エタノール製造方法及び製造装置
【課題】連続的にエタノール発酵を行う発酵槽内で発生する二酸化炭素の濃度に基づいて簡単にエタノール発酵の良否を判断するエタノール製造方法及び製造装置を提供する。
【解決手段】バイオマス原料から生成された糖液を発酵槽１１に供給し、発酵槽１１内にて連続的にエタノール発酵を行うエタノール製造方法であって、エタノール発酵の際に発生する二酸化炭素の濃度の実測値と糖液の糖濃度の実測値に基づいて理論的に求められる二酸化炭素の濃度の予測値との不一致度合いを求める第１工程と、不一致度合いが予め決められた許容値を超えた場合に、エタノール発酵の状態が不良であると判断する第２工程とを含む。
【解決手段】バイオマス原料から生成された糖液を発酵槽１１に供給し、発酵槽１１内にて連続的にエタノール発酵を行うエタノール製造方法であって、エタノール発酵の際に発生する二酸化炭素の濃度の実測値と糖液の糖濃度の実測値に基づいて理論的に求められる二酸化炭素の濃度の予測値との不一致度合いを求める第１工程と、不一致度合いが予め決められた許容値を超えた場合に、エタノール発酵の状態が不良であると判断する第２工程とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス原料によるエタノールの製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
バッチ処理でエタノール発酵する場合、複数のエタノール発酵タンクにて、タンク毎の冷却水温度を制御し、こまめな温度管理で、飲料アルコールの品質管理をしている。この場合、発酵工程が約２０日程度かかり、１日毎の温度管理を実施し、サンプルを１日かけて培養し酵母数の確認をしても問題はない。
しかし、バイオマスを原料とし、生産性の高い連続発酵を実施する場合には、原料の変化や、酵母流出等による発酵条件の変化が大きいので、発酵条件の迅速な検出と、その検出結果に基づく対応が必要である。
特許文献１では、連続発酵によるエタノールを製造する際、製造プロセスを監視し、成分を安定化させるために発酵槽内で生成されるエタノールの濃度を制御している。具体的には、連続発酵槽からの炭酸ガス発生速度、原料供給速度（希釈率）及び槽内温度を計測することにより、エタノール濃度の増加分を推定する。そして、このエタノール濃度の増加分に基づいて、原料供給速度及び発酵槽温度を操作することによってエタノール濃度を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−１５５２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この技術によれば、例えば、エタノール濃度の増加分がそれまでよりも少なくなれば、エタノール発酵に何らかの異常が発生していると考えられるので、求めたエタノール濃度の増加分からエタノール発酵の良否が判断できる。しかし、エタノール発酵が順調に進んでいるか否かを判断するために連続発酵槽からの炭酸ガス発生速度、原料供給速度（希釈率）及び槽内温度を測定し、あらかじめ決められた演算を実行する必要があり、エタノール発酵の良否判定に到るまでの一連の過程が簡単とはいえなかった。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされるもので、連続的にエタノール発酵を行うための発酵槽内で発生する二酸化炭素の濃度に基づいて簡単に連続エタノール発酵の良否を判断するエタノール製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的に沿う第１の発明に係るエタノール製造方法は、バイオマス原料から生成された糖液を発酵槽に供給し、該発酵槽内にて連続的にエタノール発酵を行うエタノール製造方法であって、
前記エタノール発酵の際に発生する二酸化炭素の濃度の実測値と前記糖液の糖濃度の実測値に基づいて理論的に求められる二酸化炭素の濃度の予測値との不一致度合いを求める第１工程と、
前記不一致度合いが予め決められた許容値を超えた場合に、前記エタノール発酵の状態が不良であると判断する第２工程とを含む。
【０００６】
第１の発明に係るエタノール製造方法において、前記予測値は以下の手順により求めることができる。
１）前記糖液の糖濃度の実測値から、該糖液の糖分が全てエタノールに変換されたと仮定した場合のエタノール濃度を求める。
２）求めた前記エタノール濃度と前記発酵槽における希釈率からエタノール生成量を求める。
３）求めた前記エタノール生成量から、該エタノールと等モルの二酸化炭素が発生すると仮定した場合の二酸化炭素量を求める。
４）求めた前記二酸化炭素量と、前記発酵槽に吹き込む空気量とから前記予測値を求める。
【０００７】
第１の発明に係るエタノール製造方法において、前記第２工程にて前記エタノール発酵の状態が不良であると判断された場合に、前記発酵槽への前記糖液の供給を停止する処理及び前記発酵槽内に吹き込む空気の量を増加する処理を実行することが好ましい。
【０００８】
前記目的に沿う第２の発明に係るエタノール製造装置は、バイオマス原料から生成された糖液が供給され、酵母によるエタノール発酵が連続的に行われる発酵槽と、前記発酵槽内で発生した二酸化炭素の濃度を計測する二酸化炭素濃度計と、前記糖液の濃度を計測する糖濃度計とを備えたエタノール製造装置であって、
前記二酸化炭素濃度計による前記二酸化炭素の濃度の実測値と、前記糖濃度計による前記糖液の糖濃度の実測値に基づいて理論的に求められる二酸化炭素の濃度の予測値との不一致度合いを求め、該不一致度合いが予め決められた許容値を超えた場合に、前記エタノール発酵の状態が不良であると判断する制御手段を備える。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１〜３記載のエタノール製造方法においては、連続的なエタノール発酵により発生する二酸化炭素の濃度の実測値と、糖液の糖濃度の実測値から求めた二酸化炭素の濃度の予測値とを比較することにより、簡単に連続エタノール発酵の状態の良否を判断することが可能である。
【００１０】
特に、請求項３記載のエタノール製造方法においては、エタノール発酵の状態が不良であると判断された場合に、連続エタノール発酵の環境を整えることができる。
【００１１】
請求項４記載のエタノール製造装置においては、二酸化炭素濃度計による実測値と糖濃度計による実測値に基づいて求められる二酸化炭素濃度の予測値とを比較することにより、簡単に連続エタノール発酵の状態の良否を判断することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施の形態に係るエタノール製造装置の説明図である。
【図２】発酵槽内で発生する二酸化炭素の予測値と実測値とを示すグラフである。
【図３】エタノールの連続発酵におけるグルコース濃度及びエタノール濃度を示すグラフである。
【図４】希釈率が０．２０の場合の二酸化炭素濃度の実測データである。
【図５】希釈率が０．３０の場合の二酸化炭素濃度の実測データである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
本発明の一実施の形態に係るエタノール製造装置１０は、生ごみ（バイオマスの一例）を原料としてエタノールを生成するものである。エタノールは、糖化工程、固液分離工程、発酵工程及び蒸留工程を経て製造される。糖化工程は、生ごみ中のでんぷんを糖に変える工程である。固液分離工程は、糖化工程で生成された糖を含む生ごみから、不溶性の固形分（肉、野菜くず等）を取り除き、糖液を得る工程である。発酵工程は、固液分離工程で得られた糖液に酵母を添加し、連続エタノール発酵させる工程である。蒸留工程は、発酵工程で得られた発酵液のエタノール濃度を高める工程である。
【００１４】
エタノール製造装置１０は、図１に示すように、発酵槽１１、二酸化炭素濃度計（ＣＯ２計）１２、及び糖濃度計（例えば、ブリックス計）１３を備えている。
発酵槽１１は、下部より前工程で生成された糖液が供給され、発酵槽１１内に添加された酵母によってエタノールを連続的に発酵させるものである。発酵液は、発酵槽１１上部より流出し、蒸留工程における蒸留装置（不図示）に送られる。発酵槽１１では、培養と槽内反応促進のための攪拌を目的としてエアポンプ１５により空気が吹き込まれる。
【００１５】
二酸化炭素濃度計１２は、発酵槽１１内で発生した二酸化炭素の濃度を計測するものである。発酵槽１１内で発生したガスは、発酵槽１１の天井部から引き出されたテフロン（登録商標）製チューブを介してドレンポット１６に送られ、前処理装置１７を通って、二酸化炭素濃度計１２まで導入される。なお、ドレンポット１６では、ガス中に液体として存在する水が取り除かれる。また、前処理装置１７ではガス中の水蒸気が取り除かれる。二酸化炭素濃度計１２は、エタノール製造装置１０の制御装置（制御手段の一例）２０に接続されている。
【００１６】
糖濃度計１３は、発酵槽１１に流入する糖液の濃度を計測するものである。糖濃度計１３は、制御装置２０に接続されている。
【００１７】
次に、エタノール製造装置１０を用いたエタノールの製造方法について説明する。
発酵槽１１内で発生する二酸化炭素の濃度は二酸化炭素濃度計１２にて計測される。一方、発酵槽１１内で発生する二酸化炭素の濃度の予測値は、制御装置２０によって、糖濃度計１３にて計測された糖液の糖濃度に基づいて理論的に求められる。
【００１８】
制御装置２０では、この二酸化炭素の濃度の実測値と予測値との誤差（不一致度合い）を求め（第１工程）、この誤差が予め決められた許容値以下の場合には、連続エタノール発酵の状態は良好であると判断する。また、この誤差が予め決められた許容値を超える場合には、連続エタノール発酵の状態は不良であると判断する（第２工程）。ここで、誤差は（式１）で求められ、誤差の許容値は、例えば２５％とすることができる。なお、この誤差の許容値は、２６.８％を超えなければよく、例えば２０％としてもよい。
誤差（％） ＝ ｛予測値（％）−実測値（％）｝／予測値（％） （式１）
【００１９】
連続エタノール発酵の状態が不良であると判断した場合には、制御装置２０はエアポンプ１５を制御して発酵槽１１への空気吹込み量を増やす。また、制御装置２０はバルブ２５を操作して糖液の発酵槽１１への供給を停止する（第３工程）。これにより、培養を図り、発酵の環境を整える。
【００２０】
ここで、二酸化炭素の濃度の実測値と予測値が予め決められた誤差内で一致するのであれば、連続エタノール発酵は順調であると判断できる根拠について説明する。
酵母は、糖（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）を消費して好気呼吸及び嫌気呼吸を行う。
好気呼吸は酵母自身が分裂して増殖する際の呼吸であり、次式で示す反応が行われる。
Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋６Ｈ２Ｏ＋６Ｏ２ → ６ＣＯ２＋１２Ｈ２Ｏ （式２）
【００２１】
嫌気呼吸はエタノール発酵の際の呼吸であり、次式で示す反応が行われる。
Ｃ６Ｈ１２Ｏ６ → ２ＣＯ２＋２Ｃ２Ｈ５ＯＨ （式３）
ここで、発酵槽１１での二酸化炭素発生量（Ｃ）は、次式で求められる。
Ｃ ＝ Ａ＋Ｂ−Ｌ （式４）
ここで、Ｃ：発酵槽１１での二酸化炭素発生量、Ａ：嫌気呼吸（エタノール発酵）による二酸化炭素発生量、Ｂ：好気呼吸による二酸化炭素発生量、Ｌ：液中に溶け込む二酸化炭素量である。
【００２２】
エタノール発酵収率が高い（例えば９０〜９５％）場合には、嫌気呼吸（エタノール発酵）による二酸化炭素発生量（Ａ）に比べて、好気呼吸による二酸化炭素発生量（Ｂ）、及び液中に溶け込む二酸化炭素量（Ｌ）は、無視できる程度に小さい。従って、次式が成り立つ。
Ｃ ≒ Ａ （式５）
即ち、エタノール発酵収率が高い場合には、発生する二酸化炭素はほとんど嫌気呼吸（エタノール発酵反応）によるものといえる。従って、エタノール発酵収率が高い場合に（式５）に基づいて発酵槽１１内で発生する二酸化炭素の濃度を予測することができる。
そこで、二酸化炭素濃度の予測値と実測値とを比較して、許容誤差内で一致するのであれば、連続エタノール発酵の状態は順調であると判断できる。反対に、許容誤差内で一致しないのであれば、連続エタノール発酵の状態は不良であると判断できる。
【００２３】
続いて、その検証実験について説明する。
この実験は、エタノール発酵収率を９５％程度に維持した状態で、エアポンプ１５による空気吹込み量を変更し、二酸化炭素濃度の予測値と実測値を比較したものである。実験条件は以下の通りである。
＜実験条件＞
１．発酵温度 ：３０（℃）
２．発酵槽容積 ：９３０（Ｌ）
３．菌種 ：サッカロミセス・セレビシエ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ．Ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）
４．希釈率 ：０．２０（１／ｈ）
【００２４】
空気吹込み量（Ｖ）が０．０５ｖｖｍのとき、二酸化炭素濃度計１２による二酸化炭素濃度の実測値は、４９％であった。一方、糖濃度計１３による糖液の糖濃度は７９．０２（ｇ／Ｌ）であった。
この糖液の糖濃度から、二酸化炭素濃度の予測値を求めると以下の通りとなる。
【００２５】
まず、エタノール濃度は、糖濃度の実測値から、糖液の糖分が全てエタノールに変換されたと仮定して次式のように求められる。
エタノール濃度（ｇ／Ｌ）
＝糖液の糖濃度（ｇ／Ｌ）×０．５１１４
＝７９．０２×０．５１１４
＝４０．４１ （式６）
【００２６】
次に、発酵速度は、次式のように求められる。
発酵速度（ｇ／Ｌ／ｈ）
＝エタノール濃度（ｇ／Ｌ）×希釈率（１／ｈ）
＝４０．４１×０．２
＝８．０８２ （式７）
【００２７】
次に、エタノール生成量は、次式のように求められる。
エタノール生成量（ｇ／ｍｉｎ）
＝発酵速度（ｇ／Ｌ／ｈ）×発酵槽容積（Ｌ）／６０（ｍｉｎ）
＝８．０８２×９３０（Ｌ）／６０（ｍｉｎ）
＝１２５．３ （式８）
【００２８】
次に、発生する二酸化炭素量は、１）エタノールと等モルの二酸化炭素が発生すること、２）二酸化炭素の分子量が４６であることを考慮し、次式のように求められる。
二酸化炭素量（Ｌ／ｍｉｎ）
＝エタノール生成量（ｇ／ｍｉｎ）／４６×２２．４（Ｌ／ｍｏｌ）
＝（１２５．３／４６）×２２．４
＝６１ （式９）
【００２９】
次に、エアポンプ１５による空気吹込み量は、次式のように求められる。
エアポンプ１５による空気吹込み量（Ｌ／ｍｉｎ）
＝空気吹込み量（ｖｖｍ）×発酵槽容積（Ｌ）
＝０．０５×９３０（Ｌ）
＝４６．５ （式１０）
【００３０】
従って、二酸化炭素濃度の予測値は、次式のように求められる。
二酸化炭素濃度の予測値（％）
＝二酸化炭素量（Ｌ／ｍｉｎ）
／｛エアポンプによる空気吹込み量（Ｌ／ｍｉｎ）
＋二酸化炭素量（Ｌ／ｍｉｎ）｝×１００
＝６１／（４６．５＋６１）×１００
＝５６．７ （式１１）
【００３１】
その後、空気吹込み量（Ｖ）を０．０２５（ｖｖｍ）、０．０１（ｖｖｍ）、０．０７５（ｖｖｍ）、０．１（ｖｖｍ）と変更し、それぞれについて同様に実測値と予測値を求めたところ、図２に示す通りとなった。なお、図２の横軸は予測値、縦軸は実測値を示している。図２から分かるように、予測値が実測値よりも大きい傾向がある。これは糖濃度の実測値から糖液の糖分が全てエタノールに変換されたと仮定していることに起因する。即ち、糖分の中にはエタノール発酵されにくい成分を含有しており、この成分の影響で予測値の方が大きくなっている。しかしながら、傾向としてはよく一致している。
そして、各点について（式１）で示される誤差（％）を求めたところ、最大で２６．８％となった。
【００３２】
以上の実験結果から、二酸化炭素濃度の実測値と予測値とを比較し、この実測値と予測値が予め決められた誤差内で一致するのであれば、連続エタノール発酵の状態は良好（順調）と判断でき、反対に一致しないのであれば、連続エタノール発酵の状態は不良と判断できるとの結論を得た。
なお、更に実験を行ったところ、発酵温度は少なくとも２５℃〜３５℃の範囲では前述の結論に変わりは無いことが確認できた。
【実施例】
【００３３】
次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。
まず、原料となる生ごみから、糖化工程、及び固液分離工程を経て生成された糖液を発酵槽１１内に供給し、連続エタノール発酵させた。発酵条件は以下の通りである。
＜発酵条件＞
１．発酵温度 ：３０（℃）
２．発酵槽容積 ：９３０（Ｌ）
３．菌種 ：サッカロミセス・セレビシエ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ．Ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）
【００３４】
その結果、図３に示すようになった。なお、図３の横軸は反応時間（経過時間）を示し、縦軸はグルコース濃度及びエタノール濃度を示している。
図３中、期間Ａにおいては、希釈率（Ｄ）は０．２０（１／ｈ）である。この期間Ａにおける二酸化炭素濃度の予測値は５２％前後で推移した。この予測値と図４に示す実測データとを比較すると、誤差２５％以下でよく一致していた。実際、図３から明らかなように、この期間Ａにおいては生成されるエタノール濃度は高く、連続エタノール発酵の状態は良好であった。
【００３５】
一方、期間Ｂにおいては、希釈率（Ｄ）を変更して０．３０（１／ｈ）とした。この期間Ｂにおける二酸化炭素濃度の予測値は５５％前後で推移した。実測値は図５に示すように反応時間９８時間以降低下した。この予測値と図５に示す実測データとを比較すると、反応時間１０８時間の時点では誤差は２５％以上であり、連続エタノール発酵の状態が不良であると判断した。実際、図３から明らかなように、この期間Ｂにおいては実際に、エタノール濃度が低下していた。即ち、連続エタノール発酵の状態が不良であった。
そこで、空気吹込み量を増やし、糖液の供給を停止した。これにより、培養を図ったところ、その後のエタノール発酵の状態は回復に向かった。
【００３６】
なお、本発明は、前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能である。例えば、前述のそれぞれ実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明を構成する場合も本発明の技術的範囲に含まれる。
なお、本実施の形態では、原料は生ごみであったが、これに限らず、任意のバイオマス原料であれば良い。また、不一致度合いとして誤差を使用していたが、これに限らない。例えば、不一致度合いを二酸化炭素濃度の実測値と予測値との差としても良い。更には、不一致度合いを二酸化炭素濃度の実測値と予測値との差に基づき演算された値としても良い。
【符号の説明】
【００３７】
１０：エタノール製造装置、１１：発酵槽、１２：二酸化炭素濃度計、１３：糖濃度計、１５：エアポンプ、１６：ドレンポット、１７：前処理装置、２０：制御装置、２５：バルブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス原料によるエタノールの製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
バッチ処理でエタノール発酵する場合、複数のエタノール発酵タンクにて、タンク毎の冷却水温度を制御し、こまめな温度管理で、飲料アルコールの品質管理をしている。この場合、発酵工程が約２０日程度かかり、１日毎の温度管理を実施し、サンプルを１日かけて培養し酵母数の確認をしても問題はない。
しかし、バイオマスを原料とし、生産性の高い連続発酵を実施する場合には、原料の変化や、酵母流出等による発酵条件の変化が大きいので、発酵条件の迅速な検出と、その検出結果に基づく対応が必要である。
特許文献１では、連続発酵によるエタノールを製造する際、製造プロセスを監視し、成分を安定化させるために発酵槽内で生成されるエタノールの濃度を制御している。具体的には、連続発酵槽からの炭酸ガス発生速度、原料供給速度（希釈率）及び槽内温度を計測することにより、エタノール濃度の増加分を推定する。そして、このエタノール濃度の増加分に基づいて、原料供給速度及び発酵槽温度を操作することによってエタノール濃度を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−１５５２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この技術によれば、例えば、エタノール濃度の増加分がそれまでよりも少なくなれば、エタノール発酵に何らかの異常が発生していると考えられるので、求めたエタノール濃度の増加分からエタノール発酵の良否が判断できる。しかし、エタノール発酵が順調に進んでいるか否かを判断するために連続発酵槽からの炭酸ガス発生速度、原料供給速度（希釈率）及び槽内温度を測定し、あらかじめ決められた演算を実行する必要があり、エタノール発酵の良否判定に到るまでの一連の過程が簡単とはいえなかった。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされるもので、連続的にエタノール発酵を行うための発酵槽内で発生する二酸化炭素の濃度に基づいて簡単に連続エタノール発酵の良否を判断するエタノール製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的に沿う第１の発明に係るエタノール製造方法は、バイオマス原料から生成された糖液を発酵槽に供給し、該発酵槽内にて連続的にエタノール発酵を行うエタノール製造方法であって、
前記エタノール発酵の際に発生する二酸化炭素の濃度の実測値と前記糖液の糖濃度の実測値に基づいて理論的に求められる二酸化炭素の濃度の予測値との不一致度合いを求める第１工程と、
前記不一致度合いが予め決められた許容値を超えた場合に、前記エタノール発酵の状態が不良であると判断する第２工程とを含む。
【０００６】
第１の発明に係るエタノール製造方法において、前記予測値は以下の手順により求めることができる。
１）前記糖液の糖濃度の実測値から、該糖液の糖分が全てエタノールに変換されたと仮定した場合のエタノール濃度を求める。
２）求めた前記エタノール濃度と前記発酵槽における希釈率からエタノール生成量を求める。
３）求めた前記エタノール生成量から、該エタノールと等モルの二酸化炭素が発生すると仮定した場合の二酸化炭素量を求める。
４）求めた前記二酸化炭素量と、前記発酵槽に吹き込む空気量とから前記予測値を求める。
【０００７】
第１の発明に係るエタノール製造方法において、前記第２工程にて前記エタノール発酵の状態が不良であると判断された場合に、前記発酵槽への前記糖液の供給を停止する処理及び前記発酵槽内に吹き込む空気の量を増加する処理を実行することが好ましい。
【０００８】
前記目的に沿う第２の発明に係るエタノール製造装置は、バイオマス原料から生成された糖液が供給され、酵母によるエタノール発酵が連続的に行われる発酵槽と、前記発酵槽内で発生した二酸化炭素の濃度を計測する二酸化炭素濃度計と、前記糖液の濃度を計測する糖濃度計とを備えたエタノール製造装置であって、
前記二酸化炭素濃度計による前記二酸化炭素の濃度の実測値と、前記糖濃度計による前記糖液の糖濃度の実測値に基づいて理論的に求められる二酸化炭素の濃度の予測値との不一致度合いを求め、該不一致度合いが予め決められた許容値を超えた場合に、前記エタノール発酵の状態が不良であると判断する制御手段を備える。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１〜３記載のエタノール製造方法においては、連続的なエタノール発酵により発生する二酸化炭素の濃度の実測値と、糖液の糖濃度の実測値から求めた二酸化炭素の濃度の予測値とを比較することにより、簡単に連続エタノール発酵の状態の良否を判断することが可能である。
【００１０】
特に、請求項３記載のエタノール製造方法においては、エタノール発酵の状態が不良であると判断された場合に、連続エタノール発酵の環境を整えることができる。
【００１１】
請求項４記載のエタノール製造装置においては、二酸化炭素濃度計による実測値と糖濃度計による実測値に基づいて求められる二酸化炭素濃度の予測値とを比較することにより、簡単に連続エタノール発酵の状態の良否を判断することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施の形態に係るエタノール製造装置の説明図である。
【図２】発酵槽内で発生する二酸化炭素の予測値と実測値とを示すグラフである。
【図３】エタノールの連続発酵におけるグルコース濃度及びエタノール濃度を示すグラフである。
【図４】希釈率が０．２０の場合の二酸化炭素濃度の実測データである。
【図５】希釈率が０．３０の場合の二酸化炭素濃度の実測データである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
本発明の一実施の形態に係るエタノール製造装置１０は、生ごみ（バイオマスの一例）を原料としてエタノールを生成するものである。エタノールは、糖化工程、固液分離工程、発酵工程及び蒸留工程を経て製造される。糖化工程は、生ごみ中のでんぷんを糖に変える工程である。固液分離工程は、糖化工程で生成された糖を含む生ごみから、不溶性の固形分（肉、野菜くず等）を取り除き、糖液を得る工程である。発酵工程は、固液分離工程で得られた糖液に酵母を添加し、連続エタノール発酵させる工程である。蒸留工程は、発酵工程で得られた発酵液のエタノール濃度を高める工程である。
【００１４】
エタノール製造装置１０は、図１に示すように、発酵槽１１、二酸化炭素濃度計（ＣＯ２計）１２、及び糖濃度計（例えば、ブリックス計）１３を備えている。
発酵槽１１は、下部より前工程で生成された糖液が供給され、発酵槽１１内に添加された酵母によってエタノールを連続的に発酵させるものである。発酵液は、発酵槽１１上部より流出し、蒸留工程における蒸留装置（不図示）に送られる。発酵槽１１では、培養と槽内反応促進のための攪拌を目的としてエアポンプ１５により空気が吹き込まれる。
【００１５】
二酸化炭素濃度計１２は、発酵槽１１内で発生した二酸化炭素の濃度を計測するものである。発酵槽１１内で発生したガスは、発酵槽１１の天井部から引き出されたテフロン（登録商標）製チューブを介してドレンポット１６に送られ、前処理装置１７を通って、二酸化炭素濃度計１２まで導入される。なお、ドレンポット１６では、ガス中に液体として存在する水が取り除かれる。また、前処理装置１７ではガス中の水蒸気が取り除かれる。二酸化炭素濃度計１２は、エタノール製造装置１０の制御装置（制御手段の一例）２０に接続されている。
【００１６】
糖濃度計１３は、発酵槽１１に流入する糖液の濃度を計測するものである。糖濃度計１３は、制御装置２０に接続されている。
【００１７】
次に、エタノール製造装置１０を用いたエタノールの製造方法について説明する。
発酵槽１１内で発生する二酸化炭素の濃度は二酸化炭素濃度計１２にて計測される。一方、発酵槽１１内で発生する二酸化炭素の濃度の予測値は、制御装置２０によって、糖濃度計１３にて計測された糖液の糖濃度に基づいて理論的に求められる。
【００１８】
制御装置２０では、この二酸化炭素の濃度の実測値と予測値との誤差（不一致度合い）を求め（第１工程）、この誤差が予め決められた許容値以下の場合には、連続エタノール発酵の状態は良好であると判断する。また、この誤差が予め決められた許容値を超える場合には、連続エタノール発酵の状態は不良であると判断する（第２工程）。ここで、誤差は（式１）で求められ、誤差の許容値は、例えば２５％とすることができる。なお、この誤差の許容値は、２６.８％を超えなければよく、例えば２０％としてもよい。
誤差（％） ＝ ｛予測値（％）−実測値（％）｝／予測値（％） （式１）
【００１９】
連続エタノール発酵の状態が不良であると判断した場合には、制御装置２０はエアポンプ１５を制御して発酵槽１１への空気吹込み量を増やす。また、制御装置２０はバルブ２５を操作して糖液の発酵槽１１への供給を停止する（第３工程）。これにより、培養を図り、発酵の環境を整える。
【００２０】
ここで、二酸化炭素の濃度の実測値と予測値が予め決められた誤差内で一致するのであれば、連続エタノール発酵は順調であると判断できる根拠について説明する。
酵母は、糖（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）を消費して好気呼吸及び嫌気呼吸を行う。
好気呼吸は酵母自身が分裂して増殖する際の呼吸であり、次式で示す反応が行われる。
Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋６Ｈ２Ｏ＋６Ｏ２ → ６ＣＯ２＋１２Ｈ２Ｏ （式２）
【００２１】
嫌気呼吸はエタノール発酵の際の呼吸であり、次式で示す反応が行われる。
Ｃ６Ｈ１２Ｏ６ → ２ＣＯ２＋２Ｃ２Ｈ５ＯＨ （式３）
ここで、発酵槽１１での二酸化炭素発生量（Ｃ）は、次式で求められる。
Ｃ ＝ Ａ＋Ｂ−Ｌ （式４）
ここで、Ｃ：発酵槽１１での二酸化炭素発生量、Ａ：嫌気呼吸（エタノール発酵）による二酸化炭素発生量、Ｂ：好気呼吸による二酸化炭素発生量、Ｌ：液中に溶け込む二酸化炭素量である。
【００２２】
エタノール発酵収率が高い（例えば９０〜９５％）場合には、嫌気呼吸（エタノール発酵）による二酸化炭素発生量（Ａ）に比べて、好気呼吸による二酸化炭素発生量（Ｂ）、及び液中に溶け込む二酸化炭素量（Ｌ）は、無視できる程度に小さい。従って、次式が成り立つ。
Ｃ ≒ Ａ （式５）
即ち、エタノール発酵収率が高い場合には、発生する二酸化炭素はほとんど嫌気呼吸（エタノール発酵反応）によるものといえる。従って、エタノール発酵収率が高い場合に（式５）に基づいて発酵槽１１内で発生する二酸化炭素の濃度を予測することができる。
そこで、二酸化炭素濃度の予測値と実測値とを比較して、許容誤差内で一致するのであれば、連続エタノール発酵の状態は順調であると判断できる。反対に、許容誤差内で一致しないのであれば、連続エタノール発酵の状態は不良であると判断できる。
【００２３】
続いて、その検証実験について説明する。
この実験は、エタノール発酵収率を９５％程度に維持した状態で、エアポンプ１５による空気吹込み量を変更し、二酸化炭素濃度の予測値と実測値を比較したものである。実験条件は以下の通りである。
＜実験条件＞
１．発酵温度 ：３０（℃）
２．発酵槽容積 ：９３０（Ｌ）
３．菌種 ：サッカロミセス・セレビシエ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ．Ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）
４．希釈率 ：０．２０（１／ｈ）
【００２４】
空気吹込み量（Ｖ）が０．０５ｖｖｍのとき、二酸化炭素濃度計１２による二酸化炭素濃度の実測値は、４９％であった。一方、糖濃度計１３による糖液の糖濃度は７９．０２（ｇ／Ｌ）であった。
この糖液の糖濃度から、二酸化炭素濃度の予測値を求めると以下の通りとなる。
【００２５】
まず、エタノール濃度は、糖濃度の実測値から、糖液の糖分が全てエタノールに変換されたと仮定して次式のように求められる。
エタノール濃度（ｇ／Ｌ）
＝糖液の糖濃度（ｇ／Ｌ）×０．５１１４
＝７９．０２×０．５１１４
＝４０．４１ （式６）
【００２６】
次に、発酵速度は、次式のように求められる。
発酵速度（ｇ／Ｌ／ｈ）
＝エタノール濃度（ｇ／Ｌ）×希釈率（１／ｈ）
＝４０．４１×０．２
＝８．０８２ （式７）
【００２７】
次に、エタノール生成量は、次式のように求められる。
エタノール生成量（ｇ／ｍｉｎ）
＝発酵速度（ｇ／Ｌ／ｈ）×発酵槽容積（Ｌ）／６０（ｍｉｎ）
＝８．０８２×９３０（Ｌ）／６０（ｍｉｎ）
＝１２５．３ （式８）
【００２８】
次に、発生する二酸化炭素量は、１）エタノールと等モルの二酸化炭素が発生すること、２）二酸化炭素の分子量が４６であることを考慮し、次式のように求められる。
二酸化炭素量（Ｌ／ｍｉｎ）
＝エタノール生成量（ｇ／ｍｉｎ）／４６×２２．４（Ｌ／ｍｏｌ）
＝（１２５．３／４６）×２２．４
＝６１ （式９）
【００２９】
次に、エアポンプ１５による空気吹込み量は、次式のように求められる。
エアポンプ１５による空気吹込み量（Ｌ／ｍｉｎ）
＝空気吹込み量（ｖｖｍ）×発酵槽容積（Ｌ）
＝０．０５×９３０（Ｌ）
＝４６．５ （式１０）
【００３０】
従って、二酸化炭素濃度の予測値は、次式のように求められる。
二酸化炭素濃度の予測値（％）
＝二酸化炭素量（Ｌ／ｍｉｎ）
／｛エアポンプによる空気吹込み量（Ｌ／ｍｉｎ）
＋二酸化炭素量（Ｌ／ｍｉｎ）｝×１００
＝６１／（４６．５＋６１）×１００
＝５６．７ （式１１）
【００３１】
その後、空気吹込み量（Ｖ）を０．０２５（ｖｖｍ）、０．０１（ｖｖｍ）、０．０７５（ｖｖｍ）、０．１（ｖｖｍ）と変更し、それぞれについて同様に実測値と予測値を求めたところ、図２に示す通りとなった。なお、図２の横軸は予測値、縦軸は実測値を示している。図２から分かるように、予測値が実測値よりも大きい傾向がある。これは糖濃度の実測値から糖液の糖分が全てエタノールに変換されたと仮定していることに起因する。即ち、糖分の中にはエタノール発酵されにくい成分を含有しており、この成分の影響で予測値の方が大きくなっている。しかしながら、傾向としてはよく一致している。
そして、各点について（式１）で示される誤差（％）を求めたところ、最大で２６．８％となった。
【００３２】
以上の実験結果から、二酸化炭素濃度の実測値と予測値とを比較し、この実測値と予測値が予め決められた誤差内で一致するのであれば、連続エタノール発酵の状態は良好（順調）と判断でき、反対に一致しないのであれば、連続エタノール発酵の状態は不良と判断できるとの結論を得た。
なお、更に実験を行ったところ、発酵温度は少なくとも２５℃〜３５℃の範囲では前述の結論に変わりは無いことが確認できた。
【実施例】
【００３３】
次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。
まず、原料となる生ごみから、糖化工程、及び固液分離工程を経て生成された糖液を発酵槽１１内に供給し、連続エタノール発酵させた。発酵条件は以下の通りである。
＜発酵条件＞
１．発酵温度 ：３０（℃）
２．発酵槽容積 ：９３０（Ｌ）
３．菌種 ：サッカロミセス・セレビシエ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ．Ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）
【００３４】
その結果、図３に示すようになった。なお、図３の横軸は反応時間（経過時間）を示し、縦軸はグルコース濃度及びエタノール濃度を示している。
図３中、期間Ａにおいては、希釈率（Ｄ）は０．２０（１／ｈ）である。この期間Ａにおける二酸化炭素濃度の予測値は５２％前後で推移した。この予測値と図４に示す実測データとを比較すると、誤差２５％以下でよく一致していた。実際、図３から明らかなように、この期間Ａにおいては生成されるエタノール濃度は高く、連続エタノール発酵の状態は良好であった。
【００３５】
一方、期間Ｂにおいては、希釈率（Ｄ）を変更して０．３０（１／ｈ）とした。この期間Ｂにおける二酸化炭素濃度の予測値は５５％前後で推移した。実測値は図５に示すように反応時間９８時間以降低下した。この予測値と図５に示す実測データとを比較すると、反応時間１０８時間の時点では誤差は２５％以上であり、連続エタノール発酵の状態が不良であると判断した。実際、図３から明らかなように、この期間Ｂにおいては実際に、エタノール濃度が低下していた。即ち、連続エタノール発酵の状態が不良であった。
そこで、空気吹込み量を増やし、糖液の供給を停止した。これにより、培養を図ったところ、その後のエタノール発酵の状態は回復に向かった。
【００３６】
なお、本発明は、前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能である。例えば、前述のそれぞれ実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明を構成する場合も本発明の技術的範囲に含まれる。
なお、本実施の形態では、原料は生ごみであったが、これに限らず、任意のバイオマス原料であれば良い。また、不一致度合いとして誤差を使用していたが、これに限らない。例えば、不一致度合いを二酸化炭素濃度の実測値と予測値との差としても良い。更には、不一致度合いを二酸化炭素濃度の実測値と予測値との差に基づき演算された値としても良い。
【符号の説明】
【００３７】
１０：エタノール製造装置、１１：発酵槽、１２：二酸化炭素濃度計、１３：糖濃度計、１５：エアポンプ、１６：ドレンポット、１７：前処理装置、２０：制御装置、２５：バルブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマス原料から生成された糖液を発酵槽に供給し、該発酵槽内にて連続的にエタノール発酵を行うエタノール製造方法であって、
前記エタノール発酵の際に発生する二酸化炭素の濃度の実測値と前記糖液の糖濃度の実測値に基づいて理論的に求められる二酸化炭素の濃度の予測値との不一致度合いを求める第１工程と、
前記不一致度合いが予め決められた許容値を超えた場合に、前記エタノール発酵の状態が不良であると判断する第２工程とを含むことを特徴とするエタノール製造方法。
【請求項２】
請求項１記載のエタノール製造方法において、前記予測値は以下の手順により求められることを特徴とするエタノール製造方法。
１）前記糖液の糖濃度の実測値から、該糖液の糖分が全てエタノールに変換されたと仮定した場合のエタノール濃度を求める。
２）求めた前記エタノール濃度と前記発酵槽における希釈率からエタノール生成量を求める。
３）求めた前記エタノール生成量から、該エタノールと等モルの二酸化炭素が発生すると仮定した場合の二酸化炭素量を求める。
４）求めた前記二酸化炭素量と、前記発酵槽に吹き込む空気量とから前記予測値を求める。
【請求項３】
請求項１又は２記載のエタノール製造方法において、前記第２工程にて前記エタノール発酵の状態が不良であると判断された場合に、前記発酵槽への前記糖液の供給を停止する処理及び前記発酵槽内に吹き込む空気の量を増加する処理を実行することを特徴とするエタノール製造方法。
【請求項４】
バイオマス原料から生成された糖液が供給され、酵母によるエタノール発酵が連続的に行われる発酵槽と、前記発酵槽内で発生した二酸化炭素の濃度を計測する二酸化炭素濃度計と、前記糖液の濃度を計測する糖濃度計とを備えたエタノール製造装置であって、
前記二酸化炭素濃度計による前記二酸化炭素の濃度の実測値と、前記糖濃度計による前記糖液の糖濃度の実測値に基づいて理論的に求められる二酸化炭素の濃度の予測値との不一致度合いを求め、該不一致度合いが予め決められた許容値を超えた場合に、前記エタノール発酵の状態が不良であると判断する制御手段を備えることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１】
バイオマス原料から生成された糖液を発酵槽に供給し、該発酵槽内にて連続的にエタノール発酵を行うエタノール製造方法であって、
前記エタノール発酵の際に発生する二酸化炭素の濃度の実測値と前記糖液の糖濃度の実測値に基づいて理論的に求められる二酸化炭素の濃度の予測値との不一致度合いを求める第１工程と、
前記不一致度合いが予め決められた許容値を超えた場合に、前記エタノール発酵の状態が不良であると判断する第２工程とを含むことを特徴とするエタノール製造方法。
【請求項２】
請求項１記載のエタノール製造方法において、前記予測値は以下の手順により求められることを特徴とするエタノール製造方法。
１）前記糖液の糖濃度の実測値から、該糖液の糖分が全てエタノールに変換されたと仮定した場合のエタノール濃度を求める。
２）求めた前記エタノール濃度と前記発酵槽における希釈率からエタノール生成量を求める。
３）求めた前記エタノール生成量から、該エタノールと等モルの二酸化炭素が発生すると仮定した場合の二酸化炭素量を求める。
４）求めた前記二酸化炭素量と、前記発酵槽に吹き込む空気量とから前記予測値を求める。
【請求項３】
請求項１又は２記載のエタノール製造方法において、前記第２工程にて前記エタノール発酵の状態が不良であると判断された場合に、前記発酵槽への前記糖液の供給を停止する処理及び前記発酵槽内に吹き込む空気の量を増加する処理を実行することを特徴とするエタノール製造方法。
【請求項４】
バイオマス原料から生成された糖液が供給され、酵母によるエタノール発酵が連続的に行われる発酵槽と、前記発酵槽内で発生した二酸化炭素の濃度を計測する二酸化炭素濃度計と、前記糖液の濃度を計測する糖濃度計とを備えたエタノール製造装置であって、
前記二酸化炭素濃度計による前記二酸化炭素の濃度の実測値と、前記糖濃度計による前記糖液の糖濃度の実測値に基づいて理論的に求められる二酸化炭素の濃度の予測値との不一致度合いを求め、該不一致度合いが予め決められた許容値を超えた場合に、前記エタノール発酵の状態が不良であると判断する制御手段を備えることを特徴とするエタノール製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１８２７０１（Ｐ２０１１−１８２７０１Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５０７６４（Ｐ２０１０−５０７６４）
【出願日】平成２２年３月８日（２０１０．３．８）
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月８日（２０１０．３．８）
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【Ｆターム（参考）】
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