JPS5943156B2 - アルコ−ル発酵熱の除去法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はアルコール発酵能を持つ微生物菌体を用いて糖
含有液から連続的ＶＣアルコールを生産するに際し、ア
ルコール発酵の過程で生ずる発酵熱の効果的な除去法に
関する。

近年、固定化した微生物を生存状態に保ち発酵によりア
ルコールを連続生産する方法が注目されており、回分法
に比べ製造効率が良い等の利点がある。

通常アルコール発酵では、消費される糖液について約２
５ Ｋ ｃａｌ／ｍｏｌｅグルコースの発酵熱（消費糖
ｋｇ当り１３９Ｋｃａｌ ）を発生する。

又、一般にアルコール発酵の至適温度条件は、使用する
酵母あるいはバクテリア等の微生物菌体の耐熱特性から
必ずしも４ではないが、２５〜３５℃で発酵に供されて
いる。

そして、アルコールの連続生産では微生物を生存状態に
維持することが必須であり、前記温度以上に昇温すると
菌体が死滅するため発酵槽を冷却つまり発酵熱を除去す
る必要がある。

従来、発酵熱の除去には通常の冷却水が使用されている
が、温暖地での冷却水温度は２５〜３３℃程度であり発
酵液と冷却水の温度差が少ない／ζめ、除熱のだめの熱
交換器等の設備が膨大となり、かつ冷却水量も多くなり
経済的に不利である。

特に、製品アルコールをエネルギー源とじ−し利用する
ために省エネルギー型プロセスが切望されており、膨大
な発酵熱の除去が大きな問題の１つとなっている。

一方、アルコール発酵においては使用されるアルコール
発酵能を有する微生物菌体の特性から、系内にアルコー
ルが蓄積されるいわゆる高濃度アルコール発酵では、発
酵生産物であるアルコ−ルおよびその他の代謝生産物の
発酵速度に対する阻害作用が認められ、その傾向は系内
のアルコール濃度が約５ｗｔ％以上で顕著となってあら
れれてくる。

したがって高濃度アルコールを生産しようとすると、単
位時間及び単位発酵槽容積あたりのアルコール生産量す
なわち発酵槽容積効率は相対的に低下することが問題と
なっている。

これら従来のアルコール発酵のかかえている２つの大き
な問題点、すなわち、比較的低温の多量の発酵熱の除去
と、高アルコール濃度を目標とした場合の相対的なアル
コール生産性の低下に対処すべく、最近多くの研究例が
報告されている。

その１つの試みは高温発酵菌株ならひにアルコール耐性
菌株の探索である。

これらは、いずれも特殊環境下での発酵特性の良好な菌
株の検索であり、その成果が期待されるが、現状では必
ずしも満足すべきものが発見されていない。

他の１つの試みは、従来より使用されている公知の発酵
菌株を用いて、その特性を生かしながら、運転操作法で
解決しようとするものであり、具体的には特開昭５６−
２１５９２号、特開昭５７−２６８５号、特開昭５６−
１１３２９５号等の公報に公表されている方法である。

この方法はそれぞれ若干の差はあるが総じて言えばアル
コール発酵液の１部を発酵槽から抜き出し、酵母に悪影
響を及ぼさない温度条件にまで昇温した後減圧系に保持
されているフラッシュタンクでアルコール水蒸気と酵母
液とに分離し、酵母液は発酵槽に循環させて再利用する
ものＣある。

この方法は、発酵槽のアルコール濃度を低く抑えて発酵
速度の低下を防止するという点や、酵母液を再利用して
系外へ排出される発酵廃液処理の低減化をはか０点では
効果的ではあるが、発酵液の昇温を含んでいることなど
から熱経済的にも装置費の低減化のためにも必ずしも好
ましい方法とは考えられない。

本発明は、連続発酵によるアルコールの製造方法におい
て大きな問題となっていた発酵熱の除去を効果的に行え
る方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明のアルコール発酵熱の除去法は、アル
コール発酵能を有する微生物菌体が担体に固定された固
定化微生物菌体を充填した発酵槽に糖含有液を供給して
アルコール発酵させ、その発酵槽から取り出した発酵液
を減圧に保持したフラッシュタンクに直接導入して発酵
で発生した熱を水及びアルコールの一部を蒸発させるこ
とによって除去した後、除熱された発酵液の少なくとも
一部を前記発酵槽に循環することにより発酵槽内温度を
調整することを特徴とするものである。

次に本発明を第１図にそって詳細に説明する。

第１図は第１発酵槽周辺の構成を示した本発明の説明図
である。

まず、原料調製槽４＆こライフ１〜３により糖液、副原
料及びプロセス水を供給混合し所定濃度の糖含有液を調
製する。

糖濃度は発酵完結時の目標とする見かけアルコール濃度
Ｖこよって決定されるが、高濃度のアルコール発酵を行
う場合には２５０〜４００９／１３に調製されよう。

糖含有液は、原料ポンプ５によって第１発酵槽６に導入
され、ここでアルコール発酵能を有スる微生物菌体と接
触しアルコール発酵が行われる。

第１発酵槽６に装填される酵母又はバクテリアについて
は単位発酵槽容積のアルコール生産性を向上させる観点
から、発酵槽内の酵母又はバクテリア濃度を高め得る方
式、具体的には菌体の１種又は２種以上を担体に包括固
定化した゛固定化増殖微生物″の状態で利用する。

前記担体としてはポリアクリルアミド、ポリビニルアル
コール、光硬化性樹脂、寒天、カラギーナン、アルギン
酸塩、コラーゲン等が挙げられる。

代表的な酵母としてはサツカロミセス（５ａｃｃｈａｒ
ｏｒｙｃｅｓ ）属、ジゴサツカロミセス（Ｚｙｇｏ
ｓａｃｃｈａｒｏｒｖｃｅｓ ） 、Ｋ、チゾサツ力ロ
ミセス（Ｓｃｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ
）属等が挙げらｌ−Ｌる。

第１発酵槽６で生成したアルコール含有の発酵液と発酵
によって併産される炭酸ガス及びライン１９からの導入
空気は発酵槽上部で気液分離される。

空気を含む炭酸ガスはライン７によって発酵系外に排出
される。

発酵液は、発酵槽上部よりライン８によって第１フラツ
シユタンク１０に導入され、フラッシュタンクは圧力調
節弁９によつで所定圧力に保持されている。

フラッシュタンク内の圧力は、発酵液の温度、循環液量
及び各発酵槽での発熱量によって一義的には決められな
いが、圧力範囲としては２０〜６０ ｍｍＨ９ａｂｓが
望ましい。

これ以上の高い真空度に保持しようとすれば、後述する
真空系保持のだめの設備及び動力費に加えて、フラッシ
ュタンクで蒸発したアルコール水蒸気の冷却凝縮のため
の冷却水の温度を低くする必要があり経済的ではない。

また、６０ｍ１ＨＦａｂｓ以上の減圧条件では減圧保持
のための設備動力の点では望ましいが、所望の発酵熱を
本方式で除去しようとするためには液循環量が膨大とな
る上、発酵液の温度如何ではほとんど蒸発しないことと
なり、いずれも本願目的のためには好ましい方法ではな
い。

又、上記発酵温度及び減圧条件下では、フラッシュタン
クで発生する蒸気量は発酵槽からフラッシュタンクに導
入される発酵液量に対して０．５〜１０重量％が好まし
く、蒸気中のアルコール濃度は２０〜７０重量％の範囲
となる。

フラッシュタンクによって蒸発したアルコール及び水蒸
気は、冷却器１２によって凝縮され気液分離器１３にて
未凝縮のガスと分離された後ポンプ１５によってアルコ
ール濃縮工程へと送り込まれる。

一方、第１フラツシユタンク１０において蒸発したアル
コール及び水蒸気の蒸発潜熱によって熱をうはわれた発
酵液は温度が下がり、ライ／１１から循環ポンプ１４を
介してライン１６により第１発酵槽６に循環使用され発
酵槽内温度を調整する。

又、第１フラツシユタンク１０から得られる発酵液中に
未発酵の糖が存在する場合は、液面制御計（ＬＩＣ）と
連動する液面制御弁１８の開閉Ｖこより、発酵液をライ
ン１７によって第２の発酵槽へ送り複数の発酵槽で順次
不操作？繰り返すことで一連の発酵が完結される。

図中ＰＩＣは圧力制御計を示す。

もつとも発酵槽を一つでアルコール製造を行う場合には
ライン１７からの液は系外へ排出される。

なお、発酵液をフラッシュさせるための減圧の保持の方
法については、本願発明では特に限定するものではない
が、一般的には保持すべき減圧度及び容量環γ勘案して
最適な方法を選定すれば良い。

その１例としては、真空ポンプによる吸引法やエジェク
タ一方式が賞月されよう。

特にエジェクターについてはスチームエジェクターの他
、比較的減圧度の低い場合には、第１フラツシユタンク
１０から蒸発するアルコール水蒸気を直接エジェクター
にて吸引しその凝縮液を冷却しながら、エジェクター駆
動水として利用する方が得策である。

以上の説明から明らかなように、本願発明によって発酵
で発生した熱を従来法の如く冷却器によって除熱するこ
となく効果的に発酵液の除熱か行われ発酵槽内温度を容
易に調整できる。

更にこれによってアルコールの生産性が高まる。

以下、実施例により本願発明の効果を示す。

実施例 １ まず、次の処方で固定化酵母を製造した。

分子量約４０００のポリエチレングリコール２０００ｇ
、インホロンジイソシアネート１モル＋ （２２２，
９）及びメタアク加酸２−ヒト占キシエチル１モル（１
３ｉ）とからなるウレタン化プレポリマー（平均分子量
約５０００ ）に、サツカロミセス°ロブスタス（Ｓａ
ｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓｒｏｂｕｓｔｕｓ）酵母の懸濁
液５００ｍ１（乾燥菌体で約５０ｇ）を加え、更に光増
感剤としてベンゾインエチルエーテル２ｇを加えホモジ
ナイザーで均一に分散した。

次いで、ガラス板にポリプロピレンフィルム（厚さ５０
μ）を敷き、厚さ約１．０朋のスペーサでガラス板上の
周囲を囲んだ後、この上に前記酵・ 母・プレポリマー
混合液を流し込んだ。

そして、同ｍのポリプロピレンフィルムをかぶせて空気
を遮断し低圧水銀灯（主波長３６００人）による照射を
行い肉厚１．０８ｍ７ＩＬの膜状固定化酵母を製造した
。

、 このようにして製造した複数枚の固定化酵母を切
断して肉厚１．０８ｍｍ、幅３０ｍｍ、長さ５００ｍｍ
の短尺状のものを４０枚用意した。

なお、この時の固定化酵母中の酵母濃度は、乾燥菌体重
量／乾燥固定化酵母重量基準に換算して２．０ｗｔ％で
あ１ つだ。

上記固定化酵母を充填する発酵槽は次のようＶコして２
基製作した。

、まず、内径３０ｍｍ角、高さ５００ｍｍの塔を８個用
意し、これに前記短尺状の固定化酵母シートか等間隔に
なるようにプラスチックスペーサ−で調整しながら１０
枚ずつ充填した。

これら固定化酵母の充填された塔をそれぞれ４段積み重
ねて２基の発酵槽を製作した。

両槽とも固定化酵母の充填されている有効部の寸法は３
０・ ｍｍＸ ３０ｍｍＸ ２０００ ｍｍ、全容積１
．８４である。

この２基の発酵槽を用い、第２図で示したような実験装
置を作って前記の如き実験を行った。

原料調製槽４で糖蜜、プロセス水及び硫安を混合して調
製した糖含有液（原料液）をポンプ５により第１発酵槽
６に導入し、その他微量の空気をライン１９より供給し
てアルコール発酵を行わせた。

なお前記糖含有液の糖濃度は発酵性糖基準で２５．８Ｗ
／Ｖ％Ｃあ−）だ。

発生した炭酸ガスを発酵槽上部よりライン７を通して系
外に排出する一方、発酵槽上部より流出する発酵液は圧
力調節弁９を介して減圧下にある第１フラツシユタンク
１０に導入することにより発酵液中のアルコールと水の
一部を蒸発させた。

７ラツシユタンク上部より飛散したアルコールと水の蒸
気は第」冷却器１２で冷却水により冷却凝縮した後、第
１気液分離器１３で未凝縮のガスと分離した。

得られた凝縮物はポンプ１５により糸外の貯槽に移して
そのアルコール濃度及び生成量を測定した。

一方策１フラッシュタンク下部より流出する発酵液の大
部分はポンプ１４により第１発酵槽６に循環するととも
に、その一部を第１発酵槽の液面が一定となるように第
２発酵槽６′に移送しアルコール発酵を行った。

第２発酵槽においても第１発酵槽の場合と同様に操作し
た。

なお本実験ではアルコール生成速度が定常になる址で１
〜２日の前培養の時間を要した。

また、発酵熱の正確な測定のため発酵槽及びその他の配
管類を保温し断熱系で測定した。

得られた結果を処理条件と共に表１に示した。

比較例 実施例１に示したものと基体的には全く同一の装置及び
操作条件によって減圧操作を組み込まない場合の実験を
行った。

装置上の変更は、発酵液の循環ポンプ１４゜１４′と発
酵槽６，６′とを連結するライン１６゜１６′に冷却器
を付設し第１発酵槽及び第２発酵槽の発酵温度がいずれ
も一定温度（３５℃）になるように冷却水量を調整した
こと、フラッシュタンクの減圧度をＯすなわち常圧とし
て発酵液循環量のみを実施例１と同様にしたことである
。

得られた結果を実施例１と同様に表１に示した。

これより、不法によって発酵熱を特殊な冷却装置で冷却
することなく減圧操作で容易に除熱することが可能であ
り、その副次的な効果としてアルコール生成による発酵
槽のアルコール生産性の低下に対する影響を緩和し得た
ことが理解されよう。

実施例 ２ 実施例１と同様の装置を用い、第１発酵槽内の発酵温度
を３０℃、３５℃、第１フラツシユタンク圧力を２０．
３０，４０．５０ｍｍＨ，ｐａｂｓとした組み合わせで
、第１発酵槽内の発酵温度をそれぞれ所定の温度に保つ
ために循環発酵液量を制御した場合の各種試験を行った
。

結果を表２に示した。

これにより、いずれの組み合わせにおいても不発明は十
分に除熱が可能であることが理解されよう。

【図面の簡単な説明】

図は本発明方法の説明図であり、第１図は第１発酵槽周
辺の構成を示しており、第２図は２つの発酵槽を直列に
配設した場合の例を表わしたものである。 ４・・・・・・原料調製槽、６，６′・・・・・・発酵
槽、１０゜１０’・・・・・・フラッシュタンク、１２
，１２’・・・・・・冷却器、１３，１３’・・・・・
・気液分離器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アルコール発酵能を有する微生物菌体が担体に固定
   された固定化微生物菌体を充填した発酵槽に糖含有液を
   供給してアルコール発酵させ、その発酵槽から取り出し
   た発酵液を減圧に保持したフラッシュタンクに直接導入
   して発酵で発生した熱を水及びアルコールの一部を蒸発
   させることによって除去した後、除熱された発酵液の少
   なくとも一部を前記発酵槽に循環することにより発酵槽
   内温度を調整することを特徴とするアルコール発酵熱の
   除去法。 ２１基の発酵槽で連続発酵を行う特許請求の範囲第１項
   記載の除去法。 ３ 複数個の発酵槽を直列に配列して多槽連続発酵を行
   う特許請求の範囲第１項記載の除去法。 ４ フラッシュタンク内の圧力が２０〜６０ｍｍＨｇａ
   ｂｓである特許請求の範囲上記各項のいずれかに記載の
   除去法。 ５ フラッシュタンクで発生する蒸気のアルコール濃度
   が２０〜７０重量％である特許請求の範囲上記各項のい
   ずれかに記載の除去法。