(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とともに、処理時に発生する残渣である固形分の処理が容易であ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、糖化液、発酵液、または、蒸留廃液のうちいずれかの固液分離工程において、油分、糖化液分、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エタノール製造方法。【選択図】  図１
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【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、糖化液、発酵液、または、蒸留廃液のうちいずれかの固液分離工程において、油分、糖化液分、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エタノール製造方法。
【請求項２】
前記固液分離工程で分離しなかった固形物を、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または請求項２に記載のエタノール製造方法。
【請求項４】
複数種類の糖分、塩分、SS分(懸濁固形物分)を含む前記糖化液の濃度を、Brix計(屈折計)を用いて測定し、該濃度が規定値を超えた場合に排出す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】
前記固液分離工程で固形分として分離した残渣を、廃棄物を焼却または溶融する廃棄物処理設備にて処理し、その際に発生する廃熱を用いて発電する時の抽気蒸気を、前記食品廃棄物の濃縮工程、蒸留工程に利用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３相式遠心分離装置にて分離して得られた油分を油水分離、ろ過のいずれか若しくは双方の工程により処理した後に再生油燃料として利用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】
前記再生油燃料を隣接する廃棄物を焼却または溶融する廃棄物処理設備の燃料として利用し、前記廃棄物処理設備で使用する化石燃料を削減する、若しくは、焼却処理し、燃焼によって発生する廃熱を用いて発電する時の抽気蒸気を、前記食品廃棄物の濃縮工程、蒸留工程に利用することを特徴とする請求項６に記載のエタノール製造方法。
【請求項８】
前記３相式遠心分離装置にて分離して得られた油分をエステル交換反応、亜臨界処理等によって脂肪酸メチルエステルを含むバイオディーゼル燃料の原料として利用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、数時間から数ヵ月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は、糖化液中に含まれる油分によっ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するという問題点があった。
【００１０】
また、従来のエタノール化リサイクルでは有機廃棄物中の糖分をエタノールの原料とするため、糖分以外の物質はすべて残渣として排出され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】
【００１１】
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とともに、処理時に発生する残渣である固形分の処理が容易であ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】
【００１２】
本発明は、前述の課題を解決するために鋭意検討の結果、糖化液、発酵液、または、蒸留廃液のうちいずれかの固液分離工程において、油分、糖化液分、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とともに、処理時に発生する残渣である固形分の処理が容易であ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、糖化液、発酵液、または、蒸留廃液のうちいずれかの固液分離工程において、油分、糖化液分、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エタノール製造方法。
（２）前記固液分離工程で分離しなかった固形物を、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）または（２）に記載のエタノール製造方法。
（４）複数種類の糖分、塩分、SS分(懸濁固形物分)を含む前記糖化液の濃度を、Brix計(屈折計)を用いて測定し、該濃度が規定値を超えた場合に排出することを特徴とする（１）乃至（３）いずれか一項に記載のエタノール製造方法。
（５）前記固液分離工程で固形分として分離した残渣を、廃棄物を焼却または溶融する廃棄物処理設備にて処理し、その際に発生する廃熱を用いて発電する時の抽気蒸気を、前記食品廃棄物の濃縮工程、蒸留工程に利用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３相式遠心分離装置にて分離して得られた油分を油水分離、ろ過のいずれか若しくは双方の工程により処理した後に再生油燃料として利用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）前記再生油燃料を隣接する廃棄物を焼却または溶融する廃棄物処理設備の燃料として利用し、前記廃棄物処理設備で使用する化石燃料を削減する、若しくは、焼却処理し、燃焼によって発生する廃熱を用いて発電する時の抽気蒸気を、前記食品廃棄物の濃縮工程、蒸留工程に利用することを特徴とする（６）に記載のエタノール製造方法。
（８）前記３相式遠心分離装置にて分離して得られた油分をエステル交換反応、亜臨界処理等によって脂肪酸メチルエステルを含むバイオディーゼル燃料の原料として利用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、食品廃棄物は一般に数％の油分を含み、配管閉塞や発酵阻害などの原因となるが、これを回避できる。また、遠心分離工程を28℃以上の糖化・発酵直後、40℃以上の蒸留直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。回収した油分は、隣接した焼却炉の燃料等に用いることができる。
（２）の発明によれば、液分離工程で分離しなかった固形物を、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濃縮、発酵、蒸留工程等の運転阻害要因とならない。
（３）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。
（４）の発明によれば、複数の種類の糖分、塩分、SS分(懸濁固形物分)等を含む前記糖化液の濃縮濃度を、Brix計(屈折計)を用いて管理するので糖化液の濃縮濃度管理を正確に行うことができる。
（５）の発明によれば、前記固液分離工程で固形分として分離した残渣を、廃棄物を焼却または溶融する廃棄物処理設備にて処理し、その際に発生する廃熱を用いて発電する時の抽気蒸気を、前記食品廃棄物の濃縮工程、蒸留工程に利用するので、廃棄物発電の蒸気の持つ熱エネルギーを利用し、取り扱いが容易で保存のしやすい液体燃料として取り出すのでエネルギー効率的に非常に優れており、エタノール化設備と焼却（溶融）設備を隣接して建設することにより、有機系廃棄物の有用成分である糖源のみ抽出して、残りの残渣は焼却炉（溶融炉）にて処理することができる。
（６）の発明によれば、前記３相式遠心分離装置にて分離して得られた油分を油水分離、ろ過のいずれか若しくは双方の工程により処理した後に再生油燃料として利用することができる。
（７）の発明によれば、前記再生油燃料を隣接する廃棄物を焼却または溶融する廃棄物処理設備の燃料として利用し、前記廃棄物処理設備で使用する化石燃料を削減する、若しくは、焼却処理し、燃焼によって発生する廃熱を用いて発電する時の抽気蒸気を、前記食品廃棄物の濃縮工程、蒸留工程に利用することができる。
（８）の発明によれば、前記３相式遠心分離装置にて分離して得られた油分をエステル交換反応、亜臨界処理等によって脂肪酸メチルエステルを含むバイオディーゼル燃料の原料として利用することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、糖化液、発酵液、または、蒸留廃液のうちいずれかの固液分離工程において、油分、糖化液分、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とともに、処理時に発生する残渣である固形分の処理が容易であるエタノール製造方法を提供することができる。
【００１４】
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。
【００１５】
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うえ、再生油燃料として利用できるなど、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】
【００１６】
本発明を実施するための最良の形態および実施例について図１〜図６を用いて詳細に説明する。
図１〜図４において、１は生ごみ、２は破砕選別器、３は糖化器、４はスクリーン、５は３相遠心分離装置、６はスクリーン、７は濃縮器、８は発酵器、９は蒸留器、１０は膜分離器、１１はエタノール、１２は残渣（固形分）、１３は油分、１４は蒸気、１５はガス化溶融炉、１６は廃液、１７は再生油化処理、１８は燃料化処理を示し、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。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明のエタノール製造方法の第１の実施形態を例示する図である。
【００１７】
まず、生ごみ１を破砕選別器２を用いて砕き、固形分を残渣１２として除去した後、糖化器３にてグリコールアミラーゼなどの酵素を添加して約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。
【００１８】
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１２として除去した後、３相式遠心分離装置５にて、油分、糖化液分、および、固形分の３相に分離し、固形分を残渣１２として除去する。分離された油分１３はガス化溶融炉１５の燃料として使用することができるうえ、糖化液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。
【００１９】
次に、スクリーン６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１２として除去した後、濃縮器７にて約１６０℃に加熱して濃度約１５WT％のブドウ糖水溶液を生成した後、発酵器８にて酵母菌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。
【００２０】
本発明においては、濃縮器７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１４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。
【００２１】
また、エタノール発酵においては食品廃棄物からの糖化液の糖濃度が低い場合、効率的にエタノール発酵を行うために、濃縮器７の出側に図示されていないBrix計(屈折計)を設置して複数種類の糖分、塩分、SS分(懸濁固形物分)を含む前記糖化液の濃度を測定し、該濃度が規定値を超えた場合に排出することにより、糖化液の濃度管理を行うことができる。
【００２２】
エタノール発酵により糖をエタノールに変換させたあと、そのエタノール発酵液から蒸留器８によりエタノールを分離した後、膜分離装置１０により約９９．５％のエタノールを精製することができる。
【００２３】
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。
【００２４】
また、古米や木質系糖化物などの糖源を負荷して、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。
【００２５】
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。
＜第２の実施形態＞
図２は、本発明のエタノール製造方法の第２の実施形態を例示する図である。
【００２６】
第２の実施形態は、第１の実施形態におけるスクリーン４、３相遠心分離装置５、および、スクリーン６を、発酵器８と蒸留器９の間に設置したものであり、固形分の一部を発酵器８に供給することにより発酵効率を向上させることができる。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】
また、スクリーン４、スクリーン６、および、Brix計(屈折計)の特徴については第１の実施形態と同様である。
＜第３の実施形態＞
図３は、本発明のエタノール製造方法の第３の実施形態を例示する図である。
【００２８】
第３の実施形態は、第１の実施形態におけるスクリーン４を発酵器８と蒸留器９の間に設置し、３相遠心分離装置５、および、スクリーン６を、膜分離器１０の後段に設置することにより、固形分の一部を発酵器８、蒸留器９、および、膜分離器１０に供給してエタノール生成効率を向上させることができる。なお、蒸留器９の直後における糖化液の温度は４０℃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。
【００２９】
また、スクリーン４、スクリーン６、および、Brix計(屈折計)の特徴については第１の実施形態と同様である。
【実施例】
【００３０】
本発明のエタノール製造方法を図４〜図６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。
【００３１】
エタノール製造設備から発生する残渣１２をガス化溶融炉１５にて処理する一方で、ガス化溶融炉１５で発生する約２００℃の中低温の抽気蒸気を、エタノール製造設備の濃縮器４および蒸留器９の熱源として使用することにより熱効率を向上させることができることが確認できた。
【００３２】
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。
【００３３】
図５および図６は、３相遠心分離装置を用いて分離した油分を再生処理する実施例を示す図である。
【００３４】
図５および図６に示すように、３相式遠心分離装置５にて分離して得られた油分を油水分離、ろ過のいずれか若しくは双方の工程からなる再生油化処理１７によって処理することにより、再生油燃料として利用することができることが判明した。
【００３５】
また、前記再生油燃料を隣接する廃棄物を焼却または溶融する廃棄物処理設備の燃料として利用し、前記廃棄物処理設備で使用する化石燃料を削減する、若しくは、焼却処理し、燃焼によって発生する廃熱を用いて発電する時の抽気蒸気を、前記食品廃棄物の濃縮工程、蒸留工程に利用できることが判明した。
【００３６】
さらに、３相式遠心分離装置５にて分離して得られた油分をエステル交換反応、亜臨界処理等からなる燃料化処理１８によって脂肪酸メチルエステルを含むバイオディーゼル燃料の原料として利用できることが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
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】
【００３８】
【図１】本発明のエタノール製造方法の第１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第２の実施形態を例示する図である。
【図３】本発明のエタノール製造方法の第３の実施形態を例示する図である。
【図４】本発明のエタノール製造方法の実施例を示す図である。
【図５】本発明のエタノール製造方法の実施例を示す図である。
【図６】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】
【００３９】
１  生ごみ
２  破砕選別器
３  糖化器
４  スクリーン
５  ３相遠心分離装置
６  スクリーン
７  濃縮器
８  発酵器
９  蒸留器
１０  膜分離器
１１  エタノール
１２  残渣（固形分）
１３  油分
１４  蒸気
１５  ガス化溶融炉
１６  廃液
１７  再生油化処理
１８  燃料化処理
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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