JP2008104452A - アルコール生産システムおよびアルコール生産方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素なシステム構成および工程により生ごみを有効利用することができるアルコール生産システムおよびアルコール生産方法を提供する。
【解決手段】糖化・第１発酵部１１は、生ごみＷ１と酵素を反応させ糖化物を生成すると共に、生成された糖化物を用いてアルコール発酵させる。生ごみＷ１を希釈する必要がなくなり、固液分離や濃縮も不要となる。生成した醪Ｓ１の一部を次回のアルコール発酵に用いて繰返し回分発酵を行う。あるいは醪Ｓ１の一部を糖化・第１発酵部１１の最初に戻して連続発酵を行う。培養した酵母を糖化・第１発酵部１１に連続または間欠供給し連続発酵を行ってもよい。醪Ｓ１の残部は粗アルコールＬ２と蒸留残渣Ｓ２とに分離し、粗アルコールＬ２から無水アルコールＬ１を得る。蒸留残渣Ｓ２はメタン発酵させ、消化残渣Ｓ３を乾燥させて堆肥Ｓ４を生成し、バイオガスＧ１をエネルギー源として利用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば生ごみなどの廃棄物から燃料用アルコールを得ることが可能なアルコール生産システムおよびアルコール生産方法に関する。

近年、地球環境問題の観点からバイオマスの利用が注目されている。特に、次世代自動車燃料として期待されているエタノール等のアルコールをバイオマスから製造する技術についての研究開発が盛んに行われている。このアルコール生産は、バイオマス原料を、加水分解などの糖化工程により分解した後、酵母（微生物）を用いたアルコール発酵によりエタノールに変換することにより行われる。

一般的なバイオマス原料としては、サトウキビなどの糖質を含むものあるいはトウモロコシなどのデンプン質を含むものが多く用いられている。その他にも、バガスや稲わらのような草木系原料、木材チップ等の木質系原料、バイオマス等のセルロース系原料も原料として用いられている。しかし、サトウキビやトウモロコシなどの糖質やデンプン質原料は本来食用資源であり、これらの食用資源を長期的、安定的に工業用利用資源として用いることは、今後生じる人口増加問題と拮抗するため好ましくない。

そこで最近では、産業廃棄物等を用いたバイオマスが研究されており、例えば、セルロース系資源として利用可能な廃建材等からアルコールを生成する方法等が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−１８７６５０号公報

一方、生ごみからの燃料用アルコール製造の開発も進められているが、システム構成および工程が複雑で多大なエネルギー投入が必要となることや、蒸留後の廃液処理などの問題があり、実用化には未だ改善の余地があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡素なシステム構成および工程により生ごみを有効利用することができるアルコール生産システムおよびそのアルコール生産方法を提供することにある。

本発明によるアルコール生産システムは、固体状態の生ごみを糖化して糖化物を生成し、生成された糖化物を用いてアルコール発酵させる糖化・第１発酵部を備えたものである。なお、本明細書において「生ごみ」とは、家庭、ホテル、コンビニエンスストア等から廃棄される加熱前後の食物（残飯等）を含むごみをいい、その成分として、中性成分（糖類等）、脂溶性成分（脂質等）あるいはイオン性成分（タンパク質、アミノ酸、有機酸、無機塩類等）等を含むものである。なお、生ごみには紙、木片等の「燃えるごみ」として通常廃棄されるものが混在していてもよい。また、ここにいう「固体状態の生ごみ」とは、加水していない、すなわち水で希釈していない生ごみをいい、生ごみの中に水が混入していてもよい。

本発明によるアルコール生産方法は、固体状態の生ごみを糖化して糖化物を生成し、生成された糖化物を用いてアルコール発酵させる糖化・第１発酵工程を含むものである。

本発明のアルコール生産システムおよび本発明のアルコール生産方法では、固体状態の生ごみが糖化され、生成された糖化物を用いてアルコール発酵が行われる。よって、生ごみを水などで希釈する必要がなくなり、糖化後の固液分離や濃縮も不要となり、システム構成および工程が著しく簡素化される。

特に、糖化・第１発酵部（工程）において、生ごみの糖化とアルコール発酵とを同時に行うことが好ましい。糖化で生成されたグルコースを酵母により直ちにアルコールに変換させることができ、雑菌汚染のおそれを極めて小さくすることができるからである。

このアルコール生産システムおよび方法では、糖化・第１発酵部（工程）において生成された醪の一部を次回のアルコール発酵に用いることが好ましい。これにより、繰返し回分発酵を可能とすることができるからである。

また、糖化・第１発酵部（工程）において生成された醪の一部を糖化・第１発酵工程の最初に戻すことが好ましい。安定した連続発酵を可能とすることができるからである。

更に、このアルコール生産システムおよび方法では、酵母供給部において酵母を培養し、糖化・第１発酵部（工程）に連続的または間欠的に供給することが好ましい。安定した連続発酵を可能とすることができるからである。

このアルコール生産システムおよび方法は、例えば、糖化・第１発酵部により生成された醪を蒸留し、粗アルコールと蒸留残渣とに分離する蒸留部（工程）と、粗アルコールを脱水してアルコールを生成する脱水部（工程）とを有することが好ましい。得られたアルコールは、例えば自動車燃料として有効に利用することができる。

更に、このアルコール生産システムおよび方法は、蒸留部（工程）から排出された蒸留残渣を発酵させるメタン発酵槽を有する第２発酵部（工程）と、第２発酵部（工程）から排出された消化残渣を乾燥させる乾燥部（工程）とを有することが好ましい。これにより、消化残渣を乾燥させて堆肥などとして利用することができ、従来のような蒸留後の廃液処理は不要となる。よって、蒸留残渣や消化残渣の処理も、従来に比べて極めて簡素なシステム構成および工程により行うことが可能となる。

第２発酵部においては、バイオガスを生成し、このバイオガスを蒸留部および乾燥部の少なくとも一方のエネルギー源として利用するようにすることが好ましい。これにより、蒸留部や乾燥部に外部からエネルギーを投入する必要がなく、完結型のプロセスを確立することができる。

また、第２発酵部においては、空気をメタン発酵槽中に導入してバイオガスと接触させることにより、バイオガス中の硫化水素の濃度を空気やイオウ酸化細菌により低減させることが好ましい。具体的には、第２発酵部は、例えば、メタン発酵槽の後段に水槽を有し、バイオガスと空気との混合ガスをメタン発酵槽と水槽との間で循環させることにより硫化水素を空気酸化またはイオウ酸化細菌により酸化させて硫黄または硫酸イオンとし、混合ガス中の硫化水素の濃度を１０ｐｐｍ以下に低減させるようにすることができる。

本発明のアルコール生産システムおよび本発明のアルコール生産方法では、ホロセルロースが１０％以上含まれている家庭系の生ごみや家庭系および事業系生ごみの混合物に対しては、糖化・第１発酵部において糖化する前に、液化酵素により液化させることが好ましい。糖化酵素としては、グルコアミラーゼ、セルラーゼが挙げられるが、両方を併用することがより好ましい。

本発明のアルコール生産システムまたは本発明のアルコール生産方法によれば、糖化・第１発酵部（工程）において固体状態の生ごみを糖化してアルコール発酵させるようにしたので、生ごみを水などで希釈する必要がなくなり、糖化後の固液分離や濃縮も不要とすることができる。よって、システム構成および工程を著しく簡素化することができる。

特に、生ごみの糖化とアルコール発酵とを同時に行うようにすれば、糖化で生成されたグルコースを酵母により直ちにアルコールに変換させることができ、雑菌汚染のおそれを極めて小さくすることができる。

糖化・第１発酵部（工程）において生成された醪の一部を次回のアルコール発酵に使用するようにすれば、繰返し回分発酵を可能とすることができる。

糖化・第１発酵部（工程）において生成された醪の一部を糖化・第１発酵工程の最初に戻すようにすれば、安定した連続発酵を可能とすることができる。

酵母供給部において酵母を培養し、糖化・第１発酵部（工程）に連続的または間欠的に供給するようにすれば、安定した連続発酵を可能とすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態に係るアルコール生産システム１の構成例を表すものである。なお、本発明のアルコール生産方法については、アルコール生産システム１の作用に具現化されるものであるので合わせて説明する。

このアルコール生産システム１は、バイオマス原料から燃料用または工業用のアルコールを生成するものであり、例えば、アルコール生産部１０と、残渣処理・利用部２０とを備えている。バイオマス原料は、例えば家庭から、あるいは産業廃棄物として排出される生ごみＷ１であり、従って、このアルコール生産システム１は、ごみ処理問題についての一解決手段ともなるものである。

アルコール生産部１０は、例えば、糖化・第１発酵部１１、蒸留部１２および脱水部１３を有している。

糖化・第１発酵部１１は、固体状態の生ごみＷ１と酵素を反応させ生ごみＷ１に含まれるデンプン質や一部のセルロース等を糖化して糖化物を生成し、生成された糖化物を用いて加えた酵母でアルコール発酵させ、醪Ｓ１を生成するものである。これにより、このアルコール生産システム１では、生ごみＷ１を水などで希釈する必要がなくなり、糖化後の固液分離や濃縮も不要となり、極めて簡素なシステム構成および工程により生ごみＷ１を有効利用することができるようになっている。なお、固体状態の生ごみＷ１の水分含量は例えば７０％以上、具体的には７５％〜８０％以上である。

この糖化・第１発酵部１１は、生ごみの糖化とアルコール発酵とを同時に行うものであることが好ましい。糖化で生成されたグルコースを酵母により直ちにアルコールに変換させることができ、雑菌汚染のおそれを極めて小さくすることができるからである。なお、糖化・第１発酵部１１は、生ゴミを糖化したのちにアルコール発酵を行うようにしてもよい。

糖化・第１発酵部１１においては、生成された醪Ｓ１の一部を蒸留部１２に送らずに糖化・第１発酵部１１自体に戻し、次回のアルコール発酵に用いることが好ましい。繰返し回分発酵を可能とすることができるからである。

このような糖化・第１発酵部１１に用いる糖化・アルコール発酵反応槽は、例えば、生ゴミと酵素との接触がよいものにより構成されていることが好ましく、例えば回転ドラムや回転ブレード等が挙げられる。特に、回転ブレードは、糖化終了後、糖化物を回収したのち、糖化残渣を粗粉砕しつつ回収することができるので好ましい。なお、反応槽は横型に限らず縦型であってもよい。

蒸留部１２は、糖化・第１発酵部１１により生成された醪Ｓ１を蒸留し、粗アルコールＬ２と蒸留残渣Ｓ３とに分離するものである。

脱水部１３は、粗アルコールＬ２を脱水して無水アルコールＬ１を生成するものである。この無水アルコールＬ１は、例えばガソリンに添加して使用される。

残渣処理・利用部２０は、例えば、第２発酵部２１、コージェネレーション部２２および乾燥部２３を有している。

第２発酵部２１は、蒸留部１２から排出された蒸留残渣Ｓ２をメタン発酵させるものである。

コージェネレーション部２２は、例えば、ボイラおよび発電機（いずれも図示せず）を備えており、第２発酵部２１で生成されたバイオガスＧ１をエネルギー源として利用して蒸気Ｇ３およびプラント電力Ｅ１にエネルギー変換するものである。蒸気Ｇ３は、蒸留部１２および乾燥部２３の少なくとも一方のエネルギー源として利用することが好ましい。蒸留部１２や乾燥部２３を含むプラントに対して外部からエネルギーを投入する必要がなく、完結型のプロセスを確立することができるからである。

乾燥部２３は、第２発酵部２１から排出された消化残渣Ｓ３を乾燥させて、堆肥Ｓ４を生成するものである。消化残渣Ｓ３には、例えば、第２発酵部２１でメタン発酵により消化されなかった有機物や無機物が含まれている。

図２は、第２発酵部２１の構成を表したものである。第２発酵部２１は、例えば、蒸留部１２で排出された蒸留残渣Ｓ２を発酵させるメタン発酵槽２１Ａを有している。メタン発酵槽２１Ａの後段には、水槽２１Ｂが設けられている。水槽２１Ｂの水は、地下水、河川水、工水、水道水または下水処理場の処理水などのいずれでもよい。

メタン発酵槽２１Ａは空気を導入可能であり、内部で生成されたバイオガスＧ１と外部から導入された空気とを接触させることにより、バイオガスＧ１中の硫化水素の濃度を低減させることが好ましい。バイオガスＧ１は、エネルギー源などとして有用なメタン（ＣＨ4 ）のほか、無用な炭酸ガス、硫化水素やアンモニアを含んでいる。硫化水素はガスエンジンやボイラーを腐食させるので、一般には乾式脱硫や湿式脱硫、さらには生物脱硫が行われているが、二次汚染や処理コストの問題がある。このようにバイオガスＧ１と空気とを接触させることにより、容易に硫化水素の濃度を低減させることができる。よって、硫化水素による阻害を軽減してメタン発酵の有機物負荷を向上させることができる。空気の流入量は、例えば、バイオガスＧ１の発生量の５％以上１０％以下であることが好ましい。また、バイオガスＧ１と空気とを含む混合ガスＧ２中の硫化水素の濃度は、例えば、１０ｐｐｍ以下であることが好ましい。

水槽２１Ｂは、混合ガスＧ２をメタン発酵槽２１Ａとの間で循環させることにより硫化水素を空気酸化させて硫黄または硫酸イオンとし、混合ガスＧ２中の硫化水素の濃度を更に低減させるためのものである。このようにすることにより、バイオガスＧ１または混合ガスＧ２を容易に脱硫することができ、蒸留部１２あるいは乾燥部２３のエネルギー源として利用しやすくすることができる。

また、水槽２１Ｂには、混合ガスＧ２が通され、バイオガスＧ１に含まれるアンモニアが硫安として除去されるようになっている。これにより、アンモニア阻害を軽減し、メタン発酵の有機物負荷を向上させることができる。なお、このアンモニアは、生ごみに含まれているアンモニウムイオンや、第２発酵部２１においてタンパク質が加水分解されアミノ酸となり脱アミノされ生成したアンモニウムイオンがアンモニアになったものである。

次に、このような構成のアルコール生産システム１の作用について説明する。

（糖化・第１発酵工程）
まず、粗粉砕および異物除去した生ごみＷ１と酵素および酵母とを混合したのち、アルコール生産部１０の糖化・第１発酵部１１において、固体状態の生ごみＷ１を糖化して糖化物、例えばグルコースを生成し、生成された糖化物を用いてアルコール発酵させる。これにより、生ごみを水などで希釈する必要がなくなり、糖化後の固液分離や濃縮も不要となり、工程を著しく簡素化することができる。

また、糖化後の固液分離や濃縮を不要とすることで、糖化物の回収率を高めると共に、エネルギーのロスを低減することもできる。以下、例えば生ごみ１ｋｇについての収支を取ると、本実施の形態のように糖化とアルコール発酵とを同時に行った場合、糖化後のグルコース回収率は１００％である。これに対して、従来のように生ごみ１ｋｇを水０．５ｋｇで希釈した場合、糖化液１．１２５ｋｇと残渣０．３７５ｋｇが生じる。つまり、４分の１が残渣側に移るので、グルコース回収率は７５％であった。

また、エネルギーロス率については、糖化液を２倍濃縮すると仮定すると、糖化液量１．１２５ｋｇから０．５６３ｋｇの水を蒸発させるために、数１に示したように、３４３ｋｃａｌのエネルギーが必要となる。

（数１）
０．５６３×（５３９＋（１００−３０））＝３４３ｋｃａｌ

更に、糖化とアルコール発酵とを同時に行うことにより、糖化で生成されたグルコースを酵母により直ちにアルコールに変換させることができる。よって、雑菌汚染のおそれを極めて小さくすることができる。

このような糖化・第１発酵工程における具体的な糖化条件としては、例えば、糖化と第１発酵とを同時に行う場合には２０度以上、好ましくは４０度以下の温度が好ましい。酵母が生きていくために温度を高めることができないからである。糖化ののちに第１発酵を行う場合には、糖化温度は６０度まで高めてもよいがアルコール発酵では温度を下げることが好ましい。酵素の量は、固体状態の生ごみＷ１の湿潤重量１ｋｇに対して５０ｍｇ以上、更には１００ｍｇ以上とすることが好ましい。ここで、湿潤重量とは食品ごみ中に混在する液状のごみも含めた重量（質量）を意味する。

また、収集運搬や糖化期間中に、生ごみＷ１中に生息する微生物により主として乳酸発酵が起こり、生成する糖化物には、乳酸Ａ１が主成分となる有機酸Ａが含まれている。これにより、糖化物の水素イオン指数（ｐＨ）は、例えばｐＨ３．５以上４．５以下に保たれる。

収集運搬や糖化期間中に生成した乳酸Ａ１の濃度は、例えば５０００ｍｇ／ｌ以上、より好ましくは１００００ｍｇ／ｌ以上であることが好ましい。糖化物のｐＨを低下させ、雑菌の増殖を抑制して、糖化物の殺菌を不要とすることができるからである。また、乳酸Ａ１の濃度をこの範囲内とすることにより、糖化物のｐＨは自ずと３．５以上４．５以下の範囲になり、このｐＨ領域でアルコール発酵に用いる酵母は増殖するので、糖化物のｐＨを特別に調整する必要はない。

アルコール発酵に用いる酵母としては、ｐＨが４．５以下でも増殖および発酵する非凝集酵母および凝集性酵母のうちの少なくとも一方が利用可能である。具体的には、非凝集酵母としては、Saccharomyces cereviciae EP1株または焼酎製造で使用する鹿児島酵母５号など、凝集性酵母としてはSaccharomyces cereviciae KF-7 株、などがそれぞれ挙げられる。

アルコール発酵の方式としては、回分発酵、繰返し回分発酵または連続発酵が利用可能である。回分発酵としては流加発酵方式でもよく、繰返し回分発酵としてはガス発生量に基づいて自動化して行う装置を用いる方式あるいは１日に１回の回分発酵を繰り返す方式が好ましく、連続発酵方式としてはケモスタット方式が好ましい。

具体的なアルコール発酵条件としては、例えば、連続発酵方式を適用すると共にアルコール発酵温度を２５度以上、好ましくは３０度以上とし、希釈率Ｄを０．０５ｈ^-1以上、好ましくは０．２ｈ^-1以上、より好ましくは０．３ｈ^-1以上とする。ここで希釈率Ｄ（ｈ^-1）とは、生ごみ供給速度Ｆ（ｍ³ ／ｈ）を糖化・第１発酵部１１の実容積Ｖ（ｍ³ ）で除した値（Ｄ＝Ｆ／Ｖ）である。

なお、アルコール発酵の際には、残存する雑菌を更に低減した状態または好適なｐＨの状態とするため、殺菌処理またはｐＨ調整を施してもよい。例えば、糖化物のｐＨ４前後および上述した乳酸濃度、並びに発酵ｐＨ４前後で希釈率Ｄを０．２ｈ^-1以上とすることにより、アルコール発酵中に雑菌が繁殖することを完全に防ぐことが可能となる。

このようにして糖化・第１発酵工程において生成された醪Ｓ１の一部は、蒸留工程に送らず、再び糖化・第１発酵工程において次回のアルコール発酵に使用することが好ましい。繰返し回分発酵を可能とすることができるからである。

（蒸留工程）
次いで、蒸留部１２において、糖化・第１発酵工程により生成された醪Ｓ１を蒸留し、粗アルコールＬ２と蒸留残渣Ｓ２とに分離する。

（脱水工程）
続いて、脱水部１３において、粗アルコールＬ２を脱水してアルコールＬ１を生成する。

一方、アルコール生産部１０から排出された蒸留残渣Ｓ２は残渣処理・利用部２０へ送られて、以下のように処理あるいは利用される。

（第２発酵工程）
まず、第２発酵部２１のメタン発酵槽２１Ａにおいて、蒸留工程から排出された蒸留残渣Ｓ２をメタン発酵させ、バイオガスＧ１を生成させる。このバイオガスＧ１中には、エネルギー源として有用なメタン（ＣＨ₄ ）のほか炭酸ガス、硫化水素およびアンモニア等が含まれているので、メタン発酵槽２１Ａに空気を導入することによりバイオガスＧ１と空気とを接触させ、バイオガスＧ１に含まれる硫化水素の濃度を例えば１０ｐｐｍ以下に低減する。これにより、硫化水素による人体への悪影響やボイラーや発電機の腐食を防止することができる。空気の流入量は、例えばバイオガスＧ１の発生量の５％以上１０％以下とすることが好ましい。また、メタン発酵槽２１Ａと水槽２１Ｂとの間で混合ガスＧ２を循環させることにより、混合ガスＧ２中の硫化水素の濃度を更に低減させることが好ましい。

また、水槽２１Ｂには、混合ガスＧ２を通し、バイオガスＧ１に含まれるアンモニアを硫安として除去することが好ましい。アンモニア阻害を軽減し、メタン発酵の有機物負荷を向上させることができるからである。

硫化水素が除去されたバイオガスＧ１（混合ガスＧ２）はコージェネレーション部２２に送られて蒸気Ｇ３およびプラント電力Ｅ１にエネルギー変換される。蒸気Ｇ３は蒸留部１２および乾燥部２３の少なくとも一方の熱源として利用される。電力Ｅ１はプラントで使用する。

（乾燥工程）
また、乾燥部２３において、第２発酵工程から排出された消化残渣Ｓ３を乾燥させ、堆肥Ｓ４を得る。これにより、従来のような蒸留後の廃液処理は不要となり、蒸留残渣Ｓ２や消化残渣Ｓ３の処理も、従来に比べて極めて簡素なシステム構成および工程により行うことができる。

図３は、以上のアルコール生産方法での生ごみ１トンあたりの生成エネルギーと消費エネルギーとのバランス収支を表した図である。エネルギー生成量は、脱水部１３で生成されるアルコールＬ１による２４４，８００ｋｃａｌと、第２発酵部２１で得られるバイオガスＧ１による３２４，５００ｋｃａｌとの合計で、５６９，３００ｋｃａｌである。一方、エネルギー消費量は、生ごみ収集のための収集車の燃料として２５，０００ｋｃａｌと、糖化・第１発酵部１１などのプラント電力として８６，０００ｋｃａｌと、蒸留部１２での消費エネルギーとして１３０，１００ｋｃａｌと、脱水部１３での消費エネルギーとして１２５，３００ｋｃａｌと、乾燥部２３での消費エネルギーとして１７１，９００ｋｃａｌとの合計で、５３８，５００ｋｃａｌとなる。このように、本実施の形態では、エネルギー生成量のほうが消費量よりも大きくなり、外部からのエネルギー投入もなく、廃水処理も不要な自己完結型プロセスを実現することができる。

このように本実施の形態によれば、糖化・第１発酵部１１において固体状態の生ごみＷ１を糖化し、生成された糖化物を用いてアルコール発酵を行うようにしたので、生ごみＷ１を水などで希釈する必要がなくなり、糖化後の固液分離や濃縮も不要とすることができる。よって、極めて簡素なシステム構成および工程により生ごみＷ１を有効利用することができる。

また、固液分離や濃縮を行わなくてすむことにより、糖化物の回収率を高めると共にエネルギーのロスを低減することができる。

特に、糖化とアルコール発酵とを同時に行うようにしたので、生成された糖化物を直ちにアルコールに変換させることができ、雑菌汚染のおそれを極めて小さくすることができる。また、糖化およびアルコール発酵の装置を別々に設けなくてもよいので、プラントコストを低減することができる。更に、６０度に昇温して糖化したのちに３０度に温度を下げてアルコール発酵を行うのに比べて、糖化とアルコール発酵とを同時に行う場合は一貫して３０度程度の低温とすることができ、消費エネルギーも低減することができる。

更に、糖化・第１発酵部１１において生成された醪Ｓ１の一部を次回のアルコール発酵に使用するようにしたので、繰返し回分発酵を可能とすることができる。

［第２の実施の形態］
続いて、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、糖化・第１発酵工程において生成された醪Ｓ１の一部を、糖化・第１発酵工程の最初に戻す、すなわち固体状態の生ごみＷ１に醪Ｓ１の一部および酵素を加えて糖化・第１発酵工程を行うようにしたことを除いては、第１の実施の形態のアルコール生産方法と同様である。なお、アルコール生産システムについては、第１の実施の形態で図１を参照して説明したアルコール生産システムと同一である。

本実施の形態では、糖化・第１発酵工程において生成された醪Ｓ１の一部を、糖化・第１発酵工程の最初に戻すようにしたので、安定した連続発酵を可能とすることができる。

［第３の実施の形態］
図４は、本発明の第３の実施の形態に係るアルコール生産システムの構成を表すものである。このアルコール生産システムは、糖化・第１発酵部１１に酵母供給部１４が接続されていることを除いては、第１の実施の形態のアルコール生産システムと同様の構成を有している。よって、同一の構成要素には同一の符号を付して説明する。

酵母供給部１４は、酵母を培養し、糖化・第１発酵部１１に連続的または間欠的に供給するものである。これにより、このアルコール生産システムでは、安定した連続発酵を可能とすることができるようになっている。

なお、このような酵母供給部１４を設ける場合には、醪Ｓ１の一部を糖化・第１発酵部１１に返送することは必ずしも必要ではないが、返送を行ってもよい。

本実施の形態では、酵母供給部１４において酵母を培養し、糖化・第１発酵部１１に連続的または間欠的に供給するようにしたので、安定した連続発酵を可能とすることができる。

［第４の実施の形態］
図５は、本発明の第４の実施の形態に係るアルコール生産方法を表したものである。このアルコール生産方法は、糖化・第１発酵工程Ｓ１１の前に、生ごみ処理工程Ｓ３１を含むことを除いては、上記第１の実施の形態のアルコール生産方法と同様である。よって、同一の工程についてはその説明を省略する。

（生ごみ処理工程）
まず、生ごみ処理工程Ｓ３１において、生ごみＷ１に１０％以下、好ましくは１％以下の乳酸菌培養液Ｌ０を表面散布などで添加したのち重石をのせるなどして嫌気状態にする。ここでは、図６（Ａ）、（Ｂ）に示した２つの方法が考えられる。図６（Ａ）の方法は、生ごみＷ１に乳酸菌を表面散布し、重石をのせて嫌気状態として何日も、例えば６日間放置しておくものである。一方、図６（Ｂ）に示した方法は、毎日排出される生ごみに対応するもので、翌日の生ごみＷ１２を前日の生ごみＷ１に追加し、同様に乳酸菌培養液を表面散布し、重石をのせる。この操作を毎日、例えば６日間繰り返すものである。なお、後述の実施例からも明らかなように、図６（Ｂ）の方法、すなわち生ごみを毎日、継ぎ足し、その都度表面に乳酸菌を散布する方法がグルコース回収率は優れている。

本実施の形態では、図６（Ａ）や図６（Ｂ）、好ましくは図６（Ｂ）の方法により、生ごみＷ１の一部が乳酸発酵して、ｐＨが低下し、生ごみＷ１の鮮度が保持される。従って、生ごみＷ１の腐敗が防止され、腐敗による糖化物の回収率の低下や、糖分を含む生ごみＷ１中での酢酸等のアルコール発酵を阻害する有機酸の生成が抑制される。このように生ごみＷ１が処理されることにより処理ごみＷ２が得られる。

（糖化・第１発酵工程）
次いで、糖化・第１発酵工程Ｓ１１において、固体状態の処理ごみＷ２を糖化して糖化物、例えばグルコースを生成すると共に、生成された糖化物を用いてアルコール発酵させる。

その際、具体的な糖化条件としては、糖化およびアルコール発酵を同時に行う場合は、処理ごみＷ２と酵素Ｆおよび酵母とを混合したのち、２０度以上、好ましくは４０度以下の温度とする。糖化したのちにアルコール発酵を行う場合は、処理ごみＷ２と酵素Ｆとを混合し、３０度以上、好ましくは５０度以上の温度で糖化したのち、酵母を加えてアルコール発酵を行う。酵素Ｆには、ｐＨ３程度でも働く耐酸性を有する酵素、例えば耐酸性グルコアミラーゼを使用してもよい。あるいは、耐酸性と耐熱性を有するグルコアミラーゼを用いてもよい。また、このような酵素の添加後、セルラーゼ酵素を添加するようにしてもよい。更に、生ごみを加熱処理などの方法で前処理した後、酵素糖化することにより、糖をより効率良く回収することが可能となる。酵素Ｆの量については、湿潤の処理ごみＷ２の１ｋｇに対して５０ｍｇ以上、更には１００ｍｇ以上とすることが好ましい。

アルコール発酵に用いる酵母およびアルコール発酵の方式、発酵条件などについては第１ないし第３の実施の形態と同様である。また、蒸留工程以降については、第１ないし第３の実施の形態と同様である。

このように本実施の形態によれば、生ごみ処理工程Ｓ３１において、生ごみＷ１に１０％以下好ましくは１％以下の乳酸菌培養液Ｌ０を表面散布などで添加したのち嫌気状態で保持するようにしたので、生ごみＷ１の鮮度を保持することができる。従って、生ごみＷ１の腐敗を防止し、腐敗による糖化物の回収率の低下や、糖化物を含む生ごみＷ１中での酢酸等のアルコール発酵を阻害する有機酸の生成を抑制することができ、糖を効率良く生成することが可能となる。このように生成された糖（グルコース）は、アルコールのみならず、有用物質の生産のための原料として、またグルコース電池などの燃料電池の原料としても利用され得る。

以上の説明では、主として、デンプン質の含有量が多く、ホロセルロース系の含有量の少ない生ごみ（事業系生ごみ）について説明したが、ホロセルロース系の含有量の多い家庭系の生ごみや家庭系および事業系生ごみの混合物の場合については、以下の実施の形態が有効である。

［第５の実施の形態］
図７は、本発明の第５の実施の形態に係るアルコール生産方法を表したものである。このアルコール生産方法は、生ごみ処理工程Ｓ３１ののち、糖化・第１発酵工程Ｓ１１の前に、酵素液化工程Ｓ３２を含むことを除いては、上記第４の実施の形態のアルコール生産方法と同様である。よって、同一の工程についてはその説明を省略する。

一般に、家庭系の生ごみでは、多糖類中にホロセルロースが１０％以上含まれている。なお、ここでのホロセルロースの割合は、ホロセルロース／多糖類＝ホロセルロース／（デンプン質＋ホロセルロース）を表すものであり、ホロセルロースには、セルロースおよびヘミセルロースが含まれる。

すなわち、本実施の形態では、生ごみ処理工程Ｓ３１において処理された処理ごみＷ２に対して、酵素液化工程Ｓ３２において液化酵素、例えばターマミルを添加し、液化する。この液化された処理ごみＷ３に対して、糖化・第１発酵工程Ｓ１１において糖化酵素として、グルコアミラーゼまたはセルラーゼ、あるいはグルコアミラーゼおよびセルラーゼを併用して糖化・発酵を行う。

このようにホロセルロースの含有量の多い家庭系生ごみや家庭系および事業系生ごみの混合物に対しては、酵素液化工程Ｓ３２において液化処理を行うことにより、グルコースの回収率が高くなる。特に、グルコアミラーゼおよびセルラーゼを併用して糖化を行うことにより、グルコースの回収率がより高くなる。

更に、本発明の具体的な実施例について説明する。

［実施例１］
上記第４の実施の形態と同様にして生ごみの回分発酵試験を行い、有機酸およびエタノールの濃度を調べた。まず、生ごみＷ１として厨芥や食べ残し等の食品ごみを用い、この生ごみＷ１を、図６（Ｂ）の方法による生ごみ処理工程Ｓ３１において鮮度保持し、処理ごみＷ２とした。この処理ごみＷ２を異物除去したのち１ｋｇ（湿潤重量）を採取し、粗粉砕した。

（前培養液の調製）
前培養液は、５％ＹＰＤ培地（グルコース５ｇ／ｌ、酵母エキス（ＹＥ）１ｇ／ｌ、ポリペプトン１ｇ／ｌ）にスラント（斜面培地；酵母を寒天培地に保存しておく方法）で保存しておいた鹿児島５号を１白金耳植菌したのち、３０度、１６０ｒｐｍで１６時間振とう培養することにより調製した。

（糖化・アルコール同時発酵（ＳＳＦ：Simultaneous Saccharification and Fermentation））
続いて、処理ごみＷ２を１００ｇ採取して、空滅菌した３００ｍｌの三角フラスコに投入し、グルコアミラーゼとしてナガセケムテックス（株）の長瀬酵素剤Ｎ−４０を１３ｍｇ添加し、上述したように調製した前培養液１０ｍｌを三角フラスコに投入した。そののち、この三角フラスコを３０度の恒温水槽に浸漬し、４８時間、糖化・エタノール同時発酵試験を行い、有機酸濃度（乳酸と酢酸との合計濃度）およびアルコール（エタノール）濃度を調べた。初発ｐＨを調べたところｐＨ３．９であった。得られた結果を図８および図９にそれぞれ示す。また、有機酸濃度（乳酸と酢酸とのそれぞれの濃度）の経日変化を図１０に示す。

［比較例１］
グルコアミラーゼを添加しない、すなわち糖化を行わずにアルコール発酵のみを行ったことを除いては、実施例１と同様にして回分発酵試験を行った。得られた結果を図８および図９に合わせて示す。また、有機酸濃度の経日変化を図１１に示す。

［実施例２］
生ごみＷ１を実施例１と同様にして処理した処理ごみＷ２を１００ｇ採取し、空滅菌した３００ｍｌの三角フラスコに投入したのち、グルコアミラーゼとしてナガセケムテックス（株）の長瀬酵素剤Ｎ−４０を１３ｍｇ添加し、６０度の温度下で３時間糖化した。そののち、水冷や放冷などにより３０度まで温度を下げ、実施例１と同様の前培養液１０ｍｌを添加し、３０度の温度下で４８時間アルコール発酵試験（回分発酵）を行った。得られた結果を図８および図９に合わせて示す。また、有機酸濃度の経日変化を図１２に示す。

［比較例２］
糖化ののち酵母を添加せず放置した（アルコール発酵は行わなかった）ことを除いては、実施例２と同様にして回分発酵試験を行った。得られた結果を図８および図９に合わせて示す。また、有機酸濃度の経日変化を図１３に示す。

図８ないし図１３から分かるように、糖化・アルコール同時発酵を行った実施例１、および糖化ののち酵母を加えてアルコール発酵を行った実施例２では、アルコール発酵のみを行った比較例１や、糖化ののち酵母を添加せず放置した比較例２に比べて、生成したエタノール濃度が高かった。すなわち、生ごみＷ１を処理した処理ごみＷ２を糖化し、生成した糖化物を用いてアルコール発酵を行うようにすれば、エタノールの生成量を増やすことができることが分かった。

なお、実施例２および比較例２では、６０度に昇温して糖化を行っているので、３０度で放置しても、あるいは３０度でアルコール発酵を行っても有機酸はほとんど増加していなかった。

［実施例３］
次に、第４の実施の形態での生ごみ処理工程Ｓ３１の方法の違いによる効果を検証した。図６（Ａ）の方法では６日間放置した。一方、図６（Ｂ）の方法では、生ごみの追加、乳酸菌培養液の表面散布、重石をのせる、の操作を６日間繰り返した。６日後に両方の生ごみを粉砕して有機酸を測定した。その結果、図６（Ａ）の方式では、乳酸濃度は２３，０３０ｍｇ／ｌ、酢酸濃度は３，２８０ｍｇ／ｌであり、ともに非常に高くその分グルコース回収率が低下することが分かった。これに対して、図６（Ｂ）の方式の乳酸濃度は１０，４９０ｍｇ／ｌ、酢酸濃度は２，１９０ｍｇ／ｌであった。また、別のサンプルでは、１１，８００ｍｇ／ｌ、２，９５０ｍｇ／ｌであり、図６（Ａ）の方式に比べて低下していた。以上のように、生ごみ処理工程Ｓ３１では、毎日、生ごみを継ぎ足し、その都度その表面に乳酸菌を散布する、図６（Ｂ）の方法が好ましいことが分かった。

［実施例４］
次に、上記第５の実施の形態での酵素液化工程Ｓ３２による液化処理によるグルコース回収率の変化について調べた。家庭系生ごみの多糖類中のホロセルロース含量は約３０％であった。

実施例４として、上記生ごみを粉砕した後、水で１．５倍希釈した。この希釈した生ごみを酵素液化（８０℃、３０分）したのち、酵素糖化（６０℃、２時間）を行った。グルコアミラーゼＮ−４０とセルラーゼ酵素剤ＸＬ５３１を併用することによりグルコース回収率は８３％まで向上した。表１にその結果を示す（試験３）。また、酵素液化の最適温度を検討した結果、８５℃、３０分間の条件で、グルコース回収率は８６％まで向上した（表１、試験４参照）。更に、試験４の条件でグルコアミラーゼＮ−４０およびセルラーゼ酵素剤ＸＬ５３１の添加量の検討を行った。Ｎ−４０の添加量は１／４以下に、ＸＬ５３１は半分に削減することができた。

なお、粉砕後、１．５倍希釈した上記生ごみを酵素糖化試験（使用酵素：長瀬酵素剤、グルコアミラーゼＮ−４０、６０℃、２時間）を行ったが、グルコース回収率は６２％であった。グルコアミラーゼＮ−４０の代わりにセルラーゼ酵素剤ＸＬ５３１を用いたが、それでもグルコース回収率は７１％であった。グルコアミラーゼＮ−４０とセルラーゼ酵素剤ＸＬ５３１を併用するとグルコース回収率は７７％に向上したが、それでもグルコース回収率は低かった（表１の試験１、２参照）。

ちなみに、多糖類中のホロセルロース含量が約３％の生協残飯（事業系生ごみ）について、この生ごみを粉砕後、１．５倍希釈し、比較例４と同じ条件の糖化試験を行った結果では、グルコース回収率は８２〜８６％であった。

以上により、ホロセルロースの含有量の高い家庭系生ごみの場合には、８５℃の温度で酵素液化し、そののち酵素糖化を行うことによりグルコース回収率を向上させることができることが分かった。なお、実施例４においては、酵素の分散性を良くするために、あえて１．５倍希釈を行ったが、希釈しなくても同等の効果を得ることができるものである。

上記の結果を基に、下記のプロセスで発酵試験を行った。
鮮度保持した家庭系生ごみを粉砕→酵素液化→同時糖化・発酵
その結果、生成エタノール濃度は２０．５〜２１ｇ／ｋｇ（生ごみ）であった。生ごみに含まれている糖分から算出したエタノール量に対して約８５％の高い発酵収率を得ることができた。なお、湿潤生ごみ中のグルコース換算したデンプンおよびホロセルロース濃度＝４８ｇ／ｋｇ（生ごみ）であり、理論エタノール生成量＝４８ｇ／ｋｇ×(92/180) =２４．５ｇ／ｋｇとなる。

以上より、家庭系生ごみにおいても、酵素液化（温度８５℃、３０分）した後、セルラーゼおよびグルコアミラーゼを併用して糖化・発酵することにより、高いエタノール収率を達成することができることが分かった。

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態および実施例において説明した各要素の構造および材料、または糖化・発酵の方法および条件などは限定されるものではなく、他の構造および材料としてもよく、または他の方法および条件としてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係るアルコール生産システムの構成を表すブロック図である。 図１に示した第２発酵部の構成を表すブロック図である。 図１に示したアルコール生産システムのエネルギー収支を説明するための図である。 本発明の第３の実施の形態に係るアルコール生産システムの構成を表すブロック図である。 本発明の第４の実施の形態に係るアルコール生産方法の流れを表す図である。 図５に示した生ごみ処理工程を説明するための図である。 本発明の第５の実施の形態に係るアルコール生産方法の流れを表す図である。 実施例１、２および比較例１、２の反応時間に対する有機酸の濃度の関係を表す特性図である。 実施例１、２および比較例１、２の反応時間に対する生成したエタノールの濃度の関係を表す特性図である。 実施例１の有機酸濃度の経日変化を表す特性図である。 比較例１の有機酸濃度の経日変化を表す特性図である。 実施例２の有機酸濃度の経日変化を表す特性図である。 比較例２の有機酸濃度の経日変化を表す特性図である。

符号の説明

１…アルコール生産システム、１０…アルコール生産部、１１…糖化・第１発酵部、１２…蒸留部、１３…脱水部、１４…酵母供給部、２０…残渣処理・利用部、２１…第２発酵部、２１Ａ…メタン発酵槽、２１Ｂ…水槽、２２…コージェネレーション部、２３…乾燥部

Claims (22)

1. 固体状態の生ごみを糖化して糖化物を生成し、生成された糖化物を用いてアルコール発酵させる糖化・第１発酵部を備えた
   ことを特徴とするアルコール生産システム。
2. 前記糖化・第１発酵部は、生ごみの糖化とアルコール発酵とを同時に行う
   ことを特徴とする請求項１記載のアルコール生産システム。
3. 前記糖化・第１発酵部において生成された醪の一部を次回のアルコール発酵に使用する
   ことを特徴とする請求項１または２記載のアルコール生産システム。
4. 前記糖化・第１発酵部において生成された醪の一部を前記糖化・第１発酵部の最初に戻す
   ことを特徴とする請求項１または２記載のアルコール生産システム。
5. 酵母を培養し、前記糖化・第１発酵部に連続的または間欠的に供給する酵母供給部を備えた
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のアルコール生産システム。
6. 前記糖化・第１発酵部により生成された醪を蒸留し、粗アルコールと蒸留残渣とに分離する蒸留部と、
   前記粗アルコールを脱水してアルコールを生成する脱水部と
   を備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のアルコール生産システム。
7. 前記蒸留部から排出された蒸留残渣をメタン発酵させる第２発酵部と、
   前記第２発酵部から排出された消化残渣を乾燥させる乾燥部と
   を備えたことを特徴とする請求項６記載のアルコール生産システム。
8. 前記第２発酵部において生成されたバイオガスを前記蒸留部および前記乾燥部の少なくとも一方のエネルギー源として利用する
   ことを特徴とする請求項７記載のアルコール生産システム。
9. 前記第２発酵部は、空気を導入可能なメタン発酵槽を有し、前記メタン発酵槽中で生成されたバイオガスと空気とを接触させることにより、前記バイオガス中の硫化水素の濃度を低減させる
   ことを特徴とする請求項７または８に記載のアルコール生産システム。
10. 前記第２発酵部は、前記メタン発酵槽の後段に水槽を有し、前記バイオガスと空気との混合ガスを前記メタン発酵槽と前記水槽との間で循環させることにより硫化水素を空気酸化させて硫黄または硫酸イオンとし、前記混合ガス中の硫化水素の濃度をさらに低減させる
    ことを特徴とする請求項９記載のアルコール生産システム。
11. 前記生ごみで、多糖類中のホロセルロースが１０％以上含まれている場合、前記糖化・第１発酵部において糖化する前に、液化酵素により前記生ごみを液化する
    ことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のアルコール生産システム。
12. 前記糖化酵素として、グルコアミラーゼおよびセルラーゼの少なくとも一方を用いる
    ことを特徴とする請求項１１記載のアルコール生産システム。
13. 固体状態の生ごみを糖化して糖化物を生成し、生成された糖化物を用いてアルコール発酵させる糖化・第１発酵工程を含む
    ことを特徴とするアルコール生産方法。
14. 前記糖化・第１発酵工程において、生ごみの糖化とアルコール発酵とを同時に行う
    ことを特徴とする請求項１３記載のアルコール生産方法。
15. 前記糖化・第１発酵工程において生成された醪の一部を次回のアルコール発酵に利用する
    ことを特徴とする請求項１３または１４記載のアルコール生産方法。
16. 前記糖化・第１発酵工程において生成された醪の一部を前記糖化・第１発酵工程の最初に戻す
    ことを特徴とする請求項１３または１４記載のアルコール生産方法。
17. 酵母を培養し、前記糖化・第１発酵工程に連続的または間欠的に供給する
    ことを特徴とする請求項１３ないし１６のいずれか１項に記載のアルコール生産方法。
18. 前記糖化・第１発酵工程により生成された醪を蒸留し、粗アルコールと蒸留残渣とに分離する蒸留工程と、
    前記粗アルコールを脱水してアルコールを生成する脱水工程と
    を含むことを特徴とする請求項１３ないし１７のいずれか１項に記載のアルコール生産方法。
19. 前記蒸留工程から排出された蒸留残渣をメタン発酵させる第２発酵工程と、
    前記第２発酵工程から排出された消化残渣を乾燥させる乾燥工程と
    を含むことを特徴とする請求項１８記載のアルコール生産方法。
20. 前記第２発酵工程において生成されたバイオガスを前記蒸留工程および前記乾燥工程の少なくとも一方のエネルギー源として利用する
    ことを特徴とする請求項１９記載のアルコール生産方法。
21. 前記生ごみで、多糖類中のホロセルロースが１０％以上含まれている場合、前記糖化・第１発酵工程において糖化する前に、液化酵素により前記生ごみを液化する
    ことを特徴とする請求項１３ないし２０のいずれか１項に記載のアルコール生産方法。
22. 前記糖化酵素として、グルコアミラーゼおよびセルラーゼの少なくとも一方を用いる
    ことを特徴とする請求項２１記載のアルコール生産方法。

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