(57)【要約】【課題】バイオマスを原料としてエタノール発酵させ、必要に応じて蒸留して生産される、いわゆるバイオエタノールの生産において、従来よりも発酵効率を高め、発酵時間および投入エネルギーの削減を実現できる連続製造技術を提供する。【解決手段】発酵原料を一時的に保管し、かつ、発酵原料を発酵槽に投入するための原料投入槽１０と、発酵原料を減圧状態で発酵するための減圧発酵槽２０と、減圧発酵槽２０から回収した発酵生産物を一時的に保管するための発酵生産物回収槽３０と、減圧発酵槽から回収した発酵終了後の発酵もろみを一時的に保管するための発酵もろみ回収槽４０と、系内の空気を吸引し減圧状態に維持する減圧機５０とを備え、発酵原料を原料投入槽１０から減圧発酵槽２０へ投入する工程、発酵生産物を発酵生産物回収槽３０へ回収する工程、発酵終了後の発酵もろみを発酵もろみ回収槽４０へ回収する工程を、減圧機５０の吸引力を利用して行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発酵原料を一時的に保管し、かつ、発酵原料を発酵槽に投入するための原料投入槽と、
前記発酵原料を減圧状態で発酵するための減圧発酵槽と、
前記減圧発酵槽から回収した発酵生産物を一時的に保管するための発酵生産物回収槽と、
前記減圧発酵槽から回収した発酵終了後の発酵もろみを一時的に保管するための発酵もろみ回収槽と、
系内の空気を吸引し減圧状態に維持する減圧機と、
を備え、
前記発酵原料を前記原料投入槽から前記減圧発酵槽へ投入する工程、
前記発酵生産物を前記発酵生産物回収槽へ回収する工程、
前記発酵終了後の発酵もろみを前記発酵もろみ回収槽へ回収する工程を、前記減圧機の吸引力を利用して行う、
減圧発酵システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、減圧発酵システムに関し、詳細には、減圧機による吸引力を利用して発酵を行うためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、発酵に関与する微生物は、代謝産物等を菌体外に排出することで、自身を守っている。その一方で、当該微生物以外の生物は、排出された代謝産物等によってそれらの生育が抑制される。代謝産物等を菌体外へ排出した微生物自身は代謝物質への耐性があるものの、一定以上の代謝産物が蓄積されると、生育や発酵が阻害される。
【０００３】
このような性質を改善し、代謝産物をより多く獲得するために、例えば、その物質に耐性のある遺伝子領域を導入し、代謝産物に対する耐性が強化された形質転換体に目的の代謝産物を生産させる試みが多く行われている。
【０００４】
また、その代謝産物による影響を軽減するように、発酵工程中に中和剤等の添加物を添加し、発酵期間を延長する試みも行われている。
【０００５】
さらに、エタノール発酵など、揮発性の代謝産物を生産する発酵については、エタノールが発酵を阻害する濃度にまで蓄積する前に、発酵途中で発酵槽を減圧状態にし、エタノールを培地中から引き抜くシステムが提案されている。
【０００６】
例えば、Ramalinghamらは、コンデンサーおよびトラップを通して３２ｍｍＨｇの減圧にした３Ｌ容発酵槽中で、糖含有培地を使ってSaccharomyces  cerevisiae  var．ellipsoideusを培養したところ、回分式培養における比増殖速度は常圧と同じ０．２９ｈｒ−１で、細胞濃度は常圧の１−１．５倍、エタノールの収量係数は常圧が１０．９ｇ／ｍｏｌ（基質）であり減圧下では１８．４ｇ／ｍｏｌ（基質）であったと報告している（非特許文献１）。
【０００７】
また、KALLEらは、連続流加減圧発酵法を用い、亜硫酸法により糖みつからのグリセリン生産を行った結果、希釈率０．４ｄ−で、３０ｇ／ｌ／ｄの生産性により８０ｇ／lのグリセリンが得られ、この生産性は、減圧回分法の２倍、減圧しない場合の４倍に対応したと報告している（非特許文献２）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】"A new approach tofermentation alcohol."，The vacuferm process，A. Ramalingham，R. K. Finn，Vol.19，No.4（2004）
【非特許文献２】"Continuous fed-batchvacuum fermentation system for glycerol from molasses by the sulfite process."，KALLE G P，NAIK S C，JFerment Technol，Vol.63 No.4，Page.411-414 (1985)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
エタノール発酵については、酵母が糖分を資化して嫌気条件下でエタノールを生産するが、エタノール濃度が培地中に８％以上蓄積されるとエタノール生産速度が低下する。この原因としては、酵母の生産したエタノールによる酵母菌体の殺菌作用による酵母の死滅と発酵阻害による。そのため、エタノール発酵はこれまで連続生産が難しく、回文式（バッチ式）で生産する方法が主流であった。
【００１０】
エタノール発酵を連続して生産するためには、酵母の死滅や発酵阻害の原因となるエタノールを系外に排出しながら、さらに連続の原料の供給も可能とするシステムを構成しなければならない。
【００１１】
そこで本発明は、バイオマスを原料としてエタノール発酵させ、必要に応じて蒸留して生産される、いわゆるバイオエタノールの生産において、従来よりも飛躍的に発酵効率を高め、発酵時間および投入エネルギーの削減を実現できる連続製造技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明者らは、発酵槽を減圧状態にし、エタノールを培地中から引き抜く発酵システムに着目して改良を試みた。その結果、原料投入槽から発酵槽までを常に減圧状態に保持する減圧発酵システムが、エタノールの連続生産を可能にするとの知見を得た。
【００１３】
本発明はかかる知見に基づくものであり、発酵原料を一時的に保管し、かつ、発酵原料を発酵槽に投入するための原料投入槽と、前記発酵原料を減圧状態で発酵するための減圧発酵槽と、発酵生産物を回収するための発酵生産物回収槽と、発酵終了後の発酵もろみを回収するための発酵もろみ回収槽と、系内の空気を吸引し減圧状態に維持する減圧機と、を備え、前記発酵原料を前記原料投入槽から前記減圧発酵槽へ投入する工程、前記発酵生産物を前記発酵生産物回収槽へ回収する工程、前記発酵終了後の発酵もろみを前記発酵もろみ回収槽へ回収する工程を、前記減圧機の吸引力を利用して行う、減圧発酵システムを提供するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の減圧発酵システムによれば、減圧機を起動させ、システム系内を常に減圧状態に維持する。これにより、原料の投入、発酵中の発酵生産物の回収、発酵終了後の発酵もろみの回収が、すべて減圧機による吸引力を利用して行うことができるため、連続的にエタノール発酵を実施することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の減圧発酵システムの概要を示す図である。
【図２】減圧発酵システムを用いてエタノール発酵を行った場合のエタノール生成量と、常圧でエタノール発酵を行った場合のエタノール生産量を比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明を実施するための形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施形態に係る減圧発酵システム１の概要を示す図である。本実施形態の減圧発酵システム１は、図１に示すように、原料投入槽１０と、減圧発酵槽２０と、発酵生産物回収槽３０と、発酵もろみ回収槽４０と、減圧機５０とを備えている。
【００１７】
原料投入槽１０は、発酵原料１２を一時的に保管し、かつ、発酵原料１２を発酵槽２０に投入するためのものである。原料投入槽１０はステンレスなどの耐腐食性の素材で製造されていれば、その容量は特に制限はない。また、発酵原料１２が投入された後は、減圧状態が維持できるような気密構造となっている。さらに、減圧から常圧へ圧力を開放するための開放弁１４も備えている。なお、原料投入槽１０では、発酵原料１２を好気的に糖化させるため、糖化酵素や糖化のための微生物をここで添加してもよい。
【００１８】
減圧発酵槽２０は、前記発酵原料を減圧状態で発酵するためのものである。減圧発酵槽２０はステンレスなどの耐腐食性の素材で製造されていれば、その容量は特に制限はない。また、減圧発酵槽２０は発酵原料１２や発酵性微生物（図示せず）が投入された後は、減圧状態が維持できるような気密構造となっている。さらに、減圧から常圧へ圧力を開放するための開放弁１４も備えている。なお、減圧発酵槽２０は、発酵中の温度を確保するために、ヒーター等の加熱機構（図示せず）を備えていてもよく、発酵もろみ２２を撹拌するための撹拌機構（図示せず）を備えていてもよい。
【００１９】
発酵性微生物としては、エタノール発酵には、例えば、サッカロマイセス・セルビシエ（Saccharomyces  cerevisiae）を使用することが好ましく、アセトン−ブタノール発酵又は水素発酵には、例えば、クロストリディウム・アセトブチリカム（Clostridium  acetobutylicum）、クロストリディウム・サッカロアセトブリチカム（Clostridium  saccharoacetobutylicum）又はクロストリディウム・サッカロパーブチルアセトニカム（Clostridium  saccharoperbutylacetonicum）を使用することが好ましい。
【００２０】
なお、発酵性微生物は前培養したものをそのまま使用してもよく、予め発酵原料１２に添加して所定時間を経過したものを使用してもよい。
【００２１】
発酵生産物回収槽３０は、減圧発酵槽２０から回収した発酵生産物３２を一時的に保管するためのものである。発酵生産物３２が水溶性の場合、発酵生産物回収槽３０内に予め水３４を入れておき、発酵生産物３２を溶解するすることで保管する。但し、発酵生産物回収槽３０内にガス吸着体を設置して発酵生産物３２をガス状態で蓄積することもできる。なお、発酵生産物回収槽３０は、減圧状態が維持できるような気密構造となっている。
【００２２】
発酵もろみ回収槽４０は、発酵終了後の発酵もろみ４２を回収するためのものである。発酵もろみ回収槽４０はステンレスなどの耐腐食性の素材で製造されていれば、その容量は特に制限はない。また、発酵もろみ回収槽４０は減圧状態が維持できるような気密構造となっている。
【００２３】
減圧機５０は、減圧発酵システム１の系内の空気を吸引し減圧状態に維持するためのものである。減圧機５０としては、減圧発酵システム１の系内を−０．０５〜−０．１ＭＰａの減圧状態に維持できる真空ポンプなどを使用することができる。真空ポンプとしては、例えば、ロータリーポンプ、拡散ポンプ、揺動ピストン型ポンプなどのウェットポンプや、ソープションポンプ、ターボ分子ポンプ、イオンポンプ、ゲッターポンプ、クライオポンプ、メカニカルブースターポンプ、ダイヤフラムポンプなどのドライポンプが挙げられる。
【００２４】
原料投入槽１０と減圧発酵槽２０、減圧発酵槽２０と発酵生産物回収槽３０、減圧発酵槽２０と発酵もろみ回収槽４０は、それぞれ発酵原料１２、エタノール３２、発酵終了後の発酵もろみ４２を輸送するための耐圧性のある輸送パイプ２００，２０２，２０４で接続されている。
【００２５】
また、発酵生産物回収槽３０と減圧機５０、発酵もろみ回収槽４０と減圧機５０は、それぞれ耐圧性のある通気パイプ３００，３０２，３０４で接続されている。
【００２６】
減圧機５０は減圧発酵システム１の最も下流に配置されており、減圧機５０に接続される輸送パイプ３０４上に、減圧機５０の圧力を測定するための減圧メータ６０が設置されている。
【００２７】
原料投入槽１０と減圧発酵槽２０との間、減圧発酵槽２０と発酵生産物回収槽３０との間、減圧発酵槽２０と発酵もろみ回収槽４０との間、発酵生産物回収槽３０及び発酵もろみ回収槽４０と減圧機５０との間には、内部に逆止弁を備えた切換え弁１００，１０２，１０４，１０６が接続され、逆止弁の開閉により、物質の移動や圧力を制御している。なお、切換え弁１０６は三又バルブを使用することができる。
【００２８】
原料投入槽１０から減圧発酵槽２０へ発酵原料１２が搬送される際は、減圧機５０を駆動し、切換え弁１００，１０２，１０６を開けて、原料投入槽１０、減圧発酵槽２０、発酵生産物回収槽３０の内部が−０．０５〜−０．１ＭＰａの減圧状態となる。そして、原料投入槽１０の開放弁１４が開けられて原料投入槽１０の圧力が減圧から常圧へ開放された時に、減圧機５０の吸引力により、原料投入槽１０の発酵原料１２が減圧発酵槽２０に移動する。
【００２９】
発酵原料１２が減圧発酵槽２０に移動した後、切換え弁１００が閉じて再び減圧発酵槽２０の内部が−０．０５〜−０．１ＭＰａの減圧状態となる。減圧状態下では酸素濃度が低下するため、速やかに嫌気的発酵が始まる。
【００３０】
発酵もろみ２２から発生した揮発性の発酵生産物３２は、減圧機５０の吸引力により、輸送パイプ２０２を介して発酵生産物回収槽３０に輸送される。そして、発酵生産物回収槽３０の水３４に発酵生産物３２が溶解し、そこで発酵生産物３２が徐々に蓄積されていく。減圧発酵槽２０では発酵もろみ２２の発酵生産物３２が生産されたと同時に減圧機５０の吸引力により発酵生産物回収槽３０に搬送されるため、発酵もろみ２２の発酵が阻害されることなく、良好な発酵条件が長時間継続する。
【００３１】
発酵を終了させる場合は、切換え弁１００，１０２が閉じられ、切換え弁１０４，１０６が開く。これにより、減圧発酵槽２０、発酵もろみ回収槽４０の内部が−０．０５〜−０．１ＭＰａの減圧状態となる。そして、減圧発酵槽２０の開放弁２４が開けられて減圧発酵槽２０の圧力が減圧から常圧へ開放された時に、減圧機５０の吸引力により、減圧発酵槽２０の発酵終了後の発酵もろみ４２が発酵もろみ回収槽４０に移動する。
【００３２】
以上のように、本実施形態の減圧発酵システム１によれば、発酵原料１２を原料投入槽１０から減圧発酵槽２０へ投入する工程、発酵生産物２２を発酵生産物回収槽３０へ回収する工程、発酵終了後の発酵もろみ４２を発酵もろみ回収槽４０へ回収する工程を、減圧機の吸引力を利用して行うことができるため、作業工程の省力化、発酵効率の向上、発酵生産物の連続生産が達成される。
【００３３】
本実施形態の減圧発酵システム１は、嫌気条件下で発酵が行われ、発酵生産物が揮発成分である発酵形式のものであれば種々の発酵に利用することが可能である。例えば、これまで嫌気状態であった大型装置での連続発酵が困難とされていたエタノール発酵、アセトン・ブタノール発酵、水素発酵やその他の嫌気性菌による新たな酵素生産を行うことも可能である。
【実施例】
【００３４】
１．減圧発酵システムを利用したエタノール生産
図１の減圧発酵システム１を利用して、エタノール発酵を行った例を説明する。原料投入槽１０に、発酵原料１２としての糖蜜（全糖濃度２８％）200mlと、発酵性微生物としての酵母（サッカロマイセス・セルビシエ；Saccharomyces  cerevisiae）と、酵素剤としてのコクゲンＧ２０（α−アミラーゼ及びグルコアミラーゼ）を添加した。
【００３５】
減圧機５０としての真空ポンプを駆動させて減圧発酵槽内２０を減圧した。原料投入槽１０と減圧発酵槽２０との間の切換え弁１００を開き、さらに原料投入槽１０の開放弁１４を開いて、真空ポンプの吸引力により、減圧発酵槽２０に糖蜜が搬送された。
【００３６】
発酵原料１２の投入後、切換え弁１００を閉じ、減圧発酵槽２０において、真空ポンプにより常に−０．０５〜−０．１ＭＰａになるように減圧状態を保ち、２５℃で４８時間エタノール発酵を行った。エタノール発酵中は、常時、真空ポンプの吸引力によりエタノール３２が発酵生産物回収槽３０に投入された蒸留水３４に蓄積されていった。
【００３７】
発酵終了後、切換え弁１０２と閉じて発酵生産物回収槽３０におけるエタノールの回収を停止し、代わりに切換え弁１０４を開いて、発酵もろみ回収槽４０を−０．０５〜−０．１ＭＰａになるように減圧した。そして、減圧発酵槽２０の開放弁２４を開いて、真空ポンプの吸引力により、減圧発酵槽２０の発酵終了後の発酵もろみ４２が発酵もろみ回収槽４０に搬送された。
【００３８】
２．エタノール濃度の測定
減圧発酵システム１を利用してエタノールを生産した場合のエタノール生産量を測定した。なお、比較対照として、すべての工程を常圧で行った場合のエタノール生産量を測定した。
【００３９】
図２は、減圧発酵システム１を用いてエタノール発酵を行った場合のエタノール生成量（図において「減圧」と示す）と、常圧でエタノール発酵を行った場合のエタノール生産量（図において「常圧」と示す）を比較した図である。
【００４０】
図２に示すように、エタノール生産量の経時変化を見ると、減圧発酵システム１を利用することで、常圧発酵と比較し７２時間後には５％程度の多くのエタノールが取得することができた。
【００４１】
表１は、常圧でエタノール発酵を行った場合のエタノール生産量を基準（１００％）とした場合に、減圧発酵システム１を利用してエタノール発酵を行った場合のエタノール生産量を示したものである。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
減圧発酵システム１では、発酵もろみ２２から回収されるエタノールと、発酵生産物回収槽３０から回収されるエタノールがあるため、減圧発酵システム１で得られるエタノール量は、両者を足した合計と考えることができる。
【００４４】
常圧発酵と減圧発酵との比較では、減圧発酵によるエタノール生産量は、常圧発酵に比べ１４３％であることが判明した。この結果から、減圧発酵によりエタノールによる発酵阻害が抑制することが示唆された。
【符号の説明】
【００４５】
１…減圧発酵システム
１０…原料投入槽
１２…発酵原料
１４…開放弁
２０…減圧発酵槽
２２…発酵もろみ
２４…開放弁
３０…発酵生産物回収槽
３２…発酵生産物
３４…水
４０…発酵もろみ回収槽
４２…発酵終了後の発酵もろみ
５０…減圧機
６０…減圧メータ
１００，１０２，１０４，１０６…切換え弁
２００，２０２，２０４…輸送パイプ
３００，３０２，３０４…通気パイプ
【図１】
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【図２】
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