of lactic acid A1 produced by saccharification is at least twice that before the concentration, more specifically 10000 mg / l or more, further 30000 mg / l or more. It also has a function of reducing the growth of bacteria, and therefore, the growth of miscellaneous bacteria is suppressed. That is, the sterilization of the concentrated saccharified liquid L3 (saccharified liquid L2) becomes unnecessary. Here, the saccharified solution L2 is concentrated until the concentration of lactic acid A1 becomes twice or more that before concentration, whereby the pH of the concentrated saccharified solution L3 becomes natural within a range of, for example, 2.5 or more and 5.5 or less. Since the yeast used in the
第1発酵部13は、濃縮糖化液L3をアルコール発酵させて醪L4を生成するものである。アルコール発酵に用いる酵母としては、pHが2.5以上5.5以下で増殖する非凝集酵母および凝集性酵母のうちの少なくとも一方が利用可能である。具体的には、非凝集酵母としては、Saccharomyces cereviciae EP1株など、凝集性酵母としてはSaccharomyces cereviciae KF-7 株、などがそれぞれ挙げられる。また、アルコール発酵の方式として
は、回分発酵、繰り返し回分発酵または連続発酵が利用可能である。回分発酵としては流加発酵方式でもよく、繰り返し回分発酵としてはガス発生量に基づいて自動化して行う装置を用いる方式あるいは1日に1回の回分発酵を繰り返す方式が好ましく、連続発酵方式としてはケモスタット方式が好ましい。
The
第1発酵部13に用いる発酵装置としては、機械攪拌およびガス循環などの機能を有すると共に後段に沈降分離部を設けた発酵槽、上部もしくは後段に沈降分離部を設けた塔型リアクタ、または流動部にドラフトチューブを有する塔型リアクタなどが利用可能である。特に、アルコール発酵として連続発酵方式を用いると共に酵母として凝集性酵母を用いる場合には、上記発酵槽を用いることが好ましい。また、連続発酵方式を適用すると共にアルコール発酵温度を25℃以上、好ましくは30℃以上とし、希釈率Dを0.05h-1以上、好ましくは0.2h-1以上、より好ましくは0.3h-1以上にしてアルコール発酵を行うことが好ましい。ここで希釈率D(h-1) とは数1に示したように、濃縮糖化液供給速度F(m3/h)を発酵槽の実容積V(m3)で除した値である。
(数1)
D=F/V
As a fermentation apparatus used for the
(Equation 1)
D = F / V
なお、上述したように、濃縮糖化液L3は乳酸濃度やpH により雑菌の増殖を抑制するものであり、殺菌処理あるいはpH調整を特に必要としないが、残存する雑菌を更に低減した状態あるいは好適なpHの状態で濃縮糖化液L3をアルコール発酵させる場合には、殺菌処理あるいはpH調整を施してもよい。 As described above, the concentrated saccharified solution L3 suppresses the growth of miscellaneous bacteria by the lactic acid concentration and pH, and does not particularly require sterilization treatment or pH adjustment. When the concentrated saccharified solution L3 is subjected to alcoholic fermentation in a pH state, sterilization treatment or pH adjustment may be performed.
ここで、上記濃縮部(濃縮糖化液のpH4前後および乳酸濃度)および上記第1発酵部において好適な条件(発酵pH4前後で、Dを0.2h -1以上)とすることにより、アルコール発酵中に雑菌が増殖するのを完全に防ぐことが可能となる。 Here, by setting the conditions suitable for the concentration part (concentrated saccharified solution pH around 4 and lactic acid concentration) and the first fermentation part (fermentation pH around 4 and D is 0.2 h −1 or more), during alcoholic fermentation It is possible to completely prevent the growth of various bacteria.
蒸留部14は、醪L4を蒸留し、粗アルコールL5と蒸留廃液L6とに分離するものである。
The
脱水部15は、粗アルコールL5を脱水して無水アルコールL1を生成するものである。この無水アルコールL1は、ガソリンに添加して使用される。わが国ではガソリンに対して3%添加することがすでに認められている。将来は添加割合がブラジルやアメリカのように増えていくものと期待される。
The dehydrating
第2発酵部21は、蒸留廃液L6をメタン発酵槽21A中でメタン発酵することによりバイオガスG1を生成するものである。このバイオガスG1は、例えば、エネルギー源などとして有用なメタン(CH4)と、無用な炭酸ガスや硫化水素を含んでいる。硫化水
素はガスエンジンやボイラーを腐食させるので、一般には乾式脱硫や湿式脱硫、さらには生物脱硫が行われているが、二次汚染や処理コストの問題がある。そこで、第2発酵部21では、バイオガスG1の発生量の5%以上10%以下の空気をメタン発酵槽中に導入してバイオガスG1と混合することにより、バイオガスG1および空気を含む混合ガスG2中の硫化水素の濃度を、例えば、10ppm以下まで低減させることが好ましい。それでも硫化水素の濃度が高い場合には、図2に示したように、メタン発酵槽21Aに加えて後段に水槽21Bを設けて、メタン発酵槽21Aと水槽21Bとの間で混合ガスG2を循環させることにより、混合ガスG2中の硫化水素の濃度を低減すればよい。このように簡単に脱硫されたバイオガスG1は、濃縮部12あるいは蒸留部14のエネルギー源として利用可能となる。
The
コージェネレーション部22は、バイオガスG1(混合ガスG2)をエネルギー源として利用することにより、蒸気G3およびプラント電力E1にエネルギー変換するものである。この蒸気G3が濃縮部12および蒸留部14の熱源となる。すなわち、バイオガスG1を濃縮部12あるいは蒸留部14のエネルギー源として利用することができるようになっている。
The
また、第2発酵部21においては、タンパク質が加水分解されアミノ酸となり脱アミノされてアンモニウムイオンが生成される。またメタン発酵されなかった有機酸を含む有機物が残存する。そこで、メタン発酵槽21Aおよび水槽21Bの後段に、脱窒槽23Aを、更に脱窒槽23Aの後段に硝化槽23B(循環式生物学的脱窒・硝化部23)を設けることが好ましい。これにより、アンモニウムイオンが硝化槽23Bで硝酸イオンに酸化されたのち、この硝酸イオンを含む液の一部を脱窒槽23Aに循環し処理することにより、有機酸を含む有機物と硝酸イオンとを同時に除去することができる。このように高度処理された処理水は、そのままあるいは脱色された後、河川放流するか、糖化部11に加える水として再使用することも可能である。なお、メタン発酵槽21Aから排出される処理液は、上述のように処理することなく液肥L7として有効利用することも可能である。
Moreover, in the
脱色部24は、高度処理した処理水を脱色して処理水L8にして河川放流するものである。なお、この処理水L8は糖化部11で生ゴミに添加する水の代替として再使用することもできる。
The decoloring
次に、このような構成のアルコール生産システム1の作用について説明する。
Next, the operation of the
まず、アルコール生産部10の糖化部11において、生ごみW1が例えば回転ブレードにより粉砕されつつ酵素により糖化されることによって糖化液L2が生成される。このとき生ゴミに生息する微生物により主として乳酸が生成され、糖化液L2の水素イオン指数(pH)が低くなる。
First, in the
このpHの低下した糖化液L2は、糖化残渣と分離されたのちに濃縮部12で例えば減圧濃縮によりにより濃縮される。このとき濃縮糖化液L3の全糖濃度が100g/l以上300g/l以下になるまで糖化液L2を濃縮し、更に濃縮糖化液L3のpHを低下させるために乳酸の濃度も濃縮前の2倍以上となるようにする。 The saccharified liquid L2 having a lowered pH is separated from the saccharification residue and then concentrated by, for example, vacuum concentration in the concentration unit 12. At this time, the saccharified solution L2 is concentrated until the total saccharide concentration of the concentrated saccharified solution L3 becomes 100 g / l or more and 300 g / l or less, and in order to lower the pH of the concentrated saccharified solution L3, the concentration of lactic acid is twice that before the concentration. Try to be above.
濃縮部12で生じた濃縮糖化液L3は、第1発酵部13において、例えばSaccharomyces に属する凝集性酵母によりアルコール発酵される。なお、酵母としては、pH2.5以上pH5.5以下の範囲で増殖するものであれば、その他の凝集性酵母でもよく、また非凝集酵母でもよい。また、発酵方式としては、回分発酵方式、繰り返し回分発酵方式または連続発酵方式が用いられる。ここで生じた醪L4が蒸留部14で蒸留されることにより、粗アルコールL5と蒸留廃液L6とに分離される。そして、その粗アルコールL5が脱水部15において脱水されることによりアルコールL1となる。
The concentrated saccharified solution L3 produced in the concentration unit 12 is subjected to alcohol fermentation in the
一方、アルコール生産部10において発生した蒸留廃液L6は廃液処理・利用部20へ送られて以下のように処理あるいは利用される。
On the other hand, the distillation waste liquid L6 generated in the
すなわち、この蒸留廃液L6は第2発酵部21に送られ、そのメタン発酵槽21A中でメタン発酵することによりバイオガスG1となる。このバイオガスG1は、エネルギー源として有用なメタン(CH4)と共に無用な炭酸ガスと硫化水素を含んでいる。硫化水
素は人体に悪影響を与えるだけでなくボイラーや発電機を腐食させる。そこで、第2発酵部21では、バイオガスG1の発生量の5%以上10%以下の空気がメタン発酵槽21A中に導入され、これがバイオガスG1と混合されることによって、その混合ガスG2中の硫化水素の濃度が10ppm以下まで低減させる。なお、それでも硫化水素の濃度が高い場合には、メタン発酵槽21Aと水槽21Bとの間で混合ガスG2を循環させることにより、混合ガスG2中の硫化水素の濃度が低減される。
That is, this distillation waste liquid L6 is sent to the
また、このとき第2発酵部21では、タンパク質が加水分解されアミノ酸になり、脱アミノされてアンモニウムイオンを生成する。またメタン発酵されなかった有機酸を含む有機物が残存するが、アンモニウムイオンが循環式生物学的硝化槽23Bにおいて硝酸イオンに酸化され、この硝酸イオンを含む液の一部を脱窒槽23Aに循環することにより、有機物Aと硝酸イオンとが同時に除去される。
At this time, in the
硫化水素が除去されたバイオガスG1(混合ガスG2)はコージェネレーション部22に送られて蒸気G3およびプラント電力E1にエネルギー変換される。このうち蒸気G3はアルコール生産部10の濃縮部12あるいは蒸留部14の熱源として利用される。また、メタン発酵処理水は液肥として有効利用されるだけでなく、第2発酵部により高度処理→脱色された後、あるいは高度処理後河川に放流される。高度処理水あるいは高度処理→脱色された処理水は生ゴミの加水として再利用される。もしくは循環式生物学的脱窒・硝化部23の脱窒槽23Aで曝気し、さらに硝化槽23Bで曝気することによりBOD 成分を酸化分解し、アンモニウムイオンは硝酸イオンに酸化されるので、この処理水を硝酸イオンを含む液肥として利用できる。なお、硝化槽23Bには浸漬平膜等を入れてもよい。
The biogas G1 (mixed gas G2) from which hydrogen sulfide has been removed is sent to the
以上のアルコール生産システム1では、上記の処理を行うことによりアルコールL1を生成するものであるが、以下の特有の効果を奏するものである。
In the above
このアルコール生産システム1では、まず、糖化部11において、生ごみWに酵素を添加し糖化するが、このとき生ゴミに生息する微生物により主として乳酸が生成され、pH が酸性側にシフトすることにより、雑菌の増殖が抑制される。
In this
次に、濃縮部12において、糖化液L2が濃縮されることにより、濃縮糖化液L3が生成すると共に濃縮糖化液L3の全糖濃度が100g/l以上300g/l以下の範囲となるようにしたので、糖化液L3中の単糖類の濃度が高くなり、第1発酵部で生成アルコールL1濃度は高くなる。また、乳酸A1の濃度も濃縮前の2倍以上になるまで濃縮するようにしているので糖化液L2のpHが低下する。従って、この濃縮過程においても雑菌の増殖が抑制されるだけでなく、第1 発酵部でpH、乳酸濃度およびアルコール濃度により雑菌の増殖をほぼ完全に抑制できる。加えて、この濃縮部11においては、乳酸A1の濃度を高くすることにより、糖化液L2のpHを一定の範囲に調整するようにしているので、例えば、醸造用として一般に用いられているSaccharomyces cerevisiaeを好適に増殖させることができる。
Next, the saccharified solution L2 is concentrated in the concentrating unit 12 so that the concentrated saccharified solution L3 is generated, and the total saccharide concentration of the concentrated saccharified solution L3 is in the range of 100 g / l to 300 g / l. Therefore, the concentration of monosaccharides in the saccharified liquid L3 increases, and the generated alcohol L1 concentration increases in the first fermentation part. In addition, since the concentration of lactic acid A1 is concentrated until it is twice or more that before concentration, the pH of the saccharified solution L2 is lowered. Therefore, not only the growth of miscellaneous bacteria is suppressed during this concentration process, but also the proliferation of miscellaneous bacteria can be almost completely suppressed by the pH, lactic acid concentration and alcohol concentration in the first fermentation part. In addition, in the concentrating
このように本実施の形態のアルコール生産システム(方法)によれば、糖化部11において、生ごみW中に生息する微生物により乳酸が生成して糖化液L2のpHが低くなり、更に、濃縮部12において、濃縮糖化液L3の全糖濃度が100g/l以上300g/l以下の範囲に濃縮されると共に濃縮糖化液L3のpHが乳酸の濃縮によりpH約4になるので、殺菌やpH調整および酵母への栄養源の添加などが不要となる。さらに、第1発酵部で生成されるアルコール濃度が高くなり、かつ連続発酵においてD(濃縮糖化液の供給量を上げる。)を上げることにより雑菌が増殖する前に洗い出 (wash out) させることができるので、濃縮糖化液を殺菌することなく供給することができ、長期連続発酵が可能となる。
As described above, according to the alcohol production system (method) of the present embodiment, in the
また、廃液処理・利用部20として第2発酵部21を備え、蒸留部14から排出された蒸留廃液L6をメタン発酵槽21A中でメタン発酵させることによりバイオガスG1を生成するようにしたので、バイオガスG1をアルコール生産部10における濃縮部12あるいは蒸留部14のエネルギー源として利用することが可能になる。その際、バイオガスG1の発生量の5%以上10%以下の空気をメタン発酵槽21A中に導入してバイオガスG1と混合させることにより、その混合ガスG2中の硫化水素の濃度を低くすることができ、更には、混合ガスG2を水槽21Bとメタン発酵槽21Aとの間で循環させて硫化水素を空気酸化して硫黄にすることにより、混合ガスG2中の硫化水素の濃度を10ppm以下より低くすることが可能になる。
Moreover, since the
また、メタン発酵槽21Aおよび水槽21Bの後段に循環式生物学的脱窒槽23Aを、循環式生物学的脱窒槽23Aの後段に硝化槽23Bを設けるようにしたので、メタン発酵後に残存する有機物と硝酸イオンとを同時に除去することができる。
In addition, the circulation
以上、アルコール生産システム(方法)について説明したが、次に、図5を参照して、このようなシステム(方法)に有用な糖生産方法(第2の実施の形態)について説明する。 The alcohol production system (method) has been described above. Next, a sugar production method (second embodiment) useful for such a system (method) will be described with reference to FIG.
〔第2の実施形態〕
この糖生産方法は、生ごみ処理工程31、糖化工程32および濃縮工程33を含み、バイオマス原料(生ごみW1)から濃縮糖化液L3として糖を生成するものである。
[Second Embodiment]
This sugar production method includes a
生ごみ処理工程31では、生ごみW1に10%以下好ましくは1%以下の乳酸菌培養液L0を添加したのち嫌気状態で保持し、処理ごみW2を生成する。具体的には、図6(A)に示したように、例えば、容器41に充填された生ごみW1に乳酸菌培養液L0を添加したのち、この生ごみW1の上に水が入ったビニール袋42を載置して密閉することにより嫌気状態とする。この嫌気状態を保持することによって処理ごみW2となる。この際、図6(B)に示したように、生ごみ(W12,W13)を注ぎ足して処理することも可能であり、さらには、生ごみに乳酸菌培養液L0を添加した後、破砕することによりミンチ状にして処理するようにしても良い。また、添加する乳酸菌培養液L0の量は、生ごみW1の湿潤重量に対して1%以下の量でも十分である。
In the
糖化工程32では、処理ごみW2と酵素Fとを反応させ処理ごみW2に含まれるデンプン質や一部のセルロース等を糖化し糖化液L2を生成する。具体的には、処理ごみW2と水と酵素Fとを混合したのち、30℃以上、好ましくは50℃以上の温度で糖化する。この際、水の量は処理ごみW2の湿潤重量に対して1/4以上、更には1/2以上とすることが好ましい。
In the
また、酵素Fには、pH3程度でも働く耐酸性を有する酵素、例えば耐酸性グルコアミラーゼを使用してもよい。あるいは、耐酸性と耐熱性を有するグルコアミラーゼを用いてもよい。また、このような酵素の添加後、さらにセルラーゼ酵素を添加するようにしてもよい。これにより、糖をより効率良く回収することが可能となる。酵素Fの量については、湿潤の処理ごみW21kgに対して50mg以上、更には100mg以上とすることが好ましい。 The enzyme F may be an acid-resistant enzyme that works even at a pH of about 3, such as acid-resistant glucoamylase. Alternatively, glucoamylase having acid resistance and heat resistance may be used. Further, after the addition of such an enzyme, a cellulase enzyme may be further added. This makes it possible to recover sugar more efficiently. The amount of enzyme F is preferably 50 mg or more, more preferably 100 mg or more, with respect to 21 kg of wet waste.
以上のような糖化工程32に用いる装置としては、処理ごみW2と酵素Fとの接触がよい反応槽であればよく、例えば回転ドラムや回転ブレード等が好ましい。特に、回転ブレードは、糖化終了後、糖化液L2を回収したのち、糖化残渣Sを粗粉砕しつつ回収することができるので好ましい。
The apparatus used for the
濃縮工程33では、糖化液L2をメッシュ濾過、そして圧搾濾過して得られた糖化清澄液を濃縮して濃縮糖化液L3を生成する。この濃縮糖化液L3の全糖濃度は100g/l以上300g/l以下(糖化液の濃縮割合は1.5倍以上5倍以下)であることが好ましい。この理由は、濃縮糖化液L3をアルコール製造に用いる場合に、アルコール発酵に必要な栄養源が濃縮されると共に、糖化液L2中の単糖類の濃度が高められることにより濃度の高いアルコールを生成することができるからである。なお、濃縮糖化液L3中のアルコール濃度は50g/l以上150g/l以下である。濃縮方法としては常圧濃縮または減圧濃縮が用いられる。 In the concentration step 33, the saccharified clarified liquid obtained by mesh filtration and squeezing and filtering the saccharified liquid L2 is concentrated to produce a concentrated saccharified liquid L3. The total sugar concentration of the concentrated saccharified solution L3 is preferably 100 g / l or more and 300 g / l or less (the concentration ratio of the saccharified solution is 1.5 times or more and 5 times or less). This is because, when the concentrated saccharified liquid L3 is used for alcohol production, the nutrient source necessary for alcohol fermentation is concentrated and the concentration of monosaccharides in the saccharified liquid L2 is increased to produce high concentration alcohol. Because it can. In addition, the alcohol concentration in the concentrated saccharified liquid L3 is 50 g / l or more and 150 g / l or less. As the concentration method, atmospheric concentration or vacuum concentration is used.
また、濃縮工程33は、糖化により生成した乳酸A1の濃度が濃縮前の2倍以上、より具体的には10000mg/l以上、更には30000mg/l以上になるまで糖化液L2を濃縮してpHを低下させる機能も有しており、そのため雑菌の増殖が抑制されるようになっている。すなわち濃縮糖化液L3(糖化液L2)の殺菌が不要となる。ここで、乳酸A1の濃度が濃縮前の2倍以上になるまで糖化液L2が濃縮されることにより濃縮糖化液L3のpHが、例えば2.5以上5.5以下の範囲に自然と調整される。なお、このpH領域でアルコール発酵で使用する酵母は増殖するので、濃縮糖化液L3に対してのpHの調整や殺菌処理を特に必要としないが、残存する雑菌を更に低減した状態あるいは好適なpHの状態で濃縮糖化液L3をアルコール発酵させる場合には、殺菌処理あるいはpH調整を施してもよい。濃縮工程33の好適な条件として、例えば、発酵pH4前後で、希釈率Dを0.2h-1以上とすることにより、アルコール発酵中に雑菌が増殖するのを完全に防ぐことが可能となる。
In the concentration step 33, the saccharified solution L2 is concentrated until the concentration of lactic acid A1 produced by saccharification is 2 times or more of that before concentration, more specifically 10000 mg / l or more, further 30000 mg / l or more. It also has a function of reducing the growth of bacteria, and therefore, the growth of miscellaneous bacteria is suppressed. That is, the sterilization of the concentrated saccharified liquid L3 (saccharified liquid L2) becomes unnecessary. Here, by concentrating the saccharified liquid L2 until the concentration of lactic acid A1 becomes twice or more that before concentration, the pH of the concentrated saccharified liquid L3 is naturally adjusted to a range of, for example, 2.5 or more and 5.5 or less. The In addition, since yeast used for alcoholic fermentation grows in this pH range, pH adjustment and sterilization treatment for concentrated saccharified liquid L3 are not particularly required, but the remaining germs are further reduced or a suitable pH. When the concentrated saccharified solution L3 is subjected to alcoholic fermentation in the state described above, sterilization treatment or pH adjustment may be performed. As suitable conditions for the concentration step 33, for example, by setting the dilution rate D to 0.2 h −1 or more at around
次に、この糖生産方法の作用・効果について説明する。 Next, the action and effect of this sugar production method will be described.
まず、生ごみ処理工程31において、生ごみW1に10%以下好ましくは1%以下の乳酸菌培養液L0を添加したのち嫌気状態で保持することにより、生ごみW1が乳酸発酵して、pHが低下するため、生ごみW1の鮮度が保持される。従って、糖化液L2の回収率の低下や、糖化液L2中での酢酸等のアルコール発酵を阻害する有機酸の生成が抑制される。このように生ごみW1が処理されることにより処理ごみW2が得られる。
First, in the food
続いて、糖化工程32において、処理ごみW2が例えば回転ブレードにより粉砕されつつ酵素Fにより糖化されることによって糖化液L2が生成される。また同時に、処理ごみW2中に生息する微生物によっても、主として乳酸発酵が起こり処理ごみW2が糖化される。その結果、乳酸A1を主成分とする有機酸Aが生成され、糖化液L2の水素イオン指数(pH)が、pH3〜4程度の酸性に保たれる。これによって、雑菌の増殖が抑制され、糖化液の殺菌が不要となる。
Subsequently, in the
このpHの低下した糖化液L2は、糖化残渣Sと分離され、更に上述の濾過により糖化清澄液L3に精製されたのち、濃縮工程33で濃縮糖化液L3として糖が回収される。 The saccharified liquid L2 having a lowered pH is separated from the saccharified residue S and further purified to the saccharified clarified liquid L3 by the filtration described above, and then the saccharide is recovered as the concentrated saccharified liquid L3 in the concentration step 33.
このように本実施の形態の糖生産方法によれば、生ごみ処理工程31において、生ごみW1に10%以下好ましくは1%以下の乳酸菌培養液L0を添加したのち嫌気状態で保持するようにしたので、生ごみW1の鮮度が保持される。従って、糖化液L2の回収率の低下や、糖化液L2中での酢酸等のアルコール発酵を阻害する有機酸の生成を抑制することができるため糖を効率良く生成することが可能となる。このように生成された糖(グルコース)は、アルコールのみならず、グルコース電池などの燃料電池の原料としても利用され得る。
As described above, according to the sugar production method of the present embodiment, in the
以下、第1の実施の形態についての具体的な実施例について説明する。
(実施例1−1,1−2)
実施例1−1,1−2では、ホテルから排出された生ごみW1を用いて回分発酵試験を行った。
Hereinafter, specific examples of the first embodiment will be described.
(Examples 1-1 and 1-2)
In Examples 1-1 and 1-2, a batch fermentation test was performed using the garbage W1 discharged from the hotel.
まず、厨芥や食べ残し等の食品ごみ(生ごみ)20kgと、水(水道水)10lと、グルコアミラーゼとしてナガセケムテックス(株)のグルコチーム12gとを糖化槽に投入し、50℃の温度下で6時間攪拌した。そののち、メッシュろ過を行うことにより大きな固形分を除去し、更にフィルタープレスで微細な固形分を除去することにより約20kgの糖化液(糖化清澄液)L2を得た。ここで、湿潤重量とは食品ごみ中に混在する液状のごみも含めた重量(質量)を意味する。また、グルコチームには食品添加剤が半分含まれているので、実質的な酵素の投入量は6gである。 First, 20 kg of food waste (raw food) such as rice cake and leftovers, 10 l of water (tap water), and 12 g of glucoteam of Nagase ChemteX Corporation as glucoamylase are put into a saccharification tank, and the temperature is 50 ° C. Stir for 6 hours under. After that, a large solid content was removed by mesh filtration, and further a fine solid content was removed with a filter press to obtain about 20 kg of saccharified liquid (saccharified clarified liquid) L2. Here, the wet weight means the weight (mass) including liquid waste mixed in food waste. In addition, since glucosteam contains half of the food additive, the substantial enzyme input is 6 g.
得られた糖化液L2の初期状態を分析した。その結果、初発グルコース濃度82g/l、pH4.10、全窒素濃度4.65g/l、NH4 + 性窒素濃度:4.35g/l、NO3 - 性窒素濃度:0.1g/l)であった。また、有機酸については乳酸濃度15700mg/l、酢酸1500mg/lであったことから乳酸発酵がかなり進んでいることが分かった。なお、一般の発酵では全糖濃度に対して硫安を1%添加する場合が多いが、本実施例では上記のように糖化液L2の全窒素濃度が初発グルコース濃度に対して5.7%と高かったことから硫安の添加は行わなかった。 The initial state of the obtained saccharified liquid L2 was analyzed. As a result, initial glucose concentration 82g / l, pH4.10, total nitrogen concentration 4.65g / l, NH 4 + nitrogen concentration: 4.35g / l, NO 3 - Nitrogen concentration: 0.1 g / l) in there were. In addition, for the organic acid, it was found that lactic acid fermentation was proceeding considerably since the lactic acid concentration was 15700 mg / l and acetic acid was 1500 mg / l. In general fermentation, 1% ammonium sulfate is often added to the total sugar concentration, but in this example, the total nitrogen concentration of the saccharified liquid L2 is 5.7% with respect to the initial glucose concentration as described above. Since it was high, no ammonium sulfate was added.
(培地調製)
続いて、実施例1−1では、初期状態の糖化液L2を90ml採取して空滅菌した300mlの三角フラスコに投入し、実施例1−2では、初期状態の糖化液L2に栄養源である酵母エキス(YE;Yeast Extract )を10g/lとなるように添加したものを90ml採取して空滅菌した300mlの三角フラスコに投入した。更に、予め調製しておいた前培養液10mlをそれぞれの三角フラスコに投入することにより、実施例1−1の無添加培地および実施例1−2のYE添加培地を調製した。すなわち、実施例1−1,1−2では、糖化液に対して濃縮、pH調整および滅菌処理を行わずに各培地を調製した。前培養液の植菌量は一般には容積比で5〜10%であるが、ここでは上述したように殺菌処理していない糖化液に10%になるように前培養液を植菌した。これ以降の無殺菌の実施例についても同様である。前培養液については、5%YPD培地(グルコース5g/l,酵母エキス(YE)1g/l, ポリペプトン1g/l)にスラント(斜面培地;酵母を寒天培地に保存しておく方法)で保存しておいた凝集性酵母を1白金耳植菌したのち、30℃、160rpmで16時間振とう培養して調製した。
(Medium preparation)
Subsequently, in Example 1-1, 90 ml of the initial saccharified liquid L2 is collected and charged into an empty sterilized 300 ml Erlenmeyer flask. In Example 1-2, the saccharified liquid L2 in the initial state is a nutrient source. 90 ml of a yeast extract (YE; Yeast Extract) added to a concentration of 10 g / l was sampled and placed in a 300 ml Erlenmeyer flask that had been sterilized in the air. Furthermore, by adding 10 ml of the preculture solution prepared in advance to each Erlenmeyer flask, an additive-free medium of Example 1-1 and a YE-added medium of Example 1-2 were prepared. That is, in Examples 1-1 and 1-2, each medium was prepared without concentrating, adjusting the pH, and sterilizing the saccharified solution. The inoculation amount of the preculture solution is generally 5 to 10% in volume ratio, but here, the preculture solution was inoculated so as to be 10% in the saccharified solution that has not been sterilized as described above. The same applies to the non-sterilized examples thereafter. The pre-culture solution is stored in a 5% YPD medium (glucose 5 g / l, yeast extract (YE) 1 g / l, polypeptone 1 g / l) in a slant (slope medium; a method of storing yeast in an agar medium). The inoculated yeast was inoculated with 1 platinum ear and then cultured by shaking at 30 ° C. and 160 rpm for 16 hours.
(回分発酵試験)
実施例1−1, 1−2の各培地が入った三角フラスコを30℃の恒温水槽に浸漬し、400rpmの条件下で回分発酵試験を行い、回分発酵試験開始から24時間後および48時間後におけるアルコール(エタノール)濃度の測定を行った。
(Batch fermentation test)
The Erlenmeyer flask containing each medium of Examples 1-1 and 1-2 was immersed in a constant temperature water bath at 30 ° C., and a batch fermentation test was performed under the condition of 400 rpm. 24 hours and 48 hours after the start of the batch fermentation test The alcohol (ethanol) concentration in was measured.
表1は発酵24時間後と48時間後の実施例1−1,1−2の生成エタノール濃度を示している。この結果から、発酵開始から24時間後では、実施例1−1(無添加培地)のエタノール濃度は実施例1−2(YE添加培地)のものに比べて約10g/l低かった。しかし、発酵開始から48時間後では、各実施例においてエタノール濃度の差は殆ど見られなかった。また、発酵開始から48時間後における発酵収率はYE添加培地では約95%であった。本結果から、酵母エキスを添加することにより発酵速度が向上することが分かった。ここで、発酵収率(W)とは、式1の反応式を全アルコールの生成反応と仮定して、数2に示したように、エタノールの理論収量(X)に対する実際の収量(Y)の割合を意味する。アルコールの理論収量(X)は、数3に示したように、その反応(質量)比(グルコース:アルコール=180:92)と濃縮糖化液L3中のグルコース量(Z)とにより求まる。
(式1)
C6H12O6→2C2H5OH+2CO2
(数2)
(発酵収率W)=(実際の収量Y)/(理論収量X)×100
(数3)
(理論収量X)={(濃縮糖化液L3中のグルコース量Z)×92}/180
Table 1 shows the ethanol concentrations produced in Examples 1-1 and 1-2 after 24 hours and 48 hours after fermentation. From this result, 24 hours after the start of fermentation, the ethanol concentration of Example 1-1 (non-added medium) was about 10 g / l lower than that of Example 1-2 (YE-added medium). However, after 48 hours from the start of fermentation, there was almost no difference in ethanol concentration in each Example. The
(Formula 1)
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2
(Equation 2)
(Fermentation yield W) = (actual yield Y) / (theoretical yield X) × 100
(Equation 3)
(Theoretical yield X) = {(glucose amount Z in concentrated saccharified liquid L3) × 92} / 180
(実施例2−1〜2−4)
実施例2−1〜2−4では、コンビニエンスストアから排出された生ごみW1から糖化液L2を作製したのち、更にこの糖化液L2を濃縮した濃縮糖化液L3を用いて無添加培地およびYE添加培地を調製すると共に、それぞれの培地に対して殺菌処理を行ったものと殺菌処理を行わなかったものについて回分発酵試験を行った。
(Examples 2-1 to 2-4)
In Examples 2-1 to 2-4, after preparing the saccharified liquid L2 from the garbage W1 discharged from the convenience store, using the concentrated saccharified liquid L3 obtained by further concentrating the saccharified liquid L2, an additive-free medium and YE added While preparing the culture media, batch fermentation tests were performed on those media that were sterilized and those that were not sterilized.
まず、賞味期限切れ弁当等の比較的腐敗の少ない食品ごみ(生ごみ)と水(水道水)とを重量比が食品ごみ:水=2:1(生ごみの湿潤重量12.8kg,水道水約6kg)となるように糖化槽に投入し、更に、実施例1−1,1−2と同一のグルコアミラーゼ7.7gを投入して、50℃の温度下で6時間攪拌した。そののち、メッシュろ過を行うことにより大きな固形分を除去し、更にフィルタープレスで微細な固形分を除去することにより約12.5kgの糖化液(糖化清澄液)L2を得た。なお、グルコチームには食品添加剤が半分含まれているので、実質的な酵素の投入量は3.85gである。 First, the weight ratio of food waste (food waste) and water (tap water), such as lunch boxes that have expired, is food waste: water = 2: 1 (wet weight of food waste 12.8 kg, about tap water) 6 kg), 7.7 g of the same glucoamylase as in Examples 1-1 and 1-2 was added, and the mixture was stirred at a temperature of 50 ° C. for 6 hours. Thereafter, a large solid content was removed by performing mesh filtration, and a fine solid content was further removed by a filter press to obtain about 12.5 kg of saccharified liquid (saccharified clarified liquid) L2. In addition, since the food additive is contained in half in glucosteam, the input amount of substantial enzyme is 3.85 g.
続いて、得られた糖化液L2を5kgだけ10lのナスフラスコに入れ、エヴァポレーター(EYELA ROTARY VACUUM EVAPORATORN-11)を用いて10mmHgの減圧下、60℃もしくは80℃でグルコース濃度が約17%になるまで減圧濃縮することにより濃縮糖化液L3を得た。なお、濃縮糖化液L3の初期状態は、グルコース濃度174g/l、乳酸濃度9900mg/l、酢酸濃度640mg/lであった。 Subsequently, 5 kg of the obtained saccharified solution L2 is put into a 10-liter eggplant flask, and the glucose concentration is about 17% at 60 ° C. or 80 ° C. under reduced pressure of 10 mmHg using an evaporator (EYELA ROTARY VACUUM EVAPORATORN-11). Concentrated saccharified liquid L3 was obtained by concentrating under reduced pressure until it became. The initial state of the concentrated saccharified solution L3 was a glucose concentration of 174 g / l, a lactic acid concentration of 9900 mg / l, and an acetic acid concentration of 640 mg / l.
続いて、実施例2−1,2−2では無殺菌の濃縮糖化液L3、すなわちそのままの濃縮糖化液L3を90ml採取して空滅菌した300mlの三角フラスコに投入したのち、実施例2−1については実施例1−1と同様にして無添加培地を作製し、実施例2−2については実施例1−2と同様にしてYE添加培地を作製した。また、実施例2−3,2−4では濃縮糖化液L3を90ml採取して300mlの三角フラスコに投入したのち、滅菌器で120℃、15分間殺菌した。実施例2−3については実施例1−1と同様にして無添加培地を作製し、実施例2−4については実施例1−2と同様にしてYE添加培地を作製した。すなわち、実施例2−1〜2−4では、pH調整を行わずに各培地を調製した。 Subsequently, in Examples 2-1 and 2-2, 90 ml of the non-sterilized concentrated saccharified solution L3, that is, the concentrated saccharified solution L3 as it was was put into a 300 ml Erlenmeyer flask that had been sterilized empty, and then Example 2-1 Was prepared in the same manner as in Example 1-1, and a non-added medium was prepared in the same manner as in Example 1-2. In Examples 2-3 and 2-4, 90 ml of concentrated saccharified liquid L3 was collected and placed in a 300 ml Erlenmeyer flask, and then sterilized with a sterilizer at 120 ° C. for 15 minutes. For Example 2-3, a non-added medium was prepared in the same manner as in Example 1-1, and for Example 2-4, a YE-added medium was prepared in the same manner as in Example 1-2. That is, in Examples 2-1 to 2-4, each medium was prepared without adjusting the pH.
実施例2−1〜2−4についても実施例1−1,1−2と同様にして回分発酵試験を行い、エタノール濃度の測定を行った。 For Examples 2-1 to 2-4, a batch fermentation test was performed in the same manner as in Examples 1-1 and 1-2, and the ethanol concentration was measured.
表2は実施例2−1〜2−4の発酵24時間後と48時間後の生成エタノール濃度を示している。この結果から、試験開始から24時間後では、滅菌の有無に関わらず、いずれの実施例も濃縮により発酵速度が向上することが分かった。また、試験開始から48時間後では、無殺菌の実施例2−1,2−2の方が殺菌処理を行った実施例2−2,2−3よりも若干エタノール濃度は高く、特に、実施例2−1の発酵収率は約97%と高いものであった。なお、発酵収率の計算方法は実施例1−1,1−2と同様である。 Table 2 shows the ethanol concentrations produced in Examples 2-1 to 2-4 after 24 and 48 hours of fermentation. From this result, it was found that after 24 hours from the start of the test, the fermentation rate was improved by concentration in any of the examples regardless of the presence or absence of sterilization. Further, after 48 hours from the start of the test, the non-sterilized Examples 2-1 and 2-2 had a slightly higher ethanol concentration than the Examples 2-2 and 2-3 in which the sterilization treatment was performed. The fermentation yield of Example 2-1 was as high as about 97%. In addition, the calculation method of fermentation yield is the same as that of Examples 1-1 and 1-2.
また、濃縮糖化液L3を用いた実施例2−1から2−4は、糖化液L2を用いた実施例1−1(無添加培地)よりも発酵試験48時間後の発酵収率が5〜7%高く、糖化液を濃縮することにより発酵収率を向上させることができることも分かった。
In addition, Examples 2-1 to 2-4 using the concentrated saccharified liquid L3 have a fermentation yield of 5 to 5 hours after the
以上により、濃縮糖化液の殺菌、YEなどの栄養源の添加、およびpH調整の有無に関わらず、高効率でエタノールを生成させることができることが分かった。 From the above, it has been found that ethanol can be generated with high efficiency regardless of the sterilization of the concentrated saccharified solution, the addition of nutrient sources such as YE, and the presence or absence of pH adjustment.
(実施例3−1,3−2)
実施例3−1,3−2では、実施例1−1,1−2と同様にして、ホテルから排出された生ごみW1から糖化液L2を別途作製したのち、実施例2−1,2−2と同様に糖化液L2を濃縮して乳酸濃度の高い濃縮糖化液L3(無殺菌)を用いて無添加培地およびYE添加培地を調製して回分発酵試験を行うことにより、乳酸濃度の影響を調べた。濃縮糖化液L3の初期状態については、グルコース濃度152.5g/l、乳酸濃度31100mg/l、酢酸濃度1200mg/l、pH4.3であった。
(Examples 3-1 and 3-2)
In Examples 3-1 and 3-2, in the same manner as in Examples 1-1 and 1-2, saccharified liquid L2 was separately prepared from garbage W1 discharged from the hotel, and then Examples 2-1 and 2-2 were prepared. Of lactic acid concentration by concentrating saccharified liquid L2 and preparing a non-additive medium and a YE-added medium using concentrated saccharified liquid L3 (non-sterilized) having a high lactic acid concentration and performing batch fermentation tests in the same manner as -2 I investigated. Regarding the initial state of the concentrated saccharified liquid L3, the glucose concentration was 152.5 g / l, the lactic acid concentration was 31100 mg / l, the acetic acid concentration was 1200 mg / l, and the pH was 4.3.
表3は実施例3−1,3−2の発酵24時間後と48時間後の生成エタノール濃度を示している。この結果から、試験開始から24時間後および48時間後においてYE添加の有無に関わらず、いずれの実施例も同等のエタノール濃度が得られた。ここで、実施例2−1,2−2と比較すると、試験開始から24時間後および48時間後においてエタノール濃度が若干低く、実施例3−1,3−2の48時間後の発酵収率も90%と実施例2−1の97%と比較すると若干低かったが、90%強の高い発酵収率を得ることができた。よって、乳酸濃度は10000mg/l以上であることが好ましく、30000mg/l以上でも遜色はなくエタノール発酵が可能であることが分かった。なお、本実施例の発酵収率の計算方法についても実施例1−1,1−2と同様である。
Table 3 shows the ethanol concentrations produced after 24 hours and 48 hours of fermentation in Examples 3-1 and 3-2. From these results, the same ethanol concentration was obtained in all Examples regardless of the presence or absence of
(実施例4)
実施例4では、ホテルから排出された生ごみW1から糖化液L2を別途作製したのち濃縮して得られた濃縮糖化液L3を用いて連続発酵試験を行った。
Example 4
In Example 4, a continuous fermentation test was performed using the concentrated saccharified solution L3 obtained by separately preparing the saccharified solution L2 from the garbage W1 discharged from the hotel and concentrating it.
糖化液L2については実施例1−1,1−2と同様にして作製し、実施例2−1,2−2と同様にして糖化液L2を濃縮することにより濃縮糖化液L3を得た。濃縮糖化液L3の初期状態については、グルコース濃度153g/l、乳酸濃度34900mg/l、酢酸濃度1400mg/l、pH4.0であった。なお、作製した濃縮糖化液L3は無殺菌であるので、連続発酵試験を開始するまで冷蔵庫に貯蔵した。 The saccharified liquid L2 was produced in the same manner as in Examples 1-1 and 1-2, and the saccharified liquid L2 was concentrated in the same manner as in Examples 2-1 and 2-2 to obtain a concentrated saccharified liquid L3. Regarding the initial state of the concentrated saccharified liquid L3, the glucose concentration was 153 g / l, the lactic acid concentration was 34900 mg / l, the acetic acid concentration was 1400 mg / l, and the pH was 4.0. In addition, since the produced concentrated saccharified liquid L3 is non-sterilized, it was stored in the refrigerator until the continuous fermentation test was started.
続いて、前培養液0.45lを連続発酵槽に投入したのち、濃縮糖化液(無殺菌・無添加培地)をチューブ式ポンプを用いて塔型リアクタの底部から供給することにより連続発酵試験を開始した。前培養液は実施例1−1で用いたものと同様にして調製したものを用いた。 Subsequently, after adding 0.45 l of the preculture solution to the continuous fermenter, the concentrated saccharified solution (non-sterilized / non-added medium) is supplied from the bottom of the tower reactor using a tube pump. Started. The preculture solution used was prepared in the same manner as that used in Example 1-1.
連続発酵槽としては、実容量0.45lで上部に固気液三相分離部を備えたアクリル製の塔型リアクタを用いた。上部にはpH電極を挿入してpHを制御できるようにした。流動部には外部ジャケットを設けて恒温水を流すことにより、発酵温度を所定の温度に維持できるようにした。底部にはボールフィルターを設置して塔型リアクタ内にボールフィルターを通して除菌された空気を微量通気できるようにした。また、上部および底部に分岐管を付け、上部から底部へと発酵中の濃縮糖化液(槽内液)を循環できるようにした。 As the continuous fermenter, an acrylic tower reactor having an actual volume of 0.45 l and a solid-gas-liquid three-phase separation unit at the top was used. A pH electrode was inserted at the top so that the pH could be controlled. An external jacket was provided in the fluidized part, and constant temperature water was allowed to flow so that the fermentation temperature could be maintained at a predetermined temperature. A ball filter was installed at the bottom so that a small amount of air sterilized through the ball filter could be vented into the tower reactor. In addition, branch pipes were attached to the top and the bottom so that the concentrated saccharified liquid (liquid in the tank) during fermentation could be circulated from the top to the bottom.
(連続発酵試験)
試験開始から試験開始3日目までは、試験開始前の濃縮糖化液L3のpHが4.0であったので槽内液のpHを4.3になるように制御し、発酵温度30℃、空気の通気量0.025vvmの条件で、希釈率Dが0.1h-1になるように供給した。試験開始3日目から試験開始20日目までは、D=0.2h-1、D=0.3h-1となるように希釈率Dを段階的に上げていった。更に、試験開始25日目から試験開始40日目までは、槽内液のpHを制御することなくD=0.3h-1の条件で連続発酵試験を継続して行った。
(Continuous fermentation test)
From the start of the test to the third day of the start of the test, the pH of the concentrated saccharified liquid L3 before the start of the test was 4.0, so the pH of the solution in the tank was controlled to be 4.3, the fermentation temperature was 30 ° C, The air was supplied at a dilution rate of 0.1 h −1 under the condition of air flow rate of 0.025 vvm. Start of the
図3は、実施例4の連続発酵試験において段階的に希釈率を上げていったときの生成エタノール濃度の経日変化を示している。図4は、図3で各希釈率Dにおいて安定したデータを用いて希釈率Dに対するエタノールの生産性および希釈率Dに対する発酵収率を示した。これらの結果から、試験開始3日目でエタノール濃度が70g/lに達した。試験開始3日目から試験終了日(40日目)までは、上述のように希釈率Dを段階的に上げてもエタノール濃度は70g/l〜72g/lであり、ほとんど変化が見られなかったことから安定した連続発酵が可能であることが分かった。更に、試験開始25日目から試験開始40日目までは、発酵槽内のpHを制御をすることなくD=0.3h-1の条件下で試験を継続したが、槽内液のpHは約4.0に低下したものの、エタノール濃度には変化なく、生産性21g/l/h〜22g/l/h、発酵収率90%〜92%を達成することができた。ここで、生産性は生成エタノール濃度Pと希釈率Dの積により求められるものである(生産性=P×D)。なお、本実施例の発酵収率の計算方法についても実施例1−1,1−2と同様である。 FIG. 3 shows changes over time in the ethanol concentration produced when the dilution rate was increased stepwise in the continuous fermentation test of Example 4. FIG. 4 shows the productivity of ethanol with respect to the dilution rate D and the fermentation yield with respect to the dilution rate D using stable data at each dilution rate D in FIG. From these results, the ethanol concentration reached 70 g / l on the third day from the start of the test. From the 3rd day to the last day (40th day) of the test, even if the dilution rate D is increased stepwise as described above, the ethanol concentration is 70 g / l to 72 g / l with almost no change. It was found that stable continuous fermentation was possible. Further, from the 25th day to the 40th day of the test, the test was continued under the condition of D = 0.3h -1 without controlling the pH in the fermenter. Although it was lowered to about 4.0, the ethanol concentration was not changed, and a productivity of 21 g / l / h to 22 g / l / h and a fermentation yield of 90% to 92% could be achieved. Here, the productivity is obtained by the product of the generated ethanol concentration P and the dilution rate D (productivity = P × D). In addition, it is the same as that of Examples 1-1 and 1-2 also about the calculation method of the fermentation yield of a present Example.
次に、第2の実施の形態についての具体的な実施例および比較例について説明する。生ごみW1としては、湿潤重量1kg(水分を約80%含む)あたり全糖として118gの糖を含有するものを用いた。なお、全糖の定量は、生ごみ1kgに対して、水0.5kgを加えよく混合したものからサンプルとして10ml採取し、これに90mlの蒸留水と25%塩酸溶液10mlを加え、沸騰水溶液中で加水分解した後、この加水分解液のpHを中和したものを用いて、ソモギー・ネルソン法により行った。
(実施例5−1〜5−5)
実施例5−1〜5−5では、容器41に生ごみW1を投入したのち乳酸菌培養液L0を散布して3日間保持した処理ごみW2を用い、これに酵素Fを添加して50℃の反応温度下で糖化を行った。酵素Fとしては、実施例5−1ではグルコチーム20000、実施例5−2では長瀬酵素剤N−40、実施例5−3ではスミチーム、実施例5−4ではスミチームAL、実施例5−5ではスミチーム焼酎を用いた。更に、各実施例の他の糖化条件については表4に示した条件に調整した。
Next, specific examples and comparative examples of the second embodiment will be described. As garbage W1, what contained 118g of saccharides as a total saccharide per 1kg of wet weight (containing about 80% of water) was used. The total sugar was quantified by taking 10 ml of a sample from 0.5 kg of water and mixing well with 1 kg of garbage, and adding 90 ml of distilled water and 10 ml of a 25% hydrochloric acid solution to the sample. After hydrolyzing, the solubilized Nelson method was used with the hydrolyzed solution neutralized in pH.
(Examples 5-1 to 5-5)
In Examples 5-1 to 5-5, the waste W1 was put into the
上記条件下で、反応時間1時間後と6時間後の有機酸(乳酸および酢酸)濃度およびpHを測定したところ、各反応時間に対する乳酸濃度が6200mg/lと6250mg/l、酢酸濃度が1300mg/lと1310mg/l、pHは3.8と、測定値がほぼ一定であった。この結果より、雑菌がほとんど繁殖せず生ごみの鮮度が一定に保持されていることがわかった。 Under the above conditions, the organic acid (lactic acid and acetic acid) concentration and pH after 1 hour and 6 hours of reaction time were measured. The lactic acid concentrations for each reaction time were 6200 mg / l and 6250 mg / l, and the acetic acid concentration was 1300 mg / l. 1 and 1310 mg / l, pH was 3.8, and the measured values were almost constant. From this result, it was found that the germs hardly grew and the freshness of the garbage was kept constant.
図7ないし図11には、各実施例における糖化を行った時間(反応時間(h))に対するグルコース濃度(g/l)の関係を示し、さらに表5には、糖化液のグルコース濃度および糖回収率についてまとめた。これらの結果から、実施例5−2(長瀬酵素剤N−40)において最も高いグルコース濃度および糖回収率が得られ、長瀬酵素剤N−40が他の酵素に比べて特に優れた耐酸性を有することがわかった。なお、グルコース濃度の定量は、F−キット・グルコース(ベーリンガー・マンハイム株式会社、輸入販売元J.K.インター
ナショナル)試薬を用いて行った。また、糖回収率は、式2により求めた(以下の実施例も同様)。
(式2)
(糖回収率)=(酵素反応により生成したグルコース濃度/ 生ごみと水混合物中の全糖濃度)×100
7 to 11 show the relationship of the glucose concentration (g / l) to the saccharification time (reaction time (h)) in each Example, and Table 5 shows the glucose concentration and sugar of the saccharified solution. The recovery was summarized. From these results, the highest glucose concentration and sugar recovery rate were obtained in Example 5-2 (Nagase Enzyme N-40), and Nagase Enzyme N-40 exhibited particularly excellent acid resistance compared to other enzymes. I found it. The glucose concentration was quantified using an F-kit glucose (Boehringer Mannheim Co., Ltd., import / seller JK International) reagent. In addition, the sugar recovery rate was obtained by Equation 2 (the same applies to the following examples).
(Formula 2)
(Sugar recovery rate) = (Glucose concentration produced by enzyme reaction / total sugar concentration in garbage and water mixture) × 100
(実施例6−1〜6−4)
実施例6−1〜6−4では、容器41に生ごみW1を投入したのち乳酸菌培養液L0を散布して3日間保持した処理ごみW2を用い、これに酵素Fを添加して60℃の反応温度下で糖化を行った。酵素Fとしては、実施例6−1では長瀬酵素剤N−40を212mg、実施例6−2では長瀬酵素剤N−40を170mg、実施例6−3では長瀬酵素剤N−40を127mg、実施例6−4ではグルコチーム20000を600mg(食品添加物50%含有)用いた。更に、各実施例の他の糖化条件については表6に示した条件に調整した。
(Examples 6-1 to 6-4)
In Examples 6-1 to 6-4, the waste W1 was put into the
図12ないし図15には、各実施例における反応時間(h)に対するグルコース濃度(g/l)の関係を示し、さらに表7には、各実施例の糖化液のグルコース濃度と糖回収率についてまとめた。この結果、実施例6−1において最も高いグルコース濃度が得られ、糖回収率は85.5%にも達し、反応温度を50℃とした実施例5−2よりも9%近く向上した。また、実施例6−2、実施例6−3において、長瀬酵素剤N−40の添加量を削減した場合についても、81.9%、81.7%と高い糖回収率が得られた。一方、実施例6−4のグルコチーム20000については、糖回収率が24.4%となり、反応温度を50℃とした実施例5−1よりも著しく低下した。このことから、長瀬酵素剤N−40は、耐酸性に加え耐熱性にも優れた酵素であることがわかった。
12 to 15 show the relationship of the glucose concentration (g / l) to the reaction time (h) in each example, and Table 7 shows the glucose concentration and sugar recovery rate of the saccharified liquid in each example. Summarized. As a result, the highest glucose concentration was obtained in Example 6-1, the sugar recovery rate reached 85.5%, which was nearly 9% higher than Example 5-2 in which the reaction temperature was 50 ° C. In Examples 6-2 and 6-3, high sugar recovery rates of 81.9% and 81.7% were also obtained when the amount of Nagase enzyme N-40 added was reduced. On the other hand, about the glucosteam 20000 of Example 6-4, the saccharide | sugar collection | recovery rate became 24.4%, and fell significantly rather than Example 5-1 which made
実施例5−1〜5−5および実施例6−1〜6−4の結果から、糖化工程で用いる酵素には、耐酸性あるいは耐酸性および耐熱性を有する酵素を使用することが有効であることがわかった。 From the results of Examples 5-1 to 5-5 and Examples 6-1 to 6-4, it is effective to use an enzyme having acid resistance or acid resistance and heat resistance for the enzyme used in the saccharification step. I understood it.
(比較例1,2)
実施例5−1〜5−5に対する比較例1,2では、容器に生ごみW1を投入し、乳酸菌培養液L0を散布しないで室温(25℃〜33℃)で3日間放置した処理ごみW3を用いて糖化を行った。この処理ごみW3の表面にはカビが繁殖し、生ごみ特有の腐敗臭がしていた。
(Comparative Examples 1 and 2)
In Comparative Examples 1 and 2 with respect to Examples 5-1 to 5-5, the waste W1 was put into a container and left for 3 days at room temperature (25 ° C. to 33 ° C.) without spraying the lactic acid bacteria culture solution L0. Saccharification was performed using Molds propagated on the surface of the treated waste W3 and had a rotting odor peculiar to garbage.
次に、処理ごみW3に酵素を添加して50℃の反応温度下で糖化を行った。酵素としては、比較例1ではグルコチーム20000、比較例2では長瀬酵素剤N−40を用いた。 Next, an enzyme was added to the treated waste W3 and saccharification was performed at a reaction temperature of 50 ° C. As the enzyme, Glucozyme 20000 was used in Comparative Example 1, and Nagase Enzyme N-40 was used in Comparative Example 2.
上記条件下で、反応時間1時間後と6時間後の有機酸(乳酸および酢酸)濃度およびpHを測定したところ、乳酸濃度が7950mg/lと8520mg/l、酢酸濃度が1440mg/lと1910mg/l、pHの値も3.6程度とやや酸性側にシフトしていた。すなわち、有機酸濃度が実施例5−1〜5−5よりも高い値を示し、また時間経過と共に増加する傾向にあった。これは、主に生ごみにおける雑菌汚染によるものと考えられるため、この結果からも、乳酸菌培養液を用いなかった場合には、雑菌の繁殖により腐敗が進んでいることがわかった。 Under the above conditions, the organic acid (lactic acid and acetic acid) concentration and pH after 1 hour and 6 hours of reaction time were measured. The lactic acid concentration was 7950 mg / l and 8520 mg / l, and the acetic acid concentration was 1440 mg / l and 1910 mg / l. The values of l and pH were slightly shifted to the acidic side at about 3.6. That is, the organic acid concentration showed a higher value than that of Examples 5-1 to 5-5, and tended to increase with time. Since this is considered to be mainly due to contamination of garbage in garbage, it was also found from this result that when the lactic acid bacteria culture solution was not used, spoilage progressed due to propagation of the bacteria.
図16および図17には、各比較例における糖化を行った時間(反応時間(h))に対するグルコース濃度(g/l)の関係を示し、さらに表8には、糖化液のグルコース濃度と糖回収率についてまとめた。これらの結果から、比較例2(長瀬酵素剤N−40)の方が比較例1(グルコチーム20000)よりも高い糖回収率が得られるものの、乳酸菌培養液L0を用いた実施例5−1、5−2よりも糖回収率が低くなることが分かった。 FIG. 16 and FIG. 17 show the relationship of glucose concentration (g / l) to the saccharification time (reaction time (h)) in each comparative example, and Table 8 shows the glucose concentration and saccharide of the saccharified solution. The recovery was summarized. From these results, although Comparative Example 2 (Nagase Enzyme N-40) has a higher sugar recovery rate than Comparative Example 1 (Glucoteam 20000), Example 5-1 using lactic acid bacteria culture solution L0 was used. It was found that the sugar recovery rate was lower than that of 5-2.
実施例5−1〜5−5および比較例1,2の結果から、乳酸菌培養液を散布して生ごみの鮮度を保持することによって、生ごみからの糖回収率が向上することがわかった。 From the results of Examples 5-1 to 5-5 and Comparative Examples 1 and 2, it was found that the sugar recovery rate from the garbage was improved by spraying the lactic acid bacteria culture solution to maintain the freshness of the garbage. .
1…アルコール生産システム、2…アルコール生産方法、10…アルコール生産部、11…糖化部、12…濃縮部、13…第1発酵部、14…蒸留部、15…脱水部、20…廃液処理・利用部、21…第2発酵部、21A…メタン発酵槽、21B…水槽、22…コージェネレーション、23…循環式生物学的脱窒・硝化部、23A…脱窒槽、23B…硝化槽、24…脱色部、31…生ごみ処理工程、32…糖化工程、33…濃縮工程、41…容器、42…ビニール袋、A…有機酸、A1…乳酸、E1…プラント電力、G1…バイオガス、G2…混合ガス、G3…蒸気、L0…乳酸菌培養液、L1…燃料用アルコール、L2…糖化液、L3…濃縮糖化液、L4…醪、L5…粗アルコール、L6…蒸留廃液、L7…液肥、L8…処理水、S…糖化残渣、W1…生ごみ、W2、W3…処理ごみ
DESCRIPTION OF
Claims (24)
前記糖化部において生成された糖化液に、酵母として前記pHの範囲で増殖・発酵するSaccharomyces cerevisiaeに属する凝集性酵母を添加してアルコール発酵させる第1発酵部と
を備えたことを特徴とするアルコール生産システム。 In an anaerobic state, garbage and enzymes are reacted to produce a saccharified solution, and lactic acid is mainly produced by microorganisms living in the garbage, and the hydrogen ion concentration (pH) of the saccharified solution is 2.5 or more and 5 A saccharification part in the range of 5 or less ;
And a first fermentation section for adding an aggregating yeast belonging to Saccharomyces cerevisiae that grows and ferments in the pH range to the saccharified solution produced in the saccharification section and subjecting it to alcohol fermentation. Production system.
ことを特徴とする請求項1記載のアルコール生産システム。The alcohol production system according to claim 1.
ことを特徴とする請求項2記載のアルコール生産システム。The alcohol production system according to claim 2.
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のアルコール生産システム。 Has a concentration part for concentrating the saccharified solution generated in the glycated part, either said first fermentation unit of claim 1 to 3, characterized in that to alcoholic fermentation the concentrated saccharified solution generated in the rectifying section alcohol production system according to any one of claims.
前記粗アルコールを脱水してアルコールを生成する脱水部と
を備えたことを特徴とする1ないし4のいずれか1項に記載のアルコール生産システム。 It was distilled before Symbol mash produced by the first fermentation unit, a distillation unit for separating the crude alcohol and stillage,
The alcohol production system according to any one of claims 1 to 4, further comprising: a dehydration unit that dehydrates the crude alcohol to generate alcohol.
ことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載のアルコール生産システム。 In the saccharification part, after mixing the garbage, water having a weight of 1/4 or more with respect to the wet weight of the garbage, and 100 mg or more of the enzyme with respect to 1 kg of the wet weight, The alcohol production system according to any one of claims 1 to 5 , wherein saccharification is performed at a temperature.
ことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載のアルコール生産システム。 The alcohol according to any one of claims 1 to 6 , wherein, in the saccharification part, the garbage is saccharified in a rotating blade or a rotating drum, and the resulting saccharification residue is separated from the saccharified solution. Production system.
ことを特徴とする請求項7記載のアルコール生産システム。 The alcohol production system according to claim 7 , wherein after the saccharified solution obtained by the rotating blade is recovered, the saccharified residue is recovered while being roughly pulverized.
ことを特徴とする請求項4ないし8のいずれか1項に記載のアルコール生産システム。 Concentrating the saccharified liquid at atmospheric pressure or under reduced pressure in the concentrating section, and concentrating nutrient sources necessary for alcoholic fermentation by setting the total sugar concentration of the concentrated saccharified liquid to 100 g / l or more and 300 g / l or less. The alcohol production system according to any one of claims 4 to 8 , characterized in that
ことを特徴とする請求項9記載のアルコール生産システム。 The alcohol production system according to claim 9, wherein a concentration ratio of the saccharified solution is 1.5 to 5 times.
ことを特徴とする請求項4ないし8のいずれか1項に記載のアルコール生産システム。 In the concentrating portion, the saccharified solution is concentrated under reduced pressure or normal pressure until the concentration of lactic acid becomes twice or more that before concentration, and the pH is lowered, and the concentration of monosaccharides in the saccharified solution is increased. The alcohol production system according to any one of claims 4 to 8 , wherein growth of various bacteria is suppressed.
ことを特徴とする請求項4ないし8のいずれか1項に記載のアルコール生産システム。 In the concentration section, the concentrated saccharified solution is concentrated by concentrating the saccharified solution until the concentration of lactic acid is 10,000 mg / l or more, and reducing the pH of the saccharified solution to suppress contamination due to the growth of various bacteria. The alcohol production system according to any one of claims 4 to 8 , wherein sterilization is not required.
る
ことを特徴とする請求項4に記載のアルコール生産システム。 The alcohol production system according to claim 4 , wherein in the concentration unit, the pH of the saccharified solution is adjusted by increasing the concentration of the lactic acid.
ことを特徴とする請求項1ないし13のいずれか1項に記載のアルコール生産システム。 The alcohol production system according to any one of claims 1 to 13 , wherein the enzyme is an acid-resistant glucoamylase or an acid-resistant and heat-resistant glucoamylase.
ことを特徴とする請求項1ないし14のいずれか1項に記載のアルコール生産システム。 In the first fermentation section, the alcohol concentration is 50 g / l or more and 150 g / l or less, the alcohol fermentation pH is 4.5 or less, the fermentation temperature is 25 ° C. or more, and the dilution rate D (h −1 ) is 0.05 h −. The alcohol according to any one of claims 1 to 14 , wherein the non-sterilized concentrated saccharified solution is continuously fermented while suppressing contamination due to the growth of various germs by washing before the germs grow as 1 or more. Production system.
ことを特徴とする請求項1ないし15のいずれか1項に記載のアルコール生産システム。 In the first fermentation section, a continuous fermentation system and aggregating yeast are used as the alcohol fermentation, and the fermentation tank has functions such as mechanical stirring and gas circulation as a fermentation apparatus and is provided with a sedimentation separation section in the subsequent stage, in the upper or subsequent stage. The alcohol production system according to any one of claims 1 to 15 , wherein a tower reactor having a sedimentation separation section or a tower reactor having a draft tube in a fluid section is used.
ことを特徴とする請求項5に記載のアルコール生産システム。 A second fermentation unit having a methane fermentation tank as a waste liquid treatment / utilization unit is provided, biogas is generated by fermenting the distillation waste liquid generated in the distillation unit in the methane fermentation tank, and the biogas is added to the concentration unit The alcohol production system according to claim 5 , wherein the alcohol production system is used as an energy source of at least one of the distillation unit.
ことを特徴とする請求項17記載のアルコール生産システム。 In the second fermentation part, by introducing 5% or more and 10% or less of the amount of biogas generated into the methane fermentation tank and mixing it with the biogas, in the mixed gas containing the biogas and air The alcohol production system according to claim 17, wherein the concentration of hydrogen sulfide is reduced.
ことを特徴とする請求項17または18に記載のアルコール生産システム。 A water tank is provided after the second fermenter, and the mixed gas is circulated between the methane fermenter and the water tank to oxidize hydrogen sulfide to sulfur, and the concentration of hydrogen sulfide in the mixed gas. The alcohol production system according to claim 17 , wherein the alcohol production system is reduced to 10 ppm or less.
ことを特徴とする請求項19に記載のアルコール生産システム。 A circulatory biological denitrification tank is provided after the methane fermentation tank, and a nitrification tank is provided after the circulatory biological denitrification tank, so that ammonium ions generated by methane fermentation can be converted into the circulatory biological nitrification. The organic matter and nitrate ions remaining after the methane fermentation are simultaneously removed by oxidizing the nitrate ions in the tank and then circulating a part of the liquid containing the nitrate ions to the denitrification tank. Item 20. The alcohol production system according to Item 19 .
ことを特徴とする請求項20に記載のアルコール生産システム。 Claim 20, characterized in that added to the saccharification portion treated water obtained in the decolorization portion provided downstream of the treated water or the nitrification tank resulting in the nitrification tank as an alternative of water added to the garbage Alcohol production system.
前記糖化工程において生成された糖化液に、酵母として前記pHの範囲で増殖・発酵するSaccharomyces cerevisiaeに属する凝集性酵母を添加してアルコール発酵させる発酵工程と
を含むことを特徴とするアルコール生産方法。 In an anaerobic state, garbage and enzymes are reacted to produce a saccharified solution, and lactic acid is mainly produced by microorganisms living in the garbage, and the hydrogen ion concentration (pH) of the saccharified solution is 2.5 or more and 5 A saccharification step with a range of 5 or less ;
Wherein the sugar solution produced in the saccharification step, the alcohol production method which comprises a fermentation step of adding a flocculent yeast belonging to Saccharomyces cerevisiae to grow and fermentation in the range of the pH as a yeast to alcohol fermentation.
前記発酵工程では前記濃縮工程において生成された濃縮糖化液をアルコール発酵させる
ことを特徴とする請求項22記載のアルコール生産方法。 A concentration step of concentrating the saccharified solution produced in the saccharification step,
The alcohol production method according to claim 22 , wherein the concentrated saccharified solution produced in the concentration step is subjected to alcohol fermentation in the fermentation step.
ことを特徴とする請求項22または23に記載のアルコール生産方法。 The alcohol production method according to claim 22 or 23 , wherein the enzyme is glucoamylase having acid resistance or glucoamylase having acid resistance and heat resistance.
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