JPH031000B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明はアルコール発酵、アセトン−ブタノ
ール発酵などにより生成した発酵生産物を、発酵
液から省エネルギー的に濃縮し、回収する方法に
関する。

（従来の技術） 一般に、微生物利用の発酵によるアルコール生
産の場合、目的とする発酵生産物の濃度が低いた
め（通常５〜10wt％）、それを濃縮分離すること
が要求されるが、その濃縮分離に多大のエネルギ
ーを必要とする。通常、アルコール濃縮分離には
蒸留法が使用されているが、近年省エネルギー的
な方法として超臨界流体またはそれに近い状態の
抽出剤を用いる高圧抽出法が提案されている（特
開昭56−56201号など）。

また、発酵槽における発酵生産速度を向上させ
つつ、高濃度のアルコールを発酵槽から連続的に
除去しながら発酵させる減圧発酵法やフラツシユ
発酵法が知られている。

（発明が解決しようとする問題点） 通常、従来の発酵法すなわち回分式発酵法又は
固定化微生物等を用いる連続発酵法により得られ
る発酵液中のアルコール濃度は５〜10wt％であ
る。この発酵液を特開昭56−56201号記載の高圧
抽出法により濃縮した場合、得られるアルコール
の濃度は約70〜80wt％であり、この後の工程に
おける濃縮のため、さらにエネルギーを必要とす
る。また、必要とする抽出剤の量も多くなるとい
う欠点がある。例えば、抽出剤として二酸化炭素
を使用しエタノールを抽出する場合エタノールの
二酸化炭素側の分配係数が低く、抽出エネルギー
１Kg当り二酸化炭素約100〜200Kgを必要とするた
め、抽出剤の循環、調整に多大のエネルギーを必
要とする。

一方、減圧発酵法やフラツシユ発酵法による生
産物を通常の蒸留法により濃縮すると、エタノー
ル−水系の共沸点付近でピンチポイントがあるた
め、高濃度のアルコール水溶液を供給しても蒸留
塔の段数はあまり節減されず、むしろ従来より蒸
留塔留出液のエタノール濃度は低下する場合もあ
る結果となつている。すなわち減圧発酵法あるい
はフラツシユ発酵法の利点が生かされないことと
なつた。

（問題点を解決するための手段） 発明者らは上記した濃縮アルコールの生産方法
の欠点を克服するため鋭意研究を重ねた結果、高
圧抽出工程に供給するアルコールの濃度を発酵槽
の後に設けた蒸発器により発酵槽の効率を低下さ
せることなく15〜40wt％に上昇させることによ
り、高圧抽出工程において抽出分離されたアルコ
ール濃度を85〜95wt％に濃縮でき、かつ、抽出
剤の必要量すなわち所要エネルギーの減少を達成
させることができることを見出した。

この発明において高圧抽出工程への供給アルコ
ール濃度を上昇させる方法は、発酵液中のアルコ
ールを蒸発器により気相へ移行させ、アルコール
分の少ない液を発酵槽へ循環させることによつて
発酵効率の低下を極力抑えつつ、回収されたアル
コールの濃度を上げようとする方法である。

この発明において発酵槽の蒸発器側より取り出
された高圧抽出器へ提供される水溶液中のアルコ
ール濃度は通常、15〜40wt％であり、好ましく
は20〜30wt％である。

この供給アルコール濃度範囲の下限未満では高
圧抽出操作により得られた濃縮アルコールの濃度
は85wt％以下となり、さらに濃縮するための別
の操作（例えば、抽出蒸留法、膜を利用する浸透
気化法および吸着脱水法など）が必要となり付加
的なエネルギーが必要となる。さらに上記濃度範
囲の下限未満では、高圧抽出操作に供給される水
溶液中のアルコールの濃度に反比例して必要な抽
出剤の量が急激に増大する。例えば高圧二酸化炭
素を抽出剤とするエタノール水溶液の濃縮の場
合、供給エタノール水溶液の濃度が10wt％のと
き、エタノール濃度を85〜95wt％とするための
抽出剤使用量は供給エタノール水溶液が上記濃度
範囲内にあるときの２〜４倍、または供給エタノ
ール水溶液濃度が5wt％のときエタノール濃度を
70〜80wt％とするためには抽出剤は４〜８倍量
必要とする。ここで、抽出剤の量が増加すること
は抽出剤を循環するためのエネルギーの増加、高
圧抽出設備のコストの増大等をまねくので望まし
くない。

なお、高圧抽出工程への供給アルコールが
40wt％を越える場合、蒸発器においてこの濃度
にまで濃縮するためには発酵槽中の発酵液のアル
コール濃度を上昇させねばならないが、これは発
酵槽における発酵速度の低下をまねき、発酵槽の
効率が下がるので好ましくない。またこのような
濃度範囲の上限を越える発酵液を高圧抽出部へ供
給してももはや抽出、分離されるアルコールの濃
度は90〜95wt％で一定であり、アルコール濃度
の向上は望めない。

この発明において、上述した点以外は、通常の
発酵法に従つて行われる。その好ましい実施態様
を以下に述べる。

この発明において発酵槽の微生物として固定化
微生物、凝集性微生物又は浮遊性微生物が好まし
く使用され、微生物は発酵液が蒸発器に導入され
る前に分離され発酵槽へ返送される。

この発明において用いられる微生物としては、
各種酵母例えばサツカロマイセス セレビシエ
（Sacchoromyces cerevisiae）、サツカロマイセ
ス ウバラム（Sacchoromyces uvaram）など、
あるいは細菌例えばザイモモナス モビリス
（Zymomonas mobilis）などが用いられる。

この発明の蒸発工程において用いられる蒸発器
は好ましくは１段の加熱蒸発器あるいは加熱蒸発
器のあとの減圧蒸発器であり、発酵槽との組合せ
で２基（組）以上設置することができる。また、
加熱蒸発器には好ましくは棚段等の手段が内蔵さ
れていて、生成したアルコールを加熱蒸発した発
酵液中のアルコール濃度は下げられ、発酵液が返
送された先の発酵槽における発酵効率の低下を防
いでいる。

この発明において蒸発器において気相に移行さ
せられたアルコールを含む蒸気を断熱圧縮して昇
温させて蒸発器の加熱源として利用することによ
り、アルコールを含む蒸気の凝縮のための冷却源
及び加熱のための蒸気等の加熱源の節減をはかる
ことができる。

この発明において高圧抽出工程で用いられる抽
出剤は二酸化炭素またはエタン、エチレン、プロ
パン、プロピレン等の炭化水素またはこれらの混
合物がそれぞれの超臨界状態または臨界点に近い
状態の流体として使用される。また抽出剤として
二酸化炭素を用いる場合、発酵槽において発生す
る二酸化炭素を回収して利用することもできる。

この発明において高圧抽出処理における抽出
剤／アルコール水溶液供給液量（Ｓ／Ｆ）比（重
量比）は15以上でよく、好ましくは15〜25の範囲
である。Ｓ／Ｆ比が15未満ではアルコールの回収
率が低くなり、上限は特に制限はないがＳ／Ｆ比
が25以上になると回収率があまり上がらず抽出剤
の量が増すため循環に動力が必要となる。

従来このような抽出剤によるアルコールの回収
率を90％以上とする場合Ｓ／Ｆ比は20以上である
必要があつたのに対し、この発明においては、
Ｓ／Ｆ比を極めて低くできる。

次にこの発明の好ましい実施態様を図面を参照
して詳細に説明する。

第１図はこの発明の一実施態様の工程図であ
り、図中１は固定化微生物を充填した発酵槽であ
り、グルコース等を含む発酵原料水溶液がライン
２からライン３を通り、供給されて連続的にアル
コール発酵が行われる。５は二酸化炭素の排出ラ
インであり、この二酸化炭素は必要により回収装
置（図示せず）を設置して回収し、次の高圧抽出
部の抽出剤として利用することもできる。

一方発酵槽１の発酵液にはアルコールが蓄積し
てくるが、この発酵液はライン４から、棚段６ａ
及び熱交換器６ｂを内蔵する蒸発器６へ供給され
る。発酵液は内蔵熱交換器６ｂにより加熱源８で
加熱蒸発されて、アルコールを15〜40wt％含む
蒸気を生成し、この蒸気はライン７から凝縮器１
２へ送られ、冷却源１３により冷却され、アルコ
ール水溶液としてライン２１より回収される。１
４は非凝縮性ガスのラインである。

一方蒸発器６においてアルコール分を気相へ分
離された発酵液はアルコール分を実質的に含有し
ない発酵液であり、その一部又は大部分はライン
９からライン１０を経由して発酵槽１へ返送され
る。返送された発酵液によつて発酵槽１中のアル
コール濃度は低下し、発酵槽内の発酵速度の低下
が防止される。また蒸発器６から排出される発酵
液の一部はライン９及びライン１１を経由して排
出されるか、又は他の発酵槽へ供給され発酵に付
される。

凝縮器１２で回収されたアルコール１５〜４０
wt％を含むアルコール水溶液はライン２１から
ポンプ１５により昇圧されて抽出塔２２上部へ供
給される。抽出塔２２下部には、抽出剤が循環圧
縮機２７およびライン２８を経て供給される。抽
出塔２２内部において、上部から降下移動するア
ルコールを含む水溶液と下部から上昇移動する抽
出剤は向流的に接触して抽出剤は上昇移動しなが
ら水溶液中のアルコールを抽出し、抽出塔２２の
上部からライン２３によつて排出され分離塔２４
へ導入される。一方、抽出塔２２内を下降移動し
ながらアルコールを抽出剤に奪われた水溶液は抽
出塔２２下部からライン２９により排出される。

アルコールを含む抽出剤はライン２３より分離
塔２４に導入する前に適宜減圧されるか、又は温
度を調節され（図示せず）、分離塔２４内でアル
コールが液化分離される。アルコールは85〜
95wt％以上に濃縮されており、ライン２６より
回収される。一方、アルコールを分離した抽出剤
は分離塔２４の上部からライン２５を経て循環圧
縮機２７に送られる。

第２図はこの発明の他の実施態様を示すもので
ある。

同図において蒸発器６において加熱蒸発されて
得られたアルコールを含む蒸気はライン７を経て
圧縮機１６で断熱圧縮され、ライン１７を経て蒸
発器内蔵熱交換器の加熱源として使用され凝縮さ
れる。さらにライン１８より冷却源１９を有する
気液分離器２０に入り、不活性ガスはライン３０
より排出され、凝縮液はライン２１により取り出
されポンプ１５により昇圧されて抽出塔２２に送
られる。第３図は従来法のフローシートであり、
発酵槽１からライン４へ抜出されたアルコールを
含む発酵液はポンプ１５により昇圧されて、ライ
ン２１から抽出塔２２へ供給される。第２図，第
３図ともその他の構成は第１図と同じである。第
１図と同符号は同じものを示す。

（発明の効果） この発明によればアルコール発酵液からアルコ
ールを省エネルギー的に濃縮し、回収すことがで
き、濃度85〜95wt％のアルコールを容易に得る
ことができる。またこの発明によれば、例えば抽
出剤として二酸化炭素を用いた場合エタノール水
溶液よりエタノールを抽出するとき、同じ抽出効
率を得るのに従来法では抽出剤／エタノール供給
液量（重量比）が20前後必要であつたものが15前
後まで下げることができ、またこれにより抽出剤
の循環に要する圧縮動力は大幅に削減できる。

（実施例） 次にこの発明の方法を実施例および比較例によ
りさらに具体的に説明する。

実施例 第１図に基づいてエタノール発酵液を濃縮し、
エタノールの回収を行つた。発酵槽１へ、ライン
２，３を経て全糖濃度25wt％の原料を90.4Kg／ｈ
とライン１０を通つて返還発酵液を90.4Kg／ｈと
を供給した。発酵槽１内には固定化酵母が充填さ
れており、30℃でエタノール発酵が行われた。発
酵槽１内のエタノール濃度は6wt％となつた。こ
の発酵液はライン４を通り、圧力40mmＨｇ・abs
に保持された蒸発器６に導入されて加熱蒸発され
アルコール分を含む蒸気がライン７より凝縮器１
２へ入り凝縮し、アルコール濃度30wt％のアル
コール水溶液34.0Kg／ｈがライン２１より得られ
た。一方、蒸発器６でアルコール分を蒸発除去さ
れた発酵液はライン９を経て、ライン１０，３よ
り発酵槽１へ返還され、一部はライン１１を経て
排出された。ライン２１から送り出されたアルコ
ール水溶液はポンプ１５により昇圧されてライン
２１を通り、内部圧力100Kg／cm²Ｇ、温度38℃に
保持されている抽出塔２２の上部へ供給され、下
部からライン２８より二酸化炭素260Nm³／ｈを
供給してエタノールの抽出が行われた。その結果
ライン２６よりエタノール濃度95wt％の製品が
10.5Kg／ｈで得られた。

比較例 第３図に示す発酵槽１からのラインを抽出塔２
２に直接接続したフローシートに従い、発酵槽１
および抽出塔２２の運転条件は実施例と同じとし
てエタノール発酵を行つた。

発酵原料は実施例の２倍に希釈されライン２よ
り発酵槽１に供給され、ライン４よりエタノール
濃度6wt％の発酵液169.3Kg／ｈが得られた。これ
を高圧抽出操作に対し、エタノール濃度80wt％
の製品が得られた。しかし抽出剤（二酸化炭素）
の循環量は1700Nm³／ｈであり、実施例の約6.5
倍必要であつた。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施態様のフローシート
であり、第２図はこの発明の他の実施態様を示
し、第３図は、従来方法のフローシートを示す。 符号の説明、１…発酵槽、６…蒸発器、１２…
凝縮器、１５…ポンプ、１６…圧縮機、２０…気
液分離器、２２…抽出塔、２４…分離塔、２７…
循環圧縮機。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 発酵槽から抜出した、微生物を実質的に含有
   しない発酵液を蒸発処理してアルコール濃度15〜
   40wt％のアルコール水溶液を分離し、ついで該
   アルコール水溶液を抽出剤の存在下高圧抽出処理
   に付すことを特徴とする発酵アルコールの濃縮回
   収方法。 ２ アルコールがエタノール又はアセトン−ブタ
   ノール等の発酵アルコールである特許請求の範囲
   第１項記載の方法。 ３ 蒸発処理が減圧蒸発処理、又は加熱蒸発処理
   と減圧蒸発処理との組合せである特許請求の範囲
   第１項記載の方法。 ４ 高圧抽出処理の抽出剤が超臨界状態もしくは
   臨界点に近い状態で存在する特許請求の範囲第１
   項記載の方法。 ５ 抽出剤が二酸化炭素又はエタン、エチレン、
   プロパン、プロピレン等の炭化水素、又はこれら
   の混合物である特許請求の範囲第１項記載の方
   法。 ６ 高圧抽出処理における、Ｓ／Ｆ比（Ｓ；抽出
   剤供給量、Ｆ；アルコール水溶液供給量）（重量
   比）が15〜25の範囲内である特許請求の範囲第１
   項記載の方法。