(57)【要約】【課題】発酵液中のアルコールを低濃度に維持することが容易であり、更に発酵液に低濃度で含まれるアルコールを精製する際のエネルギー消費量を削減できるエタノール製造システムの提供。【解決手段】ガス資化性菌を含む発酵液を貯留する発酵槽本体11aと、発酵槽本体11aに接続され、発酵槽本体11a内の発酵液中に原料ガスを導入する原料ガス導入口12aを備えた原料ガス導入管12とを有し、ガス資化性菌の代謝反応によって、導入された該原料ガスをエタノールに変換して、発酵液中にエタノールを生成する発酵槽11と、発酵槽11で生成したエタノールを含む発酵液を供給して透過側にエタノールを選択的に分離する脱アルコール膜を有する脱アルコール膜装置2と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス資化性菌を含む発酵液を貯留する発酵槽本体と、該発酵槽本体に接続され、該発酵槽本体内の発酵液中に原料ガスを導入する原料ガス導入口を備えた原料ガス導入管とを有し、該ガス資化性菌の代謝反応によって、導入された該原料ガスをエタノールに変換して、該発酵液中にエタノールを生成する発酵槽と、
前記発酵槽で生成したエタノールを含む前記発酵液を供給して透過側にエタノールを選択的に分離する脱アルコール膜を有する脱アルコール膜装置と、を備えることを特徴とするエタノール製造システム。
【請求項２】
前記脱アルコール膜は、前記発酵槽本体内の発酵液中に浸漬され、該発酵槽本体内の発酵液中からエタノールを分離することを特徴とする請求項１記載のエタノール製造システム。
【請求項３】
前記発酵槽において、前記脱アルコール膜は、前記原料ガス導入口の上方に配設されていることを特徴とする請求項２記載のエタノール製造システム。
【請求項４】
前記脱アルコール膜装置は、前記発酵槽本体の外部に設けられ、
前記発酵槽本体内の発酵液を前記脱アルコール膜に供給する供給配管と、
前記脱アルコール膜においてエタノールが分離された後の発酵液を前記発酵槽本体内に返送する返送配管と、を備え、
前記脱アルコール膜装置は、前記発酵槽本体から抜き出された発酵液中からエタノールを分離することを特徴とする請求項１記載のエタノール製造システム。
【請求項５】
前記ガス資化性菌は、モーレラ属に属する菌又はその遺伝子組換え菌であり、前記発酵槽本体内の発酵液中におけるエタノール濃度が１．５重量％以下の範囲に保持されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のエタノール製造システム。
【請求項６】
前記発酵槽本体内の発酵液の温度が５０〜６５℃の範囲に保持されていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のエタノール製造システム。
【請求項７】
前記脱アルコール膜は、ゼオライト膜表面にチタンを導入してなるチタノシリケート膜であることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のエタノール製造システム。
【請求項８】
前記脱アルコール膜で分離されたアルコールを供給して透過側に水を選択的に分離する脱水膜を更に備えることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のエタノール製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エタノール製造システムに関し、より詳しくは、ガス資化性菌の代謝反応によって原料ガスをエタノールに変換する手段と、生成したエタノールを精製する手段を備えたエタノール製造システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
石油の枯渇化や地球温暖化に伴う炭酸ガス問題などを背景として、これまでに多くのエネルギー源の開発が進められている。なかでも輸送用などに用いられる移動体エネルギーとしては、既存の設備利用や安全面から比較的容易に導入されると考えられる新規液体燃料の開発に注目が集まっている。
【０００３】
これまでの液体燃料製造方法としては、天然ガスからの炭化水素製造、合成ガスからのメタノール製造、石炭の液化、糖蜜・でんぷんからのエタノール製造などが挙げられる。なかでもエタノールは、オクタン価が高いという物性から、海外ではガソリン基材としての利用がなされており、国内においてもその利用について期待されている。
【０００４】
これまでのエタノール製造は微生物を用いた発酵生産であり、サトウキビやトウモロコシといった農作物を原料としている。エタノールが燃料として利用されるためには、安価に製造される必要があるが、これまでの生産方法では原料が食糧と競合していることから原料が高価となり、安価なエタノール生産は非常に難しい。
【０００５】
そのため、近年安価な原料を用いたエタノール生産技術開発が注目されている。そのひとつに、農業廃棄物や廃木材といった安価な有機性廃棄物を原料とし、酸や酵素による糖化処理を行い、その溶液を発酵しエタノール生産する方法がある。
【０００６】
この方法は、原料が廃棄物であることから安価なエタノール生産が期待できるが、糖化段階で生じる処理水や培養後の高負荷水の排水処理など二次的処理設備が必要となることなど、コスト面や技術面で解決すべき点が多く、そのため糖を原料としないエタノール生産技術開発が望まれていた。
【０００７】
その解決策として、一酸化炭素、二酸化炭素、水素等のガスを原料としたエタノール生産技術開発が進められている。この技術は、ガスを利用できる微生物を用い、燃焼等により得られたガスを主原料としてエタノールを生産する技術である。
【０００８】
特許文献１は、産業プロセスからのＣＯを含むオフガスストリーム又は廃ガスストリームを受け取り、当該ガスストリームを微生物の培養物を含有するバイオリアクターに送り、そして、当該バイオリアクター内で当該培養物を発酵させてアルコール及び又は酸を製造する方法を開示する。
【０００９】
また、特許文献２は、ＣＯ及び又はＨ２を含む基質の存在下でカルボキシド栄養性細菌株を培養して、酸を生成すると共に、該酸が更にエタノールに変換されるように微生物培養物を撹乱する方法を開示する。
【００１０】
また、これら特許文献１及び２は、上記のような発酵反応により生成したエタノールを発酵ブロスから回収する方法として、蒸留法あるいは抽出発酵法を開示している。
【００１１】
蒸留法は、発酵ブロスからエタノールの蒸留によってエタノールと水の共沸混合物（すなわちエタノール９５％及び水５％）を得るものであり、共沸混合物は更に脱水処理に供されるとしている。
【００１２】
また、抽出発酵法は、オレイルアルコールを発酵槽に連続的に導入して、発酵槽の上部にオレイルアルコール層を形成し、これにエタノールを含ませた後、回収する。エタノールを含んだオレイルアルコールは、遠心分離によって水と細胞が除去された後、フラッシュ蒸発装置に送り込まれる。ほとんどのエタノールは蒸発し凝結し、一方、オレイルアルコールは非揮発性なので、発酵での再使用のために回収されるとしている。
【００１３】
一方、特許文献３は、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、エタン及びエチレンから選ばれるガスを原料とし、クロストリジウム属又はその派生属に属する菌を４０℃以上の高温条件下で培養することによって、エタノールを生産すると共に、培養液から該エタノールを気化して分離することを記載し、これにより、エタノールの蓄積による生産阻害を改善し、また、未反応ガスとともに排出された気化エタノールは冷却によって液化することで分離回収できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特表２０１１−５００１００号公報
【特許文献２】特表２０１１−５１２８６９号公報
【特許文献３】特開２００３−３３９３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明者が得た知見によれば、ガス資化性菌はアルコール耐性が低く、比較的低濃度のアルコールであっても発酵阻害を生じ、アルコール生産効率を低下させる問題がある。
【００１６】
アルコール生産効率を向上する観点では、発酵液中のアルコール濃度を、通常、好ましくは３重量％以下の範囲、より好ましくは２重量％以下の範囲の低濃度に維持すること、特にガス資化性菌が、モーレラ属に属する菌又はその遺伝子組換え菌である場合は、好ましくは１．５重量％以下の範囲、より好ましくは１．０重量％の範囲の低濃度に維持することが有効であることがわかった。
【００１７】
しかし、このような条件で発酵を行う場合は、（ａ）発酵液中のアルコールを低濃度に維持することが困難であり、更に、（ｂ）発酵液に低濃度で含まれるアルコールを濃縮して回収するためのエネルギーが多大なものになるという問題があった。
【００１８】
上記（ａ）に対して、発酵槽における発酵液を希釈してアルコール濃度を低下させることも考えられる。しかるに、原料ガスの発酵液に対する溶解性は高いものではなく、また、ガス資化性菌は代謝速度が遅く、増殖性に乏しいため、溶解させた原料ガスや、菌体の濃度を保持する観点では、希釈による調整は非効率的である。
【００１９】
また、特許文献３のように、発酵槽内の発酵液を高温に保持して、アルコールを気化させて除去するだけでは、ガス資化性菌の至適温度との関係で、当該発酵液からのアルコール除去量に限界がある。
【００２０】
一方、上記（ｂ）について、特許文献１、２のような蒸留法や抽出発酵法は、発酵液に低濃度で含まれるアルコールを濃縮するのに多大なエネルギーを要する問題を解決できない。
【００２１】
そこで、本発明の課題は、発酵液中のアルコールを低濃度に維持することが容易であり、更に発酵液に低濃度で含まれるアルコールを精製する際のエネルギー消費量を削減できるエタノール製造システムを提供することにある。
【００２２】
また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
【００２４】
１．ガス資化性菌を含む発酵液を貯留する発酵槽本体と、該発酵槽本体に接続され、該発酵槽本体内の発酵液中に原料ガスを導入する原料ガス導入口を備えた原料ガス導入管とを有し、該ガス資化性菌の代謝反応によって、導入された該原料ガスをエタノールに変換して、該発酵液中にエタノールを生成する発酵槽と、
前記発酵槽で生成したエタノールを含む前記発酵液を供給して透過側にエタノールを選択的に分離する脱アルコール膜を有する脱アルコール膜装置と、を備えることを特徴とするエタノール製造システム。
【００２５】
２．前記脱アルコール膜は、前記発酵槽本体内の発酵液中に浸漬され、該発酵槽本体内の発酵液中からエタノールを分離することを特徴とする前記１記載のエタノール製造システム。
【００２６】
３．前記発酵槽において、前記脱アルコール膜は、前記原料ガス導入口の上方に配設されていることを特徴とする前記２記載のエタノール製造システム。
【００２７】
４．前記脱アルコール膜装置は、前記発酵槽本体の外部に設けられ、
前記発酵槽本体内の発酵液を前記脱アルコール膜に供給する供給配管と、
前記脱アルコール膜においてエタノールが分離された後の発酵液を前記発酵槽本体内に返送する返送配管と、を備え、
前記脱アルコール膜装置は、前記発酵槽本体から抜き出された発酵液中からエタノールを分離することを特徴とする前記１記載のエタノール製造システム。
【００２８】
５．前記ガス資化性菌は、モーレラ属に属する菌又はその遺伝子組換え菌であり、前記発酵槽本体内の発酵液中におけるエタノール濃度が１．５重量％以下の範囲に保持されていることを特徴とする前記１〜４の何れかに記載のエタノール製造システム。
【００２９】
６．前記発酵槽本体内の発酵液の温度が５０〜６５℃の範囲に保持されていることを特徴とする前記１〜５の何れかに記載のエタノール製造システム。
【００３０】
７．前記脱アルコール膜は、ゼオライト膜表面にチタンを導入してなるチタノシリケート膜であることを特徴とする前記１〜６の何れかに記載のエタノール製造システム。
【００３１】
８．前記脱アルコール膜で分離されたアルコールを供給して透過側に水を選択的に分離する脱水膜を更に備えることを特徴とする前記１〜７の何れかに記載のエタノール製造システム。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、発酵液中のアルコールを低濃度に維持することが容易であり、更に発酵液に低濃度で含まれるアルコールを精製する際のエネルギー消費量を削減できるエタノール製造システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係るエタノール製造システムの第１態様を示す概略図
【図２】本発明に係るエタノール製造システムにおける脱水手段の構成例を示す概略図
【図３】本発明に係るエタノール製造システムの第２態様を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下に、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
【００３５】
図１は、本発明に係るエタノール製造システムの第１態様を示す概略図である。
【００３６】
図１において、１は、ガス資化性菌の代謝反応によりエタノールを生成する発酵槽であり、２は、脱アルコール膜装置である。
【００３７】
発酵槽１は、ガス資化性菌を含む発酵液を貯留する発酵槽本体１１ａと、蓋体１１ｂとからなる。本発明において、「ガス資化性菌を含む発酵液」とは、発酵液中にガス資化性菌が存在していることを意味し、例えば、ガス資化性菌が発酵液中に分散された状態であってもよいし、あるいは、ガス資化性菌を担持した担体が発酵液中に浸漬された状態であってもよい。
【００３８】
１２は、発酵槽本体１１ａに接続された原料ガス導入管である。原料ガス導入管２は、発酵槽本体１１ａ内の発酵液中にガス資化性菌によるエタノール生成に必要な原料ガスを導入する原料ガス導入口１２ａを備えている。原料ガスの導入は、例えば不図示の供給ポンプにより行うことができる。
【００３９】
原料ガスとしては、ＣＯ、ＣＯ２等の気体状の炭素化合物やＨ２等を含むものを好ましく例示できる。
【００４０】
発酵液中のガス資化性菌は、発酵液中の水と、該発酵液中に溶解あるいは気泡として含まれる原料ガスとを資化してエタノールを生成する。
【００４１】
ガス資化性菌によるエタノール生成は、例えば下記理論式（１）及び／又は（２）に従って進行する。
６ＣＯ＋３Ｈ２Ｏ→Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋４ＣＯ２      ・・・（１）
６Ｈ２＋２ＣＯ２→Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋３Ｈ２Ｏ      ・・・（２）
【００４２】
本発明に用いられるガス資化性菌としては、原料ガスを資化してエタノールを生産する菌であれば特に制限はなく、好気性菌、嫌気性菌のいずれでも問題はないが、好ましくはCollinsら（Collins M.D. International Journal of Systematic Bacteriology, Oct. (1994) 812-826）の報告にてCLUSTER V、VI、VIIに分類されている、クロストリジウム（Clostridium）属またはその派生属であるサーモアナエロバクテリウム（Thermoanaerobacterium）属、サーモアナエロバクター（Thermoanaerobacter）属、モーレラ（Moorella）属に属する菌等を好ましく例示できる。
【００４３】
特に以下に記載するモレラ・エスピー（Moorella sp.）HUC22-1株（NITE P-866）又はこれらの菌と同様の種としての性質を有する類縁の菌をより好ましく用いることができる。
【００４４】
（１）NITE P-866
（イ）寄託機関：独立行政法人製品評価技術基盤機構 特許微生物寄託センター
（所在地：日本国千葉県木更津市かずさ鎌足２−５−８ 郵便番号292-0818）
（ロ）受託日：2010年1月20日
（ハ）受託番号：モレラ・エスピー（Moorella sp.）HUC22-1株（NITE P-866）
【００４５】
また、本発明に用いられるガス資化性菌として、酢酸を副生しない、あるいは酢酸の副生量が低減された菌株を用いることも好ましく、そのような菌株としては、格別限定されないが、例えば、モーレラ属に属する菌等を遺伝子組換えしてなる菌を好ましく挙げることができる。つまり、遺伝子組換えにより、酢酸を生成する代謝経路を抑制ないし破壊（具体的には該代謝経路に関わる酵素等をコードする遺伝子の発現を抑制、又は該遺伝子を破壊する等）することにより、酢酸を副生しない、あるいは酢酸の副生量が低減された菌株を得ることができる。
【００４６】
ガス資化菌により生成されたエタノールは、発酵液中に溶解され、蓄積される。
【００４７】
１３は、発酵槽１の発酵液の液面より上部（図示の例では蓋体１１ｂ）に設けられた排気口であり、発酵液に未吸収の原料ガスや、発酵槽１内で生成したエタノールの一部などを含むガスが排出される。排気口１３から排出されたガスは、不図示の循環経路を経て、再び原料ガス導入口１２ａから発酵液中に供給されるようにしてもよい。排出ガスからアルコール分を回収するように構成してもよい。
【００４８】
１４は、発酵槽本体１１ａ内の発酵液を所定の温度範囲、好ましくは５０℃〜６５℃の範囲に保持するように加熱するヒーターである。
【００４９】
２は、発酵液からエタノールを分離する脱アルコール膜装置である。
【００５０】
脱アルコール膜装置２の内部には、エタノールを選択的に透過する機能を有する脱アルコール膜が設けられており、該膜を隔てて、発酵液と接触する供給側と、該供給側よりも負圧に保たれ、濃縮エタノールが生成される透過側とが形成される。３は、脱アルコール膜の透過側に分離されたアルコールを移送する配管である。
【００５１】
本発明において、脱アルコール膜としては、膜表面への水の接近を拒むと共に、エタノールの接近を許容することにより、エタノールを選択透過させる機能を発現し得る膜が用いられ、例えば、疎水性のゼオライト分離膜を好ましく用いることができる。
【００５２】
疎水性のゼオライト分離膜としては、具体的には、天然のゼオライトや、人工のシリカライトにより構成された膜が挙げられ、これらは適宜表面を疎水化処理して用いられる。
【００５３】
疎水化処理されたゼオライト分離膜としては、ゼオライト（シリカライト）膜表面に脂肪族炭化水素等の高分子やチタン等を導入したものを好ましく用いることができ、中でもゼオライト（シリカライト）膜表面にチタンを導入してなるチタノシリケート膜を用いることが好ましい。
【００５４】
脱アルコール膜の形態は、格別限定されず、例えば、中空糸膜状や平膜状のものを好ましく用いることができる。
【００５５】
１５は、発酵槽１内と、脱アルコール膜装置２との間で発酵液を循環するための発酵液循環機構である。
【００５６】
発酵液循環機構１５は、発酵槽本体１１ａの下部に設けられた発酵液排出口１５ａと、該発酵液排出口１５ａから排出された発酵液を脱アルコール膜装置２に供給する供給配管１５ｂと、脱アルコール膜装置２においてエタノールが分離された後の発酵液を発酵槽に返送する返送配管１５ｄと、発酵槽本体１１ａの上部に設けられた発酵液導入口１５ｅと、更に循環ポンプ１５ｃとにより構成されている。
【００５７】
１６は、発酵液中のエタノール濃度を検出するエタノール濃度検出手段である。
【００５８】
以上の構成を備える発酵槽１において発酵を行う際には、原料ガス導入口１２ａから発酵液中に原料ガスを導入し、該発酵液中に存在するガス資化性菌に供給する。
【００５９】
ガス資化性菌は、原料の供給を受け、例えば上述した理論式（１）及び／又は（２）に従ってエタノールを生成する。生成したエタノールは、発酵液中に溶解される。
【００６０】
発酵液中に蓄積されたエタノールを回収する際には、循環機構１５の循環ポンプ１５ｃを作動させて、発酵槽１内と、脱アルコール膜装置２との間で発酵液を循環させて、脱アルコール膜装置２が備える脱アルコール膜の透過側に分離されたエタノールを、配管３を介して回収する。
【００６１】
脱アルコール膜装置２は、脱アルコール膜の透過側に、アルコール濃度が好ましくは８５重量％以上の範囲に精製されたアルコールを生成する。
【００６２】
本発明者の知見によると、ガス資化性菌は、発酵液中のエタノール濃度が、通常、２〜３重量％、特にガス資化性菌が、モーレラ属に属する菌又はその遺伝子組換え菌である場合は、１．５〜２重量％を超えると、発酵阻害を受けて、エタノール生成効率が低下する。
【００６３】
そのため、本発明においては、発酵槽１内の発酵液中のエタノール濃度が、好ましくは３重量％以下、より好ましくは２重量％以下の所定値以下に保持されることが好ましい。特にガス資化性菌が、モーレラ属に属する菌又はその遺伝子組換え菌である場合は、好ましくは１．５重量％以下、より好ましくは１．０重量％以下の所定値以下に保持されることが好ましい。
【００６４】
具体的には、エタノール濃度検出手段１６で検出したエタノール濃度が所定値を超える場合に、発酵槽１への原料供給量を制御する、あるいは循環ポンプ１５ｃを作動させる（又は循環ポンプ１５ｃの流量を増加する）ことによって、発酵槽１内の発酵液中のエタノール濃度を、上述した所定値以下に保持することができる。
【００６５】
また、発酵槽１における発酵は、ヒーター１４によって該発酵槽１内の発酵液を好ましくは５０℃〜６５℃の範囲に加熱した状態で行うことが好ましい。この温度範囲により、ガス資化性菌によるエタノール生成を更に効率化できると共に、発酵液の温度が脱アルコール膜装置２に適した温度となるため、発酵液を脱アルコール膜装置２に供するに際して加熱・冷却等の温度調整装置を設ける必要がなくなり、エネルギー効率を更に向上できる効果が得られる。
【００６６】
以上に説明したように、本発明においては、発酵液からのアルコールの分離に脱アルコール膜を用いることにより、発酵液中のアルコールを低濃度に維持することが容易となり、更に発酵液に低濃度で含まれるアルコールを精製する際のエネルギー消費量を削減できる効果が得られる。
【００６７】
第１態様においては、発酵液に含まれるガス資化性菌による脱アルコール膜の目詰まりを防止する観点で、脱アルコール膜装置２に供される発酵液から固形分を除去するための濾過膜や遠心分離機などの固形分除去手段（不図示）を更に設けてもよい。
【００６８】
本発明に係るエタノール製造システムにおいては、脱アルコール膜装置２の脱アルコール膜で分離されたアルコールから水分を除去するための脱水手段を更に備えることも好ましいことである。
【００６９】
図２は、本発明に係るエタノール製造システムにおける脱水手段の構成例を示す概略図である。図２において、図１と同一符号は、同一構成であるので、その説明を省略する。
【００７０】
図２において、４は、脱アルコール膜装置２で分離されたアルコールを回収する配管３上に設けられたベーパーコンプレッサーであり、５は、脱水膜である。
【００７１】
本態様において、脱アルコール膜装置２は、脱アルコール膜の透過側が、真空ポンプ７に接続されていることにより、供給側よりも減圧状態に保持されており、該透過側にアルコールを蒸気として分離する。
【００７２】
ベーパーコンプレッサー４は、脱アルコール膜の透過側に生成したアルコール蒸気を断熱圧縮することにより、好ましくは１００℃以上、より好ましくは１２０℃以上まで加熱することで、後段の脱水膜５における脱水効率を向上する。ベーパーコンプレッサー４を用いれば、少ないエネルギー消費量で加熱を行うことができ、本発明において好ましいことである。
【００７３】
ベーパーコンプレッサー４を経たアルコールは、不純物としての水を含んだ混合蒸気の状態で脱水膜５に供さる。
【００７４】
脱水膜５は、水を選択的に透過することで、該膜の透過側に水を脱水する。この透過側の領域は、真空ポンプ７に接続されることにより、供給側よりも減圧状態に保持されている。
【００７５】
脱水膜５としては、格別限定されず、例えば親水処理が施されたゼオライト膜等を好ましく用いることができる。
【００７６】
脱水膜に供されるアルコールは、通常はアルコール濃度が十分に高いことが要求されるが、本発明においては、上述したように、脱アルコール膜装置２からのアルコールは、アルコール濃度が好ましくは８５重量％以上の範囲に精製されているため、脱水膜を好適に適用できる。
【００７７】
脱水膜５を経た精製アルコールは、真空ポンプ７に吸引されることで熱交換器６に導入され、凝縮された後、精製アルコール貯留槽８に貯留される。
【００７８】
これにより、生成エタノールの純度を、好ましくはエタノール濃度が９５重量％以上、より好ましくは９８重量％以上、最も好ましくは９９．５重量％以上にまで精製することができ、また、それに要するエネルギーコストも大幅に削減できる効果を奏する。
【００７９】
以上の説明では、脱水手段として脱水膜を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば吸着式脱水塔等であってもよい。
【００８０】
以上の説明では、脱アルコール膜装置２を発酵槽１の外部に設ける場合について示したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００８１】
本発明者は、ガス資化性菌によるエタノール生成に好適な温度範囲と、脱アルコール膜装置２の適用に適した温度範囲とが重複し得ること、即ち、発酵槽１内の発酵液を脱アルコール膜装置２に供するに際して加熱・冷却等の温度調整装置を設ける必要がないことに基づいて更に鋭意検討し、以下に説明する第２態様を想到するに至った。
【００８２】
図３は、本発明に係るエタノール製造システムの第２態様を示す概略図である。図３において、図１、２と同一符号は、同一構成であるので、その説明を省略する。
【００８３】
第２態様においては、脱アルコール膜装置２が、発酵槽１の内部に設けられ、該発酵槽１内の発酵液中に浸漬されている。そして、脱アルコール膜装置２が備える脱アルコール膜は、発酵槽１内の発酵液と直接接触するように設けられている。
【００８４】
そのため、第２態様では、図１（第１態様）のような循環機構１５を用いることなく、脱アルコール膜装置２により、発酵槽１内の発酵液から直接エタノールを分離・除去できるようになる。
【００８５】
その結果、発酵槽１内の発酵液におけるエタノール濃度変化に対して、より直接的にタイムラグを生じることなく対応できるため、発酵槽１内の発酵液中のエタノール濃度を、好ましくは３重量％以下、より好ましくは２重量％以下の所定値以下に保持することが更に容易となる。
【００８６】
また、本態様においては、ヒーター１６によって発酵槽１内の発酵液の温度を、所定の温度範囲、好ましくは５０℃〜６５℃の範囲に保持することで、発酵槽１内の発酵液の温度を、脱アルコール膜装置２のために直接利用でき、エネルギー効率を更に向上できる効果が得られる。
【００８７】
第２態様において、脱アルコール膜装置２の脱アルコール膜は、原料ガス導入口１２ａの上方に配設されることが好ましい。そうすることで、浮力により上昇する原料ガスの気泡が、脱アルコール膜の膜面を叩くことにより、ガス資化性菌による該膜の目詰まりを防止できる効果を得ることができる。通常のバイオマス発酵では、原料に由来する固形分による分離膜の目詰まりが深刻となるが、本発明では、ガスを原料とするガス資化性菌による発酵であるため、固形分としては、菌体のみを考慮すればよい。特にガス資化性菌は増殖速度が緩やかであるため、濾過膜や遠心分離機などの固形分除去手段を設けなくても、このような簡単な構成によって、目詰まりを好適に防止できる。
【００８８】
本態様においては、原料ガス導入口１２ａが、発酵液中に原料ガスを散気する散気手段により形成されることが好ましい。図３の例では、原料ガス導入口１２ａが、散気管により形成される場合を示したが、これに限定されず、例えば散気フィルター等により形成されていてもよい。
【００８９】
原料ガス導入口１２ａから生成する原料ガスの気泡径は、脱アルコール膜の膜面を叩くことにより、ガス資化性菌による該膜の目詰まりを防止する効果を更に向上する観点から、３０μｍ〜５００μｍの範囲であることが好ましい。
【００９０】
第２態様においても、図２で説明したものと同様の脱水手段を好適に備えることができる。
【実施例】
【００９１】
以下に、本発明の実施例について説明するが、本発明はかかる実施例によって限定されない。
【００９２】
（実施例１）
図１に示したものと同様のエタノール製造システム（脱アルコール膜装置２の透過側に図２に示したものと同様の脱水手段を備える）を用いて、エタノールの製造を行った。
【００９３】
まず、発酵槽１内に下記組成の培地１Ｌを入れ、そこに、予め培養しておいたMoorella sp. HUC22-1株の前培養液を遠心分離にかけて得た１０ｇの菌体を植菌した。
【００９４】
水素／二酸化炭素混合ガス（体積比  Ｈ２：ＣＯ２＝８０：２０）を、流速１Ｌ／ｍｉｎで、多孔板を介して発酵槽１内に供給し、下記の発酵条件にてエタノール発酵を行った。
【００９５】
発酵槽１内の温度は５５℃とし、発酵槽１内に設置したエタノール濃度検出手段１６により測定される発酵液中のエタノール濃度が所定濃度を超えたところで、自動的に、循環ポンプ１５ｃを流速２３ｍＬ／ｍｉｎで作動させた。
【００９６】
発酵液循環機構１５に導入された発酵液は、多段構成モジュール型のシリカライト膜（総表面積：１４０ｃｍ２、分離係数：８０、透過速度：１ｋｇ／ｍ２／ｈ、エタノール処理速度：１４ｇ／ｈ）を備える脱アルコール膜装置２と接触させた。脱アルコール膜装置２の透過側は減圧状態に保持した。
【００９７】
脱アルコール膜装置２のシリカライト膜を透過した蒸気は、ベーパーコンプレッサー４により１２０℃に加熱され、脱水膜５に供された。
【００９８】
脱水膜５を透過したエタノール蒸気を、熱交換器６で３０℃にて凝縮させて、エタノール溶液として回収した。
【００９９】
上述した循環ポンプ１５ｃの作動を開始する所定濃度（発酵液中のアルコール濃度）を、１．０重量％、１．５重量％又は２．０重量％と異ならせた各場合について、発酵槽１内発酵液のエタノール濃度（液循環開始時）、脱アルコール膜装置２における膜透過量（エタノール量）、脱アルコール膜装置２を透過した蒸気中のエタノール濃度、及び、熱交換器６での凝縮後のエタノール濃度を表１に示した。
【０１００】
＜培地組成＞
Moorella sp. HUC22-1用基本培地（ATTC medium 1754 PETC medium改変）
・ＮＨ４Ｃｌ：１．０ｇ
・ＫＣｌ：０．１ｇ
・ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ：０．２ｇ
・ＮａＣｌ：０．８ｇ
・ＫＨ２ＰＯ４：０．１ｇ
・ＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏ：２０．０ｍｇ
・Yeast extract（オリエンタル酵母工業社製）：１．０ｇ
・Trace Elements：１０．０ｍｌ
・Wolfe's Vitamin Solution：１０．０ｍｌ
・ＮａＨＣＯ３：２．０ｇ
以上の組成物をＨＣｌでｐＨ６．９に調整した。
【０１０１】
＜発酵条件＞
・菌体濃度：１０ｇ／Ｌ
・ガス組成：（８０：２０）Ｈ２：ＣＯ２
・ガス供給速度（原料ガス導入口１２ａ）：１Ｌ／ｍｉｎ
・ガス排気速度（排気口１３）：０．１６Ｌ／ｍｉｎ
・培養容積：１Ｌ
・培養温度：５５℃
・発酵槽内圧力：７７６ｍｍＨｇ
【０１０２】
【表１】
2014183780.tif 000003
【０１０３】
（実施例２）
図３に示したものと同様のエタノール製造システム（脱アルコール膜装置２の透過側に図２に示したものと同様の脱水手段を備える）を用いて、エタノールの製造を行った。
【０１０４】
この例では、実施例１のように循環ポンプで発酵液を抜き取る代わりに、円筒形のシリカライト膜を備えた脱アルコール膜装置２を発酵槽１内の発酵液に浸漬させ、膜の外側（供給側）の面一方だけを発酵液に接触するようにした。膜の内側（透過側）は、真空ポンプ７により減圧に保てるようにした。
【０１０５】
発酵槽１内に実施例１で用いたものと同様の培地１Ｌを入れ、そこに、予め培養しておいたMoorella sp. HUC22-1株の前培養液を遠心分離にかけて得た１０ｇの菌体を植菌した。
【０１０６】
水素／二酸化炭素混合ガス（体積比Ｈ２：ＣＯ２＝８０：２０）を、流速１Ｌ／ｍｉｎで、多孔板を介して発酵槽１内に供給し、エタノール発酵を開始した。
【０１０７】
発酵槽１内は、別途撹拌を行わなくても、ガス供給によって均一に保たれ、更に、膜の表面に菌等の付着物も見られなかった。
【０１０８】
発酵槽１内の温度は５５℃とし、実施例１と同様の発酵条件で発酵を行い、発酵槽１内に設置したエタノール濃度検出手段１６により測定される発酵液中のエタノール濃度が所定濃度を超えたところで、自動的に、真空ポンプ７を作動させて膜の内側を減圧した。
【０１０９】
脱アルコール膜装置２のシリカライト膜を透過した蒸気は、ベーパーコンプレッサー４により１２０℃に加熱され、脱水膜５に供された。
【０１１０】
脱水膜５を透過したエタノール蒸気を熱交換器６で凝縮させて得られたエタノール溶液を回収した。
【０１１１】
上述した真空ポンプ７の作動を開始する所定濃度（発酵液中のアルコール濃度）を、１．０重量％、１．５重量％又は２．０重量％と異ならせた各場合について、発酵槽１内発酵液のエタノール濃度（液循環開始時）、脱アルコール膜装置２における膜透過量（エタノール量）、脱アルコール膜装置２を透過した蒸気中のエタノール濃度、及び、熱交換器６での凝縮後のエタノール濃度を表２に示した。
【０１１２】
【表２】
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【符号の説明】
【０１１３】
１：発酵槽
１１ａ：発酵槽本体
１１ｂ：蓋体
１２：原料ガス導入管
１２ａ：原料ガス導入口
１３：排気口
１４：ヒーター
１５：発酵液循環機構
１５ａ：発酵液排出口
１５ｂ：供給配管
１５ｃ：循環ポンプ
１５ｄ：返送配管
１５ｅ：発酵液導入口
１６：エタノール濃度検出手段
２：脱アルコール膜装置
３：配管
４：ベーパーコンプレッサー
５：脱水膜
６：熱交換器
７：真空ポンプ
８：精製アルコール貯留槽
【図１】
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【図２】
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【図３】
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