(57)【要約】【課題】  エタノール発酵に際し、効率よくエタノールを生産することができ、しかもエタノールを高濃度で回収することができるエタノール製造方法を提供する。【解決手段】  糖類をエタノール発酵させてエタノールを製造する際に、発酵液の一部を抜き出してエタノール除去したのち、原料液に循環させることにより、発酵液中のエタノール濃度を低く維持しながら連続的にエタノールを製造する方法において、エタノール除去をエタノール吸着材料と接触させることにより行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
糖類をエタノール発酵させてエタノールを製造する際に、発酵液の一部を抜き出してエタノール除去したのち、原料液に循環させることにより、発酵液中のエタノール濃度を低く維持しながら連続的にエタノールを製造する方法において、エタノール除去をエタノール吸着材料と接触させることにより行うことを特徴とするエタノール製造方法。
【請求項２】
エタノール吸着材料がハイシリカゼオライトである請求項１記載のエタノール製造方法。
【請求項３】
発酵液中のエタノール濃度を４質量％以下に維持する請求項１又は２記載のエタノール製造方法。
【請求項４】
発酵原料としてセルロース又はデンプン或いはその両方を用い、糖化酵素及び酵母を加えて酵素糖化と発酵とを同時に行う請求項１ないし３のいずれかに記載のエタノール製造方法。
【請求項５】
酵母として凝集性酵母を用いる請求項１ないし４のいずれかに記載のエタノール製造方法。
【請求項６】
エタノールを吸着したエタノール吸着材料を加熱してエタノールを回収する請求項１ないし５のいずれかに記載のエタノール製造方法。
【請求項７】
底部を残滓取出口を有する発酵残渣沈降室に形成し、上部に発酵液抜取口、下部に処理済発酵液導入口を備えた発酵用リアクター、該発酵液抜取口と該発酵液導入口にそれぞれフィルター、導管及び切換弁を介して連結しているエタノール吸着用カラム、該導管の適所に配設された循環ポンプ、該エタノール吸着用カラムを加熱処理するためにその周囲に配置された加熱ヒーター及び該エタノール吸着カラムに連結した冷却回収器から構成されていることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項８】
エタノール吸着用カラムが交換可能なカートリッジ型である請求項７記載のエタノール製造装置。
【請求項９】
複数の並列エタノール吸着用カラムを有する請求項７又は８記載のエタノール製造装置。
【請求項１０】
吸着剤表面を疎水性素材で被覆したエタノール吸着材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エタノール発酵により、エタノールを効率よく製造する方法、その方法を行うのに適した製造装置及びその製造方法に用いる新規なエタノール吸着材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エタノールは、各種アルコール飲料の成分として重要であり、また、工業用原料、溶剤としても広く用いられている。さらに近年、石油、天然ガスのような化石燃料の枯渇や地球温暖化問題の懸念とともに、新しい自動車用液体燃料として注目され、特に、バイオマスに起源を有するエタノールは再生可能エネルギーとして注目を集めている。わが国においても、すでに３％までのエタノールをガソリンに混合することが認められており、また、エタノールを原料として作られるＥＴＢＥもガソリンへの添加剤としての用途が検討されている。
【０００３】
ところで、このエタノールを工業的に製造するには、天然資源として大量に入手しうるバイオマスを原料としてアルコール発酵による方法が主流をなしているが、このアルコール発酵により、エタノールは濃度が５〜１５質量％程度と低く、燃料として利用するには、これを濃縮する工程が不可欠であった。
【０００４】
そして、この希薄な発酵エタノールを濃縮するには、蒸留法によるのが一般的であるが、この蒸留法ではその前工程として発酵液中から酵母菌体を除去するための固液分離工程が必要である上に、蒸留に多量のエネルギーの消費を伴う点で問題がある。
【０００５】
この蒸留法に代わる方法として、分離膜を用いる濃縮法が知られている。この方法は、エタノールに対して選択性を示す分離膜を介して、一方の側にエタノール含有混合物を供給し、他方の側を減圧にして分離膜を通過したエタノール蒸気を回収し、液化する方法である。
【０００６】
そして、これまでにエタノール分離膜として、シリコンゴム膜（特許文献１参照）、ポリトリメチルシリルプロパン膜（特許文献２参照）、ペルフロオロオレフィン膜（特許文献３参照）、ポリ尿素又はポリアミド膜（特許文献４参照）などが提案されている。
しかしながら、これらの分離膜を用いる濃縮法では、せいぜい濃度３０質量％までのエタノールが得られるにすぎず、所期の目的を達成することはできない。
【０００７】
一方において、アルコール発酵においては、発酵液中のエタノール濃度が高くなると、酵母の活性が低下し、発酵反応が円滑に進行しなくなるため、発酵液中のエタノール濃度を徒らに高めることができないという問題がある。
【０００８】
このような問題を解決するために、発酵タンクから発酵液の一部を抜き出し、アルコール選択透過膜を通してアルコールを除去したのち、不透過液を発酵タンクに戻すことにより発酵タンク内のアルコール濃度を低くして連続的にアルコールを生産させる方法も知られており、これまでにアルコール選択透過膜としてポリオレフィンを用いる方法（特許文献５参照）や、シリコンゴムコーティングしたシリカライト膜を用いる方法（特許文献６参照）が提案されている。
【０００９】
しかしながら、これらのアルコール分解膜は、浸透気化型分離膜であるため、分離効率が低い上に、耐熱性、耐薬品性が不良であるという欠点があり、この分離膜を用いる方法は工業的に実施する方法として必ずしも満足しうるものではなかった。
【００１０】
【特許文献１】特開昭５７−１３６９０５号公報（特許請求の範囲その他）
【特許文献２】特開昭６０−６７３０６号公報（特許請求の範囲その他）
【特許文献３】特公表２−５０２６３４号公報（特許請求の範囲その他）
【特許文献４】特開平５−２４５３４５号公報（特許請求の範囲その他）
【特許文献５】特開平８−２５２４３４号公報（特許請求の範囲その他）
【特許文献６】特開２００３−１３５９４１号公報（特許請求の範囲その他）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、エタノール発酵に際し、効率よくエタノールを生産することができ、しかもエタノールを高濃度で回収することができるエタノール製造方法、そのための製造装置及びそれに用いるエタノール吸着材料を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、発酵法によるエタノールの製造を効率よく行って、しかもエタノールを高濃度で回収する方法を開発するために種々研究を重ねた結果、発酵液の一部を循環させ、その途中において接触させてエタノールを除去するためのエタノール吸着材料として、疎水性で水中のエタノールに対し優れた吸着性を有するハイシリカゼオライトを用いることにより、その目的を達成しうることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
【００１３】
すなわち、本発明は、糖類をエタノール発酵させてエタノールを製造する際に、発酵液の一部を抜き出してエタノール除去したのち、原料液に循環させることにより、発酵液中のエタノール濃度を低く維持しながら連続的にエタノールを製造する方法において、エタノールの除去をエタノール吸着材料と接触させることにより行うことを特徴とするエタノール製造方法、底部を残滓取出口５を有する発酵残渣沈降室４に形成し、上部に発酵液抜取口、下部に処理済発酵液導入口３を備えた発酵用リアクター１、該発酵液抜取口２と該発酵液導入口３にそれぞれフィルター６、導管及び切換弁７を介して連結しているエタノール吸着用カラム８、該導管の適所に配設された循環ポンプ９、該エタノール吸着用カラムを加熱処理するためにその周囲に配置された加熱ヒーター１０及び該エタノール吸着カラムに連結した冷却回収器１１から構成されていることを特徴とするエタノール製造装置、及び吸着剤表面を疎水性素材で被覆したエタノール吸着材料を提供するものである。
【００１４】
ここでエタノール発酵とは、ブトウ糖、果糖、ショ糖などの糖類に酵母を作用させてエタノールと二酸化炭素を生成させる反応を意味し、ハイシリカゼオライトとは、シリカ成分に富むゼオライト、すなわちモル比ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3が１０以上のゼオライトを意味する。このものは、耐熱性に優れ、疎水性を示し、固体酸性が強く、モレキュラーシーブ特性を有し、水溶液中のエタノールに対し高い吸着性を有する。
【００１５】
次に、添付図面に従って、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明方法の１例を示すフローシートであり、発酵原料、例えば糖類、デンプン、セルロースなどの炭水化物と、酵母及び場合により用いられる糖化酵素を発酵用リアクター１に収容し、糖類の発酵或いは炭水化物の糖化及び糖類の発酵を行わせる。この際の発酵は、通常のアルコール発酵の際に用いられる条件下、例えば糖濃度１０〜３０質量％、温度２５〜３５℃において、必要に応じ撹拌しながら３〜１０時間反応させることによって行われる。
本発明方法で用いる酵母としては、凝集性酵母が好ましい。
【００１６】
この反応の間、発酵液の一部を抜き出し、抜取口２からフィルター６を経てエタノール吸着用カラム８に送る。これによって発酵液中のエタノールは、エタノール吸着用カラムに充填されたエタノール吸着材料に吸着される。このようにしてエタノールが除かれた発酵液は、循環されて再び発酵液導入口３から発酵用リアクター１に導入される。この発酵液の循環は、循環ポンプ９により発酵リアクター１内の発酵液のエタノール濃度が６質量％以下、好ましくは４質量％以下に維持されるように循環ポンプ９により制御される。
【００１７】
また、発酵液中にはエタノールの他に様々な成分が含まれており、吸着剤の性能低下を引き起こすこともあり、その場合には、吸着剤表面をシリコンゴム等の疎水性素材で被覆したエタノール吸着材料を用いることもできる。
【００１８】
次に、本発明方法で用いるエタノール吸着用カラム８は、その交換又はエタノール回収の際の取りはずしを容易にするために、変換可能なカートリッジ型に形成するのが好ましい。また、このエタノール吸着用カラムは、所望に応じ複数個を並列的に連絡して配置することもできる。
【００１９】
本発明方法で用いる発酵用リアクター１は、その底部を発酵残渣沈降室４とし、発酵により生成した発酵残滓が沈降分離して、堆積するように構成し、必要に応じその下部に設けた残滓取出口５から随時発酵残滓を取り除くとともに、頂部に設けた原料供給口（図示せず）から原料を補給し、連続的にエタノールの製造を行うことができる。
本発明方法において、原料としてセルロース、デンプンのような炭水化物を用いる場合には、酵母とともに糖化酵素を併用することが必要である。
【００２０】
エタノール吸着材料８は、エタノールの吸着量が飽和状態に達し、吸着能力が低下したならば、切換弁７を閉じて発酵液の循環を中断し、その周囲に配置した加熱ヒーター１０により加熱してエタノールを蒸気として脱着させ、冷却回収器１１に導いて冷却し、エタノールを回収することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、エタノール吸着能力の高いハイシリカゼオライトを用いて、発酵液中のエタノールを吸着させることにより、発酵用リアクター内のエタノール濃度を低く維持して効率よくエタノールを生成することができ、かつエタノール吸着材料を単に加熱するだけで高濃度のエタノールを回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に実施例により本発明を実施するための最良の形態を説明するが、本発明はこれによって何ら限定されるものではない。
【実施例１】
【００２３】
図１に示す装置において、発酵用リアクター１（１リットル体積）にブドウ糖１００ｇ、水５００ｇを装入し、酵母（Ｓｉｇｍａ社製、Ｂａｋｅｒｓ  Ｙｅａｓｔ  ｔｙｐｅ  ＩＩ）５ｇを添加し、かきまぜながら３５℃において６時間反応させた。次いで切換弁７を開放して発酵液をエタノール吸着カラム（東ソー株式会社製ハイシリカゼオライト２ｋｇを充填）８に通し、エタノールを除去しながら発酵液中のエタノール濃度が４質量％を超えないように循環ポンプ９の送液量を調整し、６０時間発酵させた。
この間、発酵用リアクター１の底部から酵母の死骸及び発酵残滓を取り出すとともに、新らしい原料を補給した。このようにして供給した糖の全量をエタノールに変換した。
次に、エタノール吸着用カラムへの切換弁７を閉じ、加熱ヒーター１０によりエタノール吸着用カラムを８０℃に加熱して、吸着したエタノールを蒸気状で脱着し、発生したエタノール蒸気を冷却することにより、９０質量％エタノール約８００ｍｌを回収した。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は、バイオマスからエタノール発酵によりエタノールを製造する際に好適に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明方法の１例を示すフローシート
【符号の説明】
【００２６】
１  発酵用リアクター
２  発酵液抜取口
３  発酵液導入口
４  発酵残渣沈降室
５  残滓取出口
６  フィルター
７  切換弁
８  エタノール吸着用カラム
９  循環ポンプ
１０  加熱ヒーター
１１  冷却回収器
【図１】
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