(57)【要約】【課題】食品廃棄物中に含まれる熱エネルギーの回収率を向上させ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】食品廃棄物を糖化、発酵、および、蒸留してエタノールを製造する方法であって、食品廃棄物を破砕選別したスラリーを直接または加水して糖化発酵器に導入し、アミラーゼを含む糖化酵素とエタノール発酵を行う酵母とを同時に添加して、前記糖化発酵器の合計滞留時間を３時間〜３日間として反応させることを特徴とするエタノール製造方法。【選択図】  図１
2009112200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
食品廃棄物を糖化、発酵、および、蒸留してエタノールを製造する方法であって、食品廃棄物を破砕選別したスラリーを直接または加水して糖化発酵器に導入し、アミラーゼを含む糖化酵素とエタノール発酵を行う酵母とを同時に添加して、前記糖化発酵器の合計滞留時間を３時間〜３日間として反応させることを特徴とするエタノール製造方法。
【請求項２】
前記糖化酵素としてセルラーゼを添加することを特徴とする請求項１に記載のエタノール製造方法。
【請求項３】
前記酵母を耐熱性とし、該酵母を添加して反応させる温度を３５〜７０℃とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエタノール製造方法。
【請求項４】
蒸留廃液の固液分離工程において、油分、水分、および、固形分の３相に分離する３相式遠心分離装置を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のエタノール製造方法。
【請求項５】
前記３相式遠心分離装置の後段に設置されたメッシュが0.1mm〜10mmのスクリーンを用いて、３相式遠心分離装置にて分離しなかった固形物を除去することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のエタノール製造方法。
【請求項６】
前記固液分離工程の前段で、フィルター式の圧搾機、振動ふるい装置、パンチングメタル及び網を用いてプラスチック、紙、袋、割り箸、金属、甲殻類などの夾雑物を分離することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のエタノール製造方法。
【請求項７】
前記糖化発酵工程で、エタノールを含んだ蒸気を冷却水を用いた冷却器にて凝縮させ、生成したエタノールを回収することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のエタノール製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、食品廃棄物を糖化、発酵、および、蒸留してエタノールを製造する方法に関する。
【０００２】
具体的には、生ごみからエタノールを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
生ごみなどの食品廃棄物中には、ご飯、パン、麺類などの炭水化物、六単糖、五単糖などが存在し、これをエタノール発酵させて液体燃料であるエタノールを製造するリサイクルシステムが構築できることが知られている。
【０００４】
その方法はデンプンなどの糖源を含む有機廃棄物を回収し、糖化することにより単糖化して、エタノール発酵酵母を添加し、数時間から数日後程度で糖がすべて消費されてから、エタノール発酵液を蒸留してエタノールを分離精製する。エタノール純度を９９％以上にするためには、共沸や無水化膜を利用する。
【０００５】
食品廃棄物からエタノールを製造する方法については従来から種々の提案がなされている。
【０００６】
例えば、特開2007-111590号公報（下記特許文献１）には、生ゴミを粉砕して粉砕物を生成するステップと、粉砕物のデンプン濃度を調整し糖化酵素を加え糖化処理水を生成するステップと、糖化処理水に予め培養したZymomonas mobilisの種菌を接種してアルコール発酵させ、もろみを生成するステップと、もろみを蒸留してエタノールを回収するステップとを含む。４５％を超える対ブドウ糖転換率が得られ、生ゴミから効率よくエタノールを生産でき、我が国におけるガソリン添加用エタノール生産に資することにより、生ゴミを原料とし、しかも高い効率でエタノールを回収できる方法が記載されている。
【０００７】
また、特開2005-65695号公報（下記特許文献２）には、デンプン質を含む原料を用い、発酵によりエタノールを製造する方法において、前記原料からペレットを形成するペレット形成工程と、前記ペレットに麹菌を接種して糖化ペレットを得る糖化工程と、前記糖化ペレットと酵母と水とから構成される発酵もろみの発酵開始時の水分含量を３０〜６０重量％に調整して固体発酵を行う固体発酵工程と、を備えたことにより、固体発酵法による新規アルコール生成方法およびシステムを開発し、アルコール生成過程において廃液を排出しないエタノールの製造方法及びエタノール製造システムが記載されている。
【０００８】
また、特開2006-325577号公報（下記特許文献３）には、アルコール生産部および廃液処理・利用部を備え、アルコール生産部、糖化部、濃縮部、第１発酵部、蒸留部および脱水部を有し、バイオマス原料（生ごみ）からアルコール（燃料用アルコール）を生成する。糖化部では、生ごみ中に生息する微生物により乳酸が生成して糖化液のｐＨが低くなる。濃縮部では、濃縮糖化液の全糖濃度が１００ｇ／ｌ以上３００ｇ／ｌ以下の範囲に濃縮されると共に濃縮糖化液のｐＨが乳酸の濃縮により４．０近辺になることにより、生ごみを有効利用すると共に、酒製造で使用されているSaccharomyces cerevisiaeに属する酵母を用いても殺菌、ｐＨ調整および酵母への栄養源の添加等が不要であり、かつ、効率良くアルコールを生成することができるシステムが記載されている。
【０００９】
しかし、上記の特許文献1〜３に記載された従来のエタノール製造方法では食品廃棄物中や自然界に存在する雑菌により、糖化反応後からエタノール発酵を行うまでに雑菌が繁殖してしまい原料である糖を消費してしまうという問題点があった。
【００１０】
また、糖化液中に含まれる油分によってスケールが発生して配管が詰まる場合があり、生ごみに含まれるでんぷんの熱回収率が低下して処理費増大の原因となるという問題点があった。
【００１１】
また、破砕選別機での選別後の生ごみスラリーを糖化・発酵した液は数％以下の夾雑物（プラスチック、袋、割り箸、金属類、甲殻類）を含んでおり、蒸留塔へ直接供給すると閉塞やスケールによる蒸留能力低下が起こるという問題点があった。
【特許文献１】特開2007-111590号公報
【特許文献２】特開2006-325577号公報
【特許文献３】特開2006-325577号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、食品廃棄物中に含まれる熱エネルギーの回収率を向上させることができるエタノール製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、前述の課題を解決するために鋭意検討の結果、糖化発酵器に導入した食品廃棄物のスラリーに、アミラーゼを含む糖化酵素とエタノール発酵を行う酵母とを同時に添加することにより食品廃棄物中に含まれる熱エネルギーの回収率を向上させることができるエタノール製造方法を提供するものであり、その要旨とするところは特許請求の範囲に記載したとおりの下記内容である。
（１）食品廃棄物を糖化、発酵、および、蒸留してエタノールを製造する方法であって、食品廃棄物を破砕選別したスラリーを直接または加水して糖化発酵器に導入し、アミラーゼを含む糖化酵素とエタノール発酵を行う酵母とを同時に添加して、前記糖化発酵器の合計滞留時間を３時間〜３日間として反応させることを特徴とするエタノール製造方法。
（２）前記糖化酵素としてセルラーゼを添加することを特徴とする（１）に記載のエタノール製造方法。
（３）前記酵母を耐熱性とし、該酵母を添加して反応させる温度を３５〜７０℃とすることを特徴とする（１）または（２）に記載のエタノール製造方法。
（４）蒸留廃液の固液分離工程において、油分、水分、および、固形分の３相に分離する３相式遠心分離装置を用いることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれか一項に記載のエタノール製造方法。
（５）前記３相式遠心分離装置の後段に設置されたメッシュが0.1mm〜10mmのスクリーンを用いて、３相式遠心分離装置にて分離しなかった固形物を除去することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれか一項に記載のエタノール製造方法。
（６）前記固液分離工程の前段で、フィルター式の圧搾機、振動ふるい装置、パンチングメタル及び網を用いてプラスチック、紙、袋、割り箸、金属、甲殻類などの夾雑物を分離することを特徴とする（１）乃至（５）のいずれか一項に記載のエタノール製造方法。
（７）前記糖化発酵工程で、エタノールを含んだ蒸気を冷却水を用いた冷却器にて凝縮させ、生成したエタノールを回収することを特徴とする（１）乃至（６）のいずれか一項に記載のエタノール製造方法。
＜作用＞
（１）の発明によれば、従来、糖化後の糖分が雑菌により消費されるために、エタノール転換率が低くなっていたが、アミラーゼを含む糖化酵素とエタノール発酵を行う酵母とを同時に添加することにより、酵素の働きでデンプン分を糖に転換させ、酵母の働きにより腐敗しやすい単糖類を速やかにエタノールへ転換させて、糖の雑菌による消費を最小限にすることができ、同時にエタノール発酵を行うことで収率を向上させることができる。
【００１４】
また、バッチ操作の場合、３時間〜３日間毎に供給と払出し操作を行う必要があるが、食品廃棄物の受入時間が昼間のみの施設では、必要なときに必用な量のエタノールを生産することができる。また、連続操作の場合、連続で原料の供給と払出しを行う必要があるが、原料の供給と払出しの時間が不要であり、糖化発酵器の容量を小さくさせることができる。
（２）の発明によれば、糖化酵素としてセルラーゼを添加するので、デンプン系の廃棄物だけでなく、野菜くず・紙・廃木材などのセルロース系の廃棄物もエタノールの原料として利用することができる。
（３）の発明によれば、２５〜３５℃という一般的なエタノール発酵の温度は多くの雑菌の至適温度であるために生ごみ中の雑菌が繁殖してコンタミネーション（雑菌汚染）により糖が消費されるので、３５〜７０℃という生ごみ中の雑菌が繁殖しにくい条件にすることで、５０〜６０℃が至適だとされる糖化酵素の活性が高くなり、耐熱性の酵母を使用することで酵素使用量と雑菌による糖消費量が削減できる。
（４）の発明によれば、食品廃棄物は一般に数％の油分を含み、配管閉塞、発酵阻害、発泡などの原因となるが、３相式の遠心分離機で油分を分離することによりこれを回避できる。また、遠心分離工程を２８℃以上の糖化・発酵後、４０℃以上の蒸留後に行うことにより、油分の流動性を高めて分離回収を容易にすることができる。また、回収した油分は、隣接した焼却炉の燃料等灯油・重油代替品に用いることができる。食品廃棄物には数％の油分が含まれているが、スケールなどの油分による配管閉塞や発酵阻害などの設備障害をなくし、廃棄物処理量・単価を削減し、条件によっては有価物として販売することができる。
（５）の発明によれば、３相遠心分離装置で分離できなかった固形物をメッシュが０．１mm〜１０mmのスクリーンを用いて除去するので、後工程の運転阻害要因とならない。
（６）の発明によれば、固液分離工程の前段で、フィルター式の圧搾機、振動ふるい装置、パンチングメタル及び網を用いてプラスチック、紙、袋、割り箸、金属、甲殻類などの夾雑物を分離するので破砕選別機では完全に除去することのできない夾雑物を分離することができる。
【００１５】
すなわち、破砕選別機では夾雑物を完全に除去できないので、ポンプや蒸留塔などのエタノール化設備の破損の原因となるが、フィルター式の圧搾機を利用することにより設備障害がなくなる。
（７）の発明によれば、糖化発酵工程で、エタノールを含んだ蒸気を冷却水を用いた冷却器にて凝縮させ、生成したエタノールを回収するのでエタノール製造収率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、糖化発酵器に導入した食品廃棄物のスラリーに、アミラーゼを含む糖化酵素とエタノール発酵を行う酵母とを同時に添加することにより食品廃棄物中に含まれる熱エネルギーの回収率を向上させることができるエタノール製造方法を提供することができる。
【００１７】
また、焼却（溶融）炉の回収蒸気を有効に利用することで、エタノール製造コストを下げることができる。
【００１８】
さらに残渣の焼却熱をエタノール製造に利用することができるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明を実施するための最良の形態について図１を用いて詳細に説明する。
【００２０】
図１において、１は生ごみ、２は破砕選別機、３は糖化発酵器、４はスクリーン、５は蒸留器、６は膜分離器、７はエタノール、８は廃液、９は３相遠心分離装置、１０はスクリーン、１１は残渣（固形分）、１２は蒸気、１３は油分、１４は残渣（固形分）、１５はガス化溶融炉、１６は冷却器を示し、同じ要素については同じ記号を用いることにより説明の重複を避ける。
【００２１】
図１は、本発明のエタノール製造方法の実施形態を例示する図である。
【００２２】
まず、生ごみ１を破砕選別機２を用いて砕いたスラリーを直接または加水し、固形分を残渣１１として除去した後に糖化発酵器３に導入し、この糖化発酵器３にアミラーゼを含む糖化酵素とエタノール発酵を行う酵母とを同時に添加して約６０℃に保持することにより、デンプンをブドウ糖にして水に溶ける状態にすると同時に酵母がブドウ糖を食べて濃度約７．５WT％のエタノールを生成することができる。この糖化発酵は、糖化発酵器の合計滞留時間を３時間〜３日間とする。
【００２３】
前記糖化酵素としてセルラーゼを添加することにより、デンプン系の廃棄物だけでなく、野菜くず・紙・廃木材などのセルロース系の廃棄物もエタノールの原料として利用することができる。
【００２４】
２５〜３５℃という一般的なエタノール発酵の温度は多くの雑菌の至適温度であるために生ごみ中の雑菌が繁殖してコンタミネーション（雑菌汚染）により糖が消費されるので、３５〜７０℃という生ごみ中の雑菌が繁殖しにくい条件にすることで、５０〜６０℃が至適だとされる糖化酵素の活性が高くなり、耐熱性の酵母を使用することで酵素使用量と雑菌による糖消費量が削減できる。
【００２５】
次に、冷却器１６にて、冷却水を流し、糖化発酵器３から発生する５〜６０％のエタノールを含んだ蒸気を回収して凝縮させ、５〜６０％のエタノール水溶液を回収する。前記糖化発酵工程で、エタノールを含んだ蒸気を冷却水を用いた冷却器にて凝縮させ、生成したエタノールを回収し、エタノール製造収率を向上させる。蒸気を効率よく回収するために、冷却器に真空ポンプを設置し、エタノールを含んだ蒸気を吸引することも可能である。
【００２６】
次に、スクリーン４にて、フィルター式の圧搾機、振動ふるい装置、パンチングメタル及び網を用いてプラスチック、紙、袋、割り箸、金属、甲殻類などの夾雑物を分離し残渣１１として除去した後、そのエタノール発酵液から蒸留器５によりエタノールを分離した後、膜分離装置６により約９９．５％のエタノールを精製した後の廃液８を３相式遠心分離装置５にて、油分、水分、および、固形分の３相に分離し、固形分を残渣１１として除去する。分離された油分１３はガス化溶融炉１５の燃料等灯油・重油代替品として使用することができるうえ、水分には油分が含まれていないので、配管に油分が付着して糖化液の配管が詰まる心配がなく、エタノール製造設備の熱効率の低下を防止することができる。なお、糖化器３の直後における糖化液の温度は２８℃以上であるので、油分の流動性を高めて分離回収を容易にすることができる。
【００２７】
次に、スクリーン１０にて、固液分離工程で分離しなかった固形物を、メッシュ（目開き）が０．１mm〜１０mmのスクリーンを用いて除去し、残渣１４として除去する。
【００２８】
本発明においては、蒸留器５の熱源は問わないが、ガス化溶融炉１５の発電設備に用いる約２００℃の中低温の抽気蒸気１２を用いることによりエネルギー効率を向上させることができる。
【００２９】
また、生ごみを利用することで、このとき有機系廃棄物は糖源だけでなく、窒素源やビタミン、ミネラルなどの栄養源も含んでおり、エタノール発酵に際して新たな栄養源を添加する必要はない。また、製造したエタノールは消毒液、液体燃料、自動車燃料として利用できる。
【００３０】
また、古米や木質系糖化物などの糖源を付加して、エタノール発酵を利用することが可能である。これは一般的なエタノール発酵において原材料費の半分を占めると言われる窒素源を安価に確保することができる。
【００３１】
なお、ガス化溶融炉１５の代わりに焼却炉を用いることができ、また焼却炉や溶融炉は既設の炉を利用することも可能である。
【実施例】
【００３２】
本発明のエタノール製造方法を図２に示す、ガス化溶融炉に隣接するエタノール製造設備に適用する試験を行った。
【００３３】
糖化発酵器として反応槽３１および３２を用い、膜分離器として無水化設備を用いて無水エタノール7´を得た後、その廃液を３相遠心分離装置９によって油分、残渣、分離液に分離することにより、スケールなどの油分による配管閉塞や発酵阻害などの設備障害をなくし、食品廃棄物中に含まれる熱エネルギーの回収率を向上させることができた。
【００３４】
10ｔ/日の生ごみを用いてエタノール400リットル/日を製造したところ、生ごみ中の糖分に含まれる熱エネルギーの90％をエタノールとして回収することができ、本発明の効果が確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によれば、エタノール製造設備にて発生する残渣をガス化溶融炉にて処理することにより容易に処理することができるうえ、エタノール製造設備で必用な熱源として、ガス化溶融炉の発電に用いる抽気蒸気を用いることにより熱効率をたかめることができるので、ガス化溶融炉とエタノール製造設備を近接して設置する場合に極めて有用であり、今後のエタノール製造設備の計画を行ううえで将来性が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明のエタノール製造方法の実施形態を例示する図である。
【図２】本発明のエタノール製造方法の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  生ごみ
２  破砕選別機
３  糖化発酵器
４  スクリーン
５  蒸留器
６  膜分離器
７  エタノール
８  廃液
９  ３相遠心分離装置
１０  スクリーン
１１  残渣（固形分）
１２  蒸気
１３  油分
１４  残渣（固形分）
１５  ガス化溶融炉
１６  冷却器
３１  反応槽
３２  反応槽
【図１】
2009112200.tif 000003
【図２】
2009112200.tif 000004