バイオマスからの燃料アルコール製造方法及びその製造装置
【課題】バイオマスを原料として用い、アルコール燃料を製造するに際し、従来の固体発酵の欠点を克服し、迅速に、かつ高い収率でアルコールを生成させ、アルコール燃料とともに動物飼料として有用な残渣を回収する方法を提供する。
【解決手段】バイオマス原料の粉砕物又は摩砕物を、温度６０〜１８０℃、圧力０．０６〜０．２ＭＰａの条件下で蒸煮して、水分６０〜８５％ｗ．ｂ．に調整したのち、２５〜３０℃まで急冷し、次いでクモノスカビ又は麹菌及び酵母又はザイモナス（Ｚｙｍｏｎａｓ）菌を加えて、１０〜３３℃で固体発酵させ、生成したアルコールを分離回収することにより燃料アルコールを製造する。
【解決手段】バイオマス原料の粉砕物又は摩砕物を、温度６０〜１８０℃、圧力０．０６〜０．２ＭＰａの条件下で蒸煮して、水分６０〜８５％ｗ．ｂ．に調整したのち、２５〜３０℃まで急冷し、次いでクモノスカビ又は麹菌及び酵母又はザイモナス（Ｚｙｍｏｎａｓ）菌を加えて、１０〜３３℃で固体発酵させ、生成したアルコールを分離回収することにより燃料アルコールを製造する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマスを原料として用い、水分を加えない固体状でアルコール発酵を行わせることにより、効率よく燃料用アルコールを製造する方法及びそれに用いる製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
バイオマス原料からアルコール発酵により燃料アルコールを製造する方法は公知であり、例えばセルロース系バイオマスを含む培地にクロストリジウム・サーモセラムＩ−１−Ｂ（微工研菌寄第９５１０号）を培養して生成したエタノールを回収する方法（特許文献１参照）、バイオマスと少なくとも１種の基質変換酵素を接触させて中間体を生成させ、この中間体に少なくとも１種の中間体変換酵素を接触させて、実質的にすべての中間体をアルコールに変換させる方法（特許文献２参照）、粉砕した生ごみのデンプン濃度を調整し、糖化酵素を加え、得られた糖化処理水にあらかじめ培養したザイモナス・モビリス（Ｚｙｍｏｎａｓ ｍｏｂｉｌｉｓ）菌を接種してアルコール発酵させて、もろみを蒸留してエタノールを回収する方法（特許文献３参照）などがこれまでに提案されている。
【０００３】
これらのアルコール製造方法におけるバイオマスのアルコール発酵工程では、通常バイオマスの固形分を全糖分１５％前後に調整したのち、これを８０〜９０℃で蒸煮し、５８℃まで冷却し、α‐アミラーゼとグルコアミラーゼを加えて糖化後、３４℃に冷却し、酵母を加えてアルコールに発酵させる液状アルコール発酵が行われている。
そして、この場合の発酵方式としては、回分方式、追添方式、半連続方式、酵母固定化連続方式、フラッシュ連続方式などが知られている。
【０００４】
しかしながら、液状アルコール発酵においては、発酵に要する時間が、回分方式で７５〜８０時間、半連続方式で１３〜２０時間、酵母固定化連続方式で３〜８時間と比較的長いにもかかわらず、原料に対するアルコール生産量は、せいぜい１ｋｇ当り０．３５リットルと少ない。
【０００５】
また、これらの液状アルコール発酵法は、アルコールの生産速度に重点を置くあまり、投入エネルギーの低減を考慮しないため、バイオマス原料を水と混合した後の熱処理や生成液からのアルコールの蒸留の加熱エネルギーや残渣から動物飼料を回収する場合の乾燥エネルギーの消費量が大きくなるという欠点がある。また、原料に対して１０〜２０倍の容積の発酵槽を必要とするという欠点もある。
【０００６】
これに対し、固体発酵においては、発酵槽の容積が原料に対し１．５倍程度で十分であるという利点はあるが、固体内に存在する空気中の酸素がアルコール発酵に必要な嫌気性条件を確保するために長時間を要する上に、デンプンの糖化と酵母によるアルコール発酵で原料を大量処理する場合、迅速に嫌気状態にもたらすのが困難であるという欠点がある。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−５４６９４号公報（特許請求の範囲その他）
【特許文献２】特表２００５−５２３６８９号公報（特許請求の範囲その他）
【特許文献３】特開２００７−１１１５９０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】
【０００８】
本発明は、バイオマスを原料として用い、アルコール燃料を製造するに際し、従来の固体発酵の欠点を克服し、迅速に、かつ高い収率でアルコールを生成させ、アルコール燃料とともに動物飼料として有用な残渣を回収する方法及びその製造装置を提供することを目的としてなされたものである。
【０００９】
そして、本発明者は、バイオマス原料から燃料アルコールを製造する方法について種々検討した結果、エネルギー消費量の低減及びアルコール回収後の残渣の利用等を考慮すれば、固体発酵方式が適していることを見出したが、これを実現するためには、以下の課題、すなわち
（１）発酵時の原料の消毒を確実に行うことができ、発酵中の雑菌の滅菌が可能で安定した嫌気性条件を維持するために、発酵中に発生する代謝熱を除去し、常時３０℃前後に材料温度を保持し得る構造、及び発酵生成物からアルコールを蒸留した後の固体残渣が殺菌された状態で取り出し得る構造をもつ発酵槽を設計すること、
（２）発酵の迅速化とアルコール収率の向上を実現するために、粉砕した原料を充填したときに生じる空隙に存在する酸素を追い出し、カビによる糖化とアルコール発酵を迅速に進行させること、
（３）糖化を促進するために麹やカビの生育に適した水分を保持し、かつ酸素を低レベルに保持し、カビによる糖化の進行状態を制御し、酵母やザイモナス菌の活性を維持してアルコール発酵を行わせるとともに、生成する有機酸によるｐＨの低下を防止すること、
を解決する必要がある。
【００１０】
このほかにも、固体発酵によって発生する二酸化炭素の固定化及び利用法、アルコール蒸留残渣の飼料化に適した蒸留、家畜飼料として用いるために好適な状態を維持するために１５％ｗ．ｂ．以下の水分まで乾燥する方法についても配慮するのが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、上記の課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、
（１）バイオマス原料として、糖又はデンプン含有量の多い植物組織体、例えば種実、茎葉及び根茎あるいは食品残渣を用いること、
（２）バイオマス原料を粉砕又は磨砕し、１１０〜１３０℃の過熱水蒸気を用いて、この粉砕物又は摩砕物の水分を６０〜８５％ｗ．ｂ．まで低下させ、かつ１１０〜１８０℃の水蒸気又は過熱水蒸気で殺菌と糖化を兼ねて加水分解を行いながら水分量を調節すること、
（３）上記の水分調節の際の原料の温度を、アルコール発酵で発生する二酸化炭素を回収し、高圧ガスコンプレッサーで圧縮して製造した冷媒を用いて１０〜３６℃に低下させること、
（４）冷却された原料にｐＨ調整用として過熱水蒸気で殺菌した消石灰又は生石灰を加え、これに麹菌、クモノスカビ又は酵母を植菌すること、及び
（５）かさ密度を小さくし、粉砕物間の空隙の酸素量を減少させ、嫌気性発酵を促進するために、上記（４）の原料を圧密化し、塊状又はペレットにすることが必要であることを見出し、この知見に基づき本発明をなすに至った。
【００１２】
すなわち、本発明は、バイオマス原料の粉砕物又は摩砕物を、温度６０〜１８０℃、圧力０．０６〜０．２ＭＰａの条件下で蒸煮して、水分６０〜８５％ｗ．ｂ．に調整したのち、２５〜３０℃まで急冷し、次いでクモノスカビ又は麹菌及び酵母又はザイモナス（Ｚｙｍｏｎａｓ）菌を加えて、１０〜３３℃で固体発酵させ、生成したアルコールを分離回収することを特徴とする燃料アルコールの製造方法、上面をバイオマス原料投入口に、下面をドレインに形成し、かつ側面に複数の冷却用二酸化炭素噴射孔を、下方位置に水蒸気導入孔を有する筒状サイロと、その上面に接触して配置された冷却器と、サイロ上部においてサイロ内部と連通して配設されたアルコール精留管と、サイロ底部において連結して付設された残渣取出用サイロアンローダーとから構成されたことを特徴とする燃料アルコール製造装置、及び上面にバイオマス原料投入口を、下面にドレインを、かつ側面に複数の冷却用二酸化炭素噴射孔を有し、内部下方位置に水蒸気導入孔を配置した長方形サイロと、その上面外側に接触して配置された冷却器と、サイロ上部においてサイロ内部と連通して配設されたアルコール精留管と、サイロ底部において連結した付設された残渣取出用サイロアンローダーとから構成されたことを特徴とする燃料アルコール製造装置を提供するものである。
【００１３】
また、上記の方法により副生するアルコール蒸留残渣又はアルコール発酵により発生する二酸化炭素を有効利用するには、上記のサイロアンローダーに接続した乾燥機や飼料製造装置、二酸化炭素に水素を混合して金属触媒又はメタン菌により反応させるメタン化装置を付設する必要がある。
【００１４】
次に、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明方法において原料として用いられるバイオマスとは、セルロース又はデンプンあるいはその両方を含有する天然物由来の物質であって、例えばイネ、コウリャン、マイロ、トウモロコシ、サトウキビなどのイネ科植物、カンナ、タロイモ、サツマイモ、ジャガイモなどの根茎植物や麦などの茎葉、種実などがこれに包含される。これらのものはデンプン換算で最大になるときに収穫した青刈作物が好ましい。また、分別、収集されたデンプン系食品残渣も用いることができる。
【００１５】
本発明方法においては、これらのバイオマス原料を粉砕又は磨砕によって、１００ｍｍ以下の大きさに調製し、温度６０〜１８０℃、圧力０．０６〜０．２ＭＰａの条件下で、水蒸気又は過熱水蒸気を用いて蒸煮し、殺菌と同時にバイオマス原料の水分を６０〜８５％ｗ．ｂ．に調節する。次いで、これを冷却二酸化炭素又はドライアイスを用いて可及的速やかに冷却する。
【００１６】
冷却後、必要に応じ消石灰又は生石灰を０．００１〜５質量％の範囲で加えてｐＨ調整し、発酵に必要な微生物と混合して、ローラ又はペレタイザーにより圧密処理を行い、塊状又はペレット状に成形する。この際の圧力としては、０．０６〜０．１５ＭＰａが好ましい。この際に用いる微生物としては、糖化用としては、クモノスカビ、黒麹菌又は黄麹菌、アルコール発酵用としては、酵母、ザイモナス菌（Ｚｙｍｏｎａｓ ｍｏｂｉｌｉｓ）又はクロストリジュウム菌（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｔｈｅｒｍｏｃｅｌｌｕｍ）が用いられる。
【００１７】
次に、上記の塊状又はペレット状に成形した発酵材料を縦型又は横型サイロに投入して発酵させる。このアルコール発酵によって発生する二酸化炭素を回収し、これを冷却するか又はドライアイス化して固体発酵の際に発生する発酵熱を除去し、バイオマス原料の温度を１０〜３０℃に保持する。このように、発酵温度を１０〜３０℃に保持することによって、入荷する使用原料の種類の変化に応じて発酵条件を定めることができ、７〜９０日の発酵でアルコールを発生することができる。
また、サイロにおける培地の充填率を向上するには、ペレット化が有効であり、塊状やフレーク状の場合や粉体の場合には重量ローラで圧密化するのが有利である。
【００１８】
本発明者は、先にバイオマス固体発酵方法として、外気を導入して酸素濃度０．０１〜５．０％に維持した酸発酵帯域に、ペレット状に成形した固体バイオマス原料を、通性嫌気又は半好気条件下、酸発酵を行わせ、次いで上記の固体バイオマス原料ペレットを、圧縮緻密化して、その中の粒子間に存在する酸素を除去したのち、メタン発酵帯域に移し、嫌気的条件下でメタン発酵させる方法を開発したが（特願２００７−２６２０６号）、本発明の圧密化工程においては、この方法も用いることができる。
【００１９】
次に、本発明の固体発酵に際しては、微生物として、糖化とアルコールを同時に行い得る菌、例えばクモノスカビ（Ｒｈｉｚｏｐｕｓ ｏｒｙｚａｅ）、ザイモナス菌（Ｚｙｍｏｎａｓ ｍｏｂｉｌｉｓ）、クロストリジュウム菌（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｔｈｅｒｍｏｃｅｌｌｕｍ）を用いた混合アルコール発酵が好ましい。また、食品残渣のように繊維の多い原料に関してはセルラーゼを分泌する菌としてトリコデルマ菌（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｒｅｅｓｅｉ）によるザイモナス菌との混合培養が好ましい。
【００２０】
本発明方法における発酵の進行状況は、発酵槽の温度制御に用いている二酸化炭素中に混入してくるアルコール濃度又は酸素濃度を、ガスクロマトグラフィーや可視線、近赤外線又は赤外線分光法によって測定し、反応条件の管理を行う。
【００２１】
一般に、固体アルコール発酵の終点は分かりにくいが、発酵槽内を循環する二酸化炭素内に含まれるアルコール濃度より推測できるので、この推測した結果と、もろみのサンプルから得たアルコール濃度より判断し、発酵槽底部付近に配置した管から水蒸気を吹き込み、水蒸気蒸留を行わせてアルコールを回収する。
【００２２】
次いで、もろみのアルコール濃度が０．１〜０．２％に達するまで、水蒸気蒸留を続け、さらに過熱水蒸気によりもろみの水分が３０〜３５％の範囲になるまで乾燥を続行したのち、サイロから取り出し、通常の火力乾燥機により乾燥し、例えば飼料として用いる。
【００２３】
次に、添付図面に従い、本発明の装置を説明する。
図１は、本発明方法の１例を示すフローシートであり、この図におい圃場において収穫された農産物Ａは、食品残渣のうち、分別されたデンプン系残渣Ｂと混合されたバイオマス原料として、粉砕工程１、蒸煮工程２、冷却工程３を経て、植菌工程４に送られ、さらに圧密工程５でペレット化され、発酵工程６で処理されたのち、蒸留工程７で生成したエタノールが分離され、さらに精留工程１２を経て貯留１３される。
【００２４】
一方、蒸留残渣は乾燥工程８を経て、乾燥飼料とするためにペレット化９されるか、あるいは冷却工程１０を経て密閉貯蔵工程１１に送られ、サイレージ飼料として貯蔵される。
固体発酵の特徴は、原料が仕込まれた後で発酵材料が発酵工程６において、発酵終了の確認がなされ、発酵槽内に直接水蒸気が供給されて蒸留し得ることであって、この点が液状発酵と異なっている。
【００２５】
図２は、縦型サイロの固体発酵装置を示す縦断面説明図であって、原料Ａはバケットエレベータ（図示せず）により原料投入口２１より投入され、アルコール発酵に供される。この間発生する二酸化炭素は、サイロ上部から排出され、サイロ上面に配置された二酸化炭素冷却装置２３で冷却されたのち、サイロ側面に配設されたリング状二酸化炭素噴射管２２からサイロ内に噴出され、もろみの発酵熱の除去に用いられる。２４は、この際の二酸化炭素を循環するための圧力ポンプである。
【００２６】
この循環の際に生じる凝縮水はポンプで蒸気導入管２６の下方からサイロ下部に戻される。蒸留は蒸気導入管２６から供給される水蒸気又は過熱水蒸気により行われ、生成したアルコールは精留塔２７で濃縮され、濃縮エタノールとして回収され、凝縮水はドレイン管２８により抜き出され、例えばメタン発酵により液肥化され、肥料として使用される。
一方、蒸留残渣はサイロアンローダー２９により排出され、肥料原料として利用される。
【００２７】
図３は横型サイロ内の構造を示す縦断面説明図であり、その構造及び作用は縦型サイロの場合とほとんど同じであり、原料投入口２１から投入されたバイオマス原料は、サイロ内においてアルコール発酵される。この発酵の間に発生する二酸化炭素は、二酸化炭素冷却装置２３を経て、圧力ポンプ２４により循環され、サイロ側面に配設されたリング状二酸化炭素噴射管２２からサイロ内に噴射され、発酵熱の除去に利用される。この循環の際に生じる凝縮水は、上記と同様にしてサイロ下部に戻される。蒸留及び生成エタノールの精留、ドレインからの凝縮水の排出、利用は上記の縦型サイロの場合と同様に行われる。
この装置においては、サイロ内を循環する二酸化炭素を随時赤外線分光光度計３０によりチェックし、その中のアルコール濃度又は酸素濃度を測定し、アルコール発酵条件の管理を行うようになっている。この条件管理は、また随時二酸化炭素サンプルを採取し、ガスクロマトグラフィー分析することにより行うこともできる。これによって従来勘に頼ってきた発酵の終了点を合理化できる。
【００２８】
この分光学的方法によるアルコール濃度の主な分析波長は０．８、１．７、２．１又は２．３μｍの３波長のスペクトル強度を重回帰分析することにより濃度分析を可能にした。この方法はスペクトル波長は異なるものについて、すでに知られている（特開２００３−７５３４１号公報）。
【００２９】
図２及び図３に示す装置は、共にアルコール発酵の終了と同時に水蒸気をサイロ底部より送ってそのままアルコールの水蒸気蒸留を行う回分式発酵法である。水蒸気又は過熱水蒸気を使ってアルコールを蒸留させた残渣は、サイロアンローダー２９によってサイロ下部より取り出し、乾燥又は冷却後密閉又は輸送用樹脂フィルム容器に収納してサイレージ化して家畜の餌として提供する。
【００３０】
図４は余剰二酸化炭素の利用法を示す説明図であって、アルコール分離器３１により、アルコールＣから分離された余剰二酸化炭素Ｄは、水素ガス又は合成ガスＥと混合されて、触媒層又はメタン発酵装置３２に送られ、生成したメタンは、冷却器（又は除湿器）３３を経てガスホルダー３４に貯蔵される。
【発明の効果】
【００３１】
木発明の燃料アルコール固体発酵装置は、過熱水蒸気によって原料水分を６０〜７０％に調整し、セルロース資化性菌を中心に植菌する固体発酵法である。植菌材料をペレット化して脱気すること、アルコール発酵槽内の温度制御をアルコール発酵時に発生する二酸化炭素を熱媒体として使用することを特徴とすることにより、アルコール発酵後のもろみを蒸留した後の残渣の水分は低下し、乾燥に要するエネルギーを低く抑制することができ、また、乾燥せずにサイレージとして高水分のまま家畜の飼料として供給できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
次に、本発明を実施するための最良の形態を説明するが、本発明はこれらによりなんら限定されるものではない。
【実施例１】
【００３３】
水分２０〜２５％ｗ．ｂ．の青刈りのイネを茎葉及び穂をそのまま２０〜２５ｍｍの長さにカッタで粉砕し、これにクモノスカビ（Ｒｈｉｚｏｐｕｓ属）と野生酵母を稙菌し、蒸留水を入れて４０％ｗ．ｂ．の水分になるように調整した後、１リットルのポリエチレン容器に入れ、圧密して内部の空気を抜き、二酸化炭素を導入してヘッドスペースの空気をパージし、１０〜２０℃の室温で約５か月発酵させた。その結果、もろみのアルコール濃度として０．９％を得た。
【実施例２】
【００３４】
食品残渣のうち、分別機によっておにぎりの外装フィルムを除去したでん粉質を９５℃、０．０６ＭＰａの圧力の水蒸気を用いて２０分間蒸煮し、冷却した後（水分３５〜４０％ｗ．ｂ．）、これに黒麹菌（Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ ｎｉｇｅｒ）と酵母（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）を加えて混合し、３０℃で１０日間、アルコールで消毒した縦型円筒サイロ（２リットル）の発酵装置を用いて発酵させた。発酵後のもろみの一部を９０℃の水蒸気蒸留を行い、３０％前後のアルコールを得た。水蒸気蒸留前のもろみのアルコール濃度は８〜９％に達していた。
【実施例３】
【００３５】
実施例２において、発酵後のもろみ１．５リットルを二酸化炭素を吹き付けて嫌気を維持しながら別の円筒サイロ（２リットル）に移動させ、これに２００ｍｌの酒母を混合させ、１０日間再発酵させた。もろみのアルコール濃度は１９〜２０％に達していた。アルコールの発酵が終点に達していないときの再発酵法の有効な方法であることを確認した。
【実施例４】
【００３６】
裁断した青刈りとうもろこし及び青刈りマイロを１：１の比率で混合し、１２０℃、０．１６ＭＰａの過熱水蒸気で消毒をかねて、水分を６０％ｗ．ｂ．前後になるまで加熱し、冷却後、黄麹菌（Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ ｏｒｙｚａｅ）と酒母を加えて混合し、アルコールで消毒したペレタイザーにより、径６ｍｍ、長さ２０ｍｍのペレットを作成し、これを１リットルの広口壜に入れ、二酸化炭素で空気をパージして３０℃で１０日間発酵させた。もろみのアルコール濃度は１０％に達し、水蒸気蒸留を７０℃で行ったところ、アルコール濃度４０〜４２％を得た。
【実施例５】
【００３７】
コーリャンの青刈りに小麦粉を加え、水分を５５〜６０％に調整し、１０５℃、０．０１ＭＰａの水蒸気で１５分間消毒し、ドライアイスを用いて３０℃に冷却し、これにクモノスカビを混合し、ペレット化し、径６ｍｍ、長さ２０ｍｍを２リットルの容器に充填し、二酸化炭素で空気を置換した後、密閉し３０日間、３０日間発酵させた。その後、もろみの質量で等量の水を入れ、１１０℃で常圧蒸留し、３０％のアルコール濃度を得た。これを６０℃の温度で低圧蒸留を行ったところ７５％のアルコール濃度を得た。
【実施例６】
【００３８】
飼料用のイネをホールで青刈りし、粉砕後（水分８０％ｗ．ｂ前後）を１２５℃、０．２ＭＰａの過熱水蒸気で蒸煮し、水分が６５〜７０％になったところで、ドライアイスから発生させた二酸化炭素で冷却し、クロストリジュウム属菌を植菌し、その後径６ｍｍ、長さ２０ｍｍのペレットをつくり、１０リットルの厚手のポリエチレンフィルム容器を二重にしたものに６ｋｇ入れ、二酸化炭素で空気を置換し、２０℃で１か月間発酵させた。もろみのアルコール濃度は１０％前後であった。アルコールを常圧蒸留で蒸留させた後のもろみを、ドライアイスで冷却した後、発酵に用いたポリエチレン容器に再度入れ、２０℃に１か月放置した。これを乳牛に給餌したところ問題なく食べた。
【実施例７】
【００３９】
茎菜を含むカンナ１ｋｇを５０〜７０ｍｍに裁断し、これを噴流層内に入れ、１２０℃、０．２ＭＰａの過熱水蒸気で蒸煮し、水分６０％ｗ．ｂ．前後に下げて、常温の二酸化炭素を吹き込み、３０℃に冷却後、質量で２％の消石灰を加え、これにクロストリジュウム属の菌を種菌として植菌し、これを径６ｍｍ、長さ２０ｍｍのサイズのペレット化したものを、消毒した１リットルのポリ壜に装入し、二酸化炭素で空気を置換し、３４℃に設定したインキュベータにて保温し、１０日後取り出して、等量の水を加えたもろみは６％濃度のアルコールであった。これを低圧水蒸気蒸留装置に入れて、６０℃で蒸留したところ、アルコール濃度６０％を得た。蒸留後の残渣を乾燥後、１３％に乾燥し、ペレット飼料を調製し、肉牛の嗜好性を観察したところ、特に問題はなかった。
【実施例８】
【００４０】
茎葉を含むさつまいも１ｋｇを４０〜５０ｍｍに裁断し、これを噴流層内に入れ、１２０℃、０．２ＭＰａの過熱水蒸気で蒸煮し、水分６５％ｗ．ｂ．前後に下げて、常温の二酸化炭素を吹き込み、３０℃に冷却後、質量で１％の消石灰を加え、これにクロストリジュウム属の菌を種菌として植菌し、これを径６ｍｍ、長さ２０ｍｍのサイズのペレット化したものを、消毒した１リットルのポリ壜に装入し、二酸化炭素で空気を置換し、３２℃に設定したインキュベータにて保温し、１５日後取り出して、等量の水を加えたもろみは８％濃度のアルコールであった。これを低圧水蒸気蒸留装置に入れて、６０℃で蒸留したところ、アルコール濃度６５％を得た。蒸留後の残渣を乾燥後、１３％に乾燥し、ペレット飼料を調製し、肉牛の嗜好性を観察したところ、特に問題がなかった。
【実施例９】
【００４１】
ビール麦をホールで青刈りし、粉砕後（水分８０％ｗ．ｂ．前後）を３０℃、１２時間放置した後で、１２５℃、０．２ＭＰａの過熱水蒸気で蒸煮し、水分が６５〜７０％に低下したところで、ドライアイスから発生させた二酸化炭素で冷却し、これにクモノスカビ菌とクロストリジュウム属菌を植菌し、その後、径６ｍｍ、長さ２０ｍｍのペレットを作り、１０リットル容の厚手のポリエチレンフィルム容器を二重にしたものに６ｋｇ程度を入れ、二酸化炭素で空気を置換し、２０℃で１か月間発酵させた。
もろみのアルコール濃度は１２％前後であった。アルコールを常圧蒸留で蒸留させたところ、２０％前後のアルコール濃度のものを得た。蒸留後のもろみを、ドライアイスで冷却した後、発酵に用いたポリエチレン容器に再度収容し、２０℃に１か月放置した。これを肉牛に給餌し、嗜好性を観察したところ、特に問題はなかった。
【実施例１０】
【００４２】
みかんを搾汁している果汁工場の搾りかす１ｋｇを４０〜５０ｍｍに裁断し、これを噴流層内に入れ、消石灰粉末２０ｇを添加してｐＨを調整し、十分混合した後、１２５℃、０．２ＭＰａの過熱水蒸気で蒸煮し、水分６０％ｗ．ｂ．前後に下げて、常温の二酸化炭素を吹き込み、３０℃に冷却後、黒麹菌とクロストリジュウム属の菌を種菌として植菌し、これを径６ｍｍ、長さ２０ｍｍのサイズのペレット化したものを、消毒した１リットルのポリエチレン製角型発酵槽に入れ、二酸化炭素で空気を置換し、発酵槽内の二酸化炭素中の酸素濃度を０．０５〜０．２％に制御しながら、３４℃に設定したインキュベータで保温し、４０日後取り出し、等量の水を加えたもろみは３％濃度のアルコールであった。これを低圧水蒸気蒸留装置に入れて、６０℃で蒸留したところ、アルコール濃度８％を得た。蒸留後の残渣を乾燥後、１３％に乾燥し、糖蜜と小麦粉砕物少量を加えてペレット飼料を作製し、肉牛の嗜好性を観察したところ、特に問題はなかった。
【実施例１１】
【００４３】
電気炉で４００〜５００℃に維持したＮｉ−Ｃｒ系触媒に４モルの水素と１モルの二酸化炭素の混合ガスを流し、純度９５〜９８％のメタンを得た。この反応速度はメタン菌を生物触媒とするよりも２〜５倍大きかったが、投入エネルギーが大きくなる欠点があった。
【実施例１２】
【００４４】
実施例１０の横型角型発酵槽の下部より二酸化炭素を吹き込みながらもろみを別の角型発酵槽へ移動させ、これにセルラーゼ１０ｍｇ／ｋｇを混合した酒母を移動したもろみの質量に対して２％を噴霧器にて散布して再発酵させた。１０日後のもろみのアルコール濃度は７％に達していた。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
バイオマス原料から効率よく燃料用アルコールを得ることができ、蒸留残渣は肥料、飼料の材料として利用し得るので、バイオマスの利用技術として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明方法の１例を示すフローシート。
【図２】本発明の縦型サイロ方式固体発酵装置の縦断面説明図。
【図３】本発明の横型サイロ方式固体発酵装置の縦断面説明図。
【図４】余剰二酸化炭素の利用法を示す説明図。
【符号の説明】
【００４７】
１ 粉砕工程
２ 蒸煮工程
３ 冷却工程
４ 植菌工程
５ 圧密工程
６ 発酵工程
７ 蒸留工程
８ 乾燥工程
９ ペレット化
１０ 冷却工程
１１ 密閉貯蔵工程
１２ 精留工程
１３ 貯留
２１ 原料投入口
２２ リング状二酸化炭素噴射管
２３ 二酸化炭素冷却装置
２４ 圧力ポンプ
２５ 管路
２６ 蒸気導入管
２７ 精留塔
２８ ドレイン管
２９ サイロアンローダー
３０ 直接可視・近赤外線分光光度計
３１ アルコール分離器
３２ 触媒層又はメタン発酵装置
３３ 冷却器（除湿器）
３４ ガスホルダー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマスを原料として用い、水分を加えない固体状でアルコール発酵を行わせることにより、効率よく燃料用アルコールを製造する方法及びそれに用いる製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
バイオマス原料からアルコール発酵により燃料アルコールを製造する方法は公知であり、例えばセルロース系バイオマスを含む培地にクロストリジウム・サーモセラムＩ−１−Ｂ（微工研菌寄第９５１０号）を培養して生成したエタノールを回収する方法（特許文献１参照）、バイオマスと少なくとも１種の基質変換酵素を接触させて中間体を生成させ、この中間体に少なくとも１種の中間体変換酵素を接触させて、実質的にすべての中間体をアルコールに変換させる方法（特許文献２参照）、粉砕した生ごみのデンプン濃度を調整し、糖化酵素を加え、得られた糖化処理水にあらかじめ培養したザイモナス・モビリス（Ｚｙｍｏｎａｓ ｍｏｂｉｌｉｓ）菌を接種してアルコール発酵させて、もろみを蒸留してエタノールを回収する方法（特許文献３参照）などがこれまでに提案されている。
【０００３】
これらのアルコール製造方法におけるバイオマスのアルコール発酵工程では、通常バイオマスの固形分を全糖分１５％前後に調整したのち、これを８０〜９０℃で蒸煮し、５８℃まで冷却し、α‐アミラーゼとグルコアミラーゼを加えて糖化後、３４℃に冷却し、酵母を加えてアルコールに発酵させる液状アルコール発酵が行われている。
そして、この場合の発酵方式としては、回分方式、追添方式、半連続方式、酵母固定化連続方式、フラッシュ連続方式などが知られている。
【０００４】
しかしながら、液状アルコール発酵においては、発酵に要する時間が、回分方式で７５〜８０時間、半連続方式で１３〜２０時間、酵母固定化連続方式で３〜８時間と比較的長いにもかかわらず、原料に対するアルコール生産量は、せいぜい１ｋｇ当り０．３５リットルと少ない。
【０００５】
また、これらの液状アルコール発酵法は、アルコールの生産速度に重点を置くあまり、投入エネルギーの低減を考慮しないため、バイオマス原料を水と混合した後の熱処理や生成液からのアルコールの蒸留の加熱エネルギーや残渣から動物飼料を回収する場合の乾燥エネルギーの消費量が大きくなるという欠点がある。また、原料に対して１０〜２０倍の容積の発酵槽を必要とするという欠点もある。
【０００６】
これに対し、固体発酵においては、発酵槽の容積が原料に対し１．５倍程度で十分であるという利点はあるが、固体内に存在する空気中の酸素がアルコール発酵に必要な嫌気性条件を確保するために長時間を要する上に、デンプンの糖化と酵母によるアルコール発酵で原料を大量処理する場合、迅速に嫌気状態にもたらすのが困難であるという欠点がある。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−５４６９４号公報（特許請求の範囲その他）
【特許文献２】特表２００５−５２３６８９号公報（特許請求の範囲その他）
【特許文献３】特開２００７−１１１５９０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】
【０００８】
本発明は、バイオマスを原料として用い、アルコール燃料を製造するに際し、従来の固体発酵の欠点を克服し、迅速に、かつ高い収率でアルコールを生成させ、アルコール燃料とともに動物飼料として有用な残渣を回収する方法及びその製造装置を提供することを目的としてなされたものである。
【０００９】
そして、本発明者は、バイオマス原料から燃料アルコールを製造する方法について種々検討した結果、エネルギー消費量の低減及びアルコール回収後の残渣の利用等を考慮すれば、固体発酵方式が適していることを見出したが、これを実現するためには、以下の課題、すなわち
（１）発酵時の原料の消毒を確実に行うことができ、発酵中の雑菌の滅菌が可能で安定した嫌気性条件を維持するために、発酵中に発生する代謝熱を除去し、常時３０℃前後に材料温度を保持し得る構造、及び発酵生成物からアルコールを蒸留した後の固体残渣が殺菌された状態で取り出し得る構造をもつ発酵槽を設計すること、
（２）発酵の迅速化とアルコール収率の向上を実現するために、粉砕した原料を充填したときに生じる空隙に存在する酸素を追い出し、カビによる糖化とアルコール発酵を迅速に進行させること、
（３）糖化を促進するために麹やカビの生育に適した水分を保持し、かつ酸素を低レベルに保持し、カビによる糖化の進行状態を制御し、酵母やザイモナス菌の活性を維持してアルコール発酵を行わせるとともに、生成する有機酸によるｐＨの低下を防止すること、
を解決する必要がある。
【００１０】
このほかにも、固体発酵によって発生する二酸化炭素の固定化及び利用法、アルコール蒸留残渣の飼料化に適した蒸留、家畜飼料として用いるために好適な状態を維持するために１５％ｗ．ｂ．以下の水分まで乾燥する方法についても配慮するのが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、上記の課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、
（１）バイオマス原料として、糖又はデンプン含有量の多い植物組織体、例えば種実、茎葉及び根茎あるいは食品残渣を用いること、
（２）バイオマス原料を粉砕又は磨砕し、１１０〜１３０℃の過熱水蒸気を用いて、この粉砕物又は摩砕物の水分を６０〜８５％ｗ．ｂ．まで低下させ、かつ１１０〜１８０℃の水蒸気又は過熱水蒸気で殺菌と糖化を兼ねて加水分解を行いながら水分量を調節すること、
（３）上記の水分調節の際の原料の温度を、アルコール発酵で発生する二酸化炭素を回収し、高圧ガスコンプレッサーで圧縮して製造した冷媒を用いて１０〜３６℃に低下させること、
（４）冷却された原料にｐＨ調整用として過熱水蒸気で殺菌した消石灰又は生石灰を加え、これに麹菌、クモノスカビ又は酵母を植菌すること、及び
（５）かさ密度を小さくし、粉砕物間の空隙の酸素量を減少させ、嫌気性発酵を促進するために、上記（４）の原料を圧密化し、塊状又はペレットにすることが必要であることを見出し、この知見に基づき本発明をなすに至った。
【００１２】
すなわち、本発明は、バイオマス原料の粉砕物又は摩砕物を、温度６０〜１８０℃、圧力０．０６〜０．２ＭＰａの条件下で蒸煮して、水分６０〜８５％ｗ．ｂ．に調整したのち、２５〜３０℃まで急冷し、次いでクモノスカビ又は麹菌及び酵母又はザイモナス（Ｚｙｍｏｎａｓ）菌を加えて、１０〜３３℃で固体発酵させ、生成したアルコールを分離回収することを特徴とする燃料アルコールの製造方法、上面をバイオマス原料投入口に、下面をドレインに形成し、かつ側面に複数の冷却用二酸化炭素噴射孔を、下方位置に水蒸気導入孔を有する筒状サイロと、その上面に接触して配置された冷却器と、サイロ上部においてサイロ内部と連通して配設されたアルコール精留管と、サイロ底部において連結して付設された残渣取出用サイロアンローダーとから構成されたことを特徴とする燃料アルコール製造装置、及び上面にバイオマス原料投入口を、下面にドレインを、かつ側面に複数の冷却用二酸化炭素噴射孔を有し、内部下方位置に水蒸気導入孔を配置した長方形サイロと、その上面外側に接触して配置された冷却器と、サイロ上部においてサイロ内部と連通して配設されたアルコール精留管と、サイロ底部において連結した付設された残渣取出用サイロアンローダーとから構成されたことを特徴とする燃料アルコール製造装置を提供するものである。
【００１３】
また、上記の方法により副生するアルコール蒸留残渣又はアルコール発酵により発生する二酸化炭素を有効利用するには、上記のサイロアンローダーに接続した乾燥機や飼料製造装置、二酸化炭素に水素を混合して金属触媒又はメタン菌により反応させるメタン化装置を付設する必要がある。
【００１４】
次に、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明方法において原料として用いられるバイオマスとは、セルロース又はデンプンあるいはその両方を含有する天然物由来の物質であって、例えばイネ、コウリャン、マイロ、トウモロコシ、サトウキビなどのイネ科植物、カンナ、タロイモ、サツマイモ、ジャガイモなどの根茎植物や麦などの茎葉、種実などがこれに包含される。これらのものはデンプン換算で最大になるときに収穫した青刈作物が好ましい。また、分別、収集されたデンプン系食品残渣も用いることができる。
【００１５】
本発明方法においては、これらのバイオマス原料を粉砕又は磨砕によって、１００ｍｍ以下の大きさに調製し、温度６０〜１８０℃、圧力０．０６〜０．２ＭＰａの条件下で、水蒸気又は過熱水蒸気を用いて蒸煮し、殺菌と同時にバイオマス原料の水分を６０〜８５％ｗ．ｂ．に調節する。次いで、これを冷却二酸化炭素又はドライアイスを用いて可及的速やかに冷却する。
【００１６】
冷却後、必要に応じ消石灰又は生石灰を０．００１〜５質量％の範囲で加えてｐＨ調整し、発酵に必要な微生物と混合して、ローラ又はペレタイザーにより圧密処理を行い、塊状又はペレット状に成形する。この際の圧力としては、０．０６〜０．１５ＭＰａが好ましい。この際に用いる微生物としては、糖化用としては、クモノスカビ、黒麹菌又は黄麹菌、アルコール発酵用としては、酵母、ザイモナス菌（Ｚｙｍｏｎａｓ ｍｏｂｉｌｉｓ）又はクロストリジュウム菌（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｔｈｅｒｍｏｃｅｌｌｕｍ）が用いられる。
【００１７】
次に、上記の塊状又はペレット状に成形した発酵材料を縦型又は横型サイロに投入して発酵させる。このアルコール発酵によって発生する二酸化炭素を回収し、これを冷却するか又はドライアイス化して固体発酵の際に発生する発酵熱を除去し、バイオマス原料の温度を１０〜３０℃に保持する。このように、発酵温度を１０〜３０℃に保持することによって、入荷する使用原料の種類の変化に応じて発酵条件を定めることができ、７〜９０日の発酵でアルコールを発生することができる。
また、サイロにおける培地の充填率を向上するには、ペレット化が有効であり、塊状やフレーク状の場合や粉体の場合には重量ローラで圧密化するのが有利である。
【００１８】
本発明者は、先にバイオマス固体発酵方法として、外気を導入して酸素濃度０．０１〜５．０％に維持した酸発酵帯域に、ペレット状に成形した固体バイオマス原料を、通性嫌気又は半好気条件下、酸発酵を行わせ、次いで上記の固体バイオマス原料ペレットを、圧縮緻密化して、その中の粒子間に存在する酸素を除去したのち、メタン発酵帯域に移し、嫌気的条件下でメタン発酵させる方法を開発したが（特願２００７−２６２０６号）、本発明の圧密化工程においては、この方法も用いることができる。
【００１９】
次に、本発明の固体発酵に際しては、微生物として、糖化とアルコールを同時に行い得る菌、例えばクモノスカビ（Ｒｈｉｚｏｐｕｓ ｏｒｙｚａｅ）、ザイモナス菌（Ｚｙｍｏｎａｓ ｍｏｂｉｌｉｓ）、クロストリジュウム菌（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｔｈｅｒｍｏｃｅｌｌｕｍ）を用いた混合アルコール発酵が好ましい。また、食品残渣のように繊維の多い原料に関してはセルラーゼを分泌する菌としてトリコデルマ菌（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｒｅｅｓｅｉ）によるザイモナス菌との混合培養が好ましい。
【００２０】
本発明方法における発酵の進行状況は、発酵槽の温度制御に用いている二酸化炭素中に混入してくるアルコール濃度又は酸素濃度を、ガスクロマトグラフィーや可視線、近赤外線又は赤外線分光法によって測定し、反応条件の管理を行う。
【００２１】
一般に、固体アルコール発酵の終点は分かりにくいが、発酵槽内を循環する二酸化炭素内に含まれるアルコール濃度より推測できるので、この推測した結果と、もろみのサンプルから得たアルコール濃度より判断し、発酵槽底部付近に配置した管から水蒸気を吹き込み、水蒸気蒸留を行わせてアルコールを回収する。
【００２２】
次いで、もろみのアルコール濃度が０．１〜０．２％に達するまで、水蒸気蒸留を続け、さらに過熱水蒸気によりもろみの水分が３０〜３５％の範囲になるまで乾燥を続行したのち、サイロから取り出し、通常の火力乾燥機により乾燥し、例えば飼料として用いる。
【００２３】
次に、添付図面に従い、本発明の装置を説明する。
図１は、本発明方法の１例を示すフローシートであり、この図におい圃場において収穫された農産物Ａは、食品残渣のうち、分別されたデンプン系残渣Ｂと混合されたバイオマス原料として、粉砕工程１、蒸煮工程２、冷却工程３を経て、植菌工程４に送られ、さらに圧密工程５でペレット化され、発酵工程６で処理されたのち、蒸留工程７で生成したエタノールが分離され、さらに精留工程１２を経て貯留１３される。
【００２４】
一方、蒸留残渣は乾燥工程８を経て、乾燥飼料とするためにペレット化９されるか、あるいは冷却工程１０を経て密閉貯蔵工程１１に送られ、サイレージ飼料として貯蔵される。
固体発酵の特徴は、原料が仕込まれた後で発酵材料が発酵工程６において、発酵終了の確認がなされ、発酵槽内に直接水蒸気が供給されて蒸留し得ることであって、この点が液状発酵と異なっている。
【００２５】
図２は、縦型サイロの固体発酵装置を示す縦断面説明図であって、原料Ａはバケットエレベータ（図示せず）により原料投入口２１より投入され、アルコール発酵に供される。この間発生する二酸化炭素は、サイロ上部から排出され、サイロ上面に配置された二酸化炭素冷却装置２３で冷却されたのち、サイロ側面に配設されたリング状二酸化炭素噴射管２２からサイロ内に噴出され、もろみの発酵熱の除去に用いられる。２４は、この際の二酸化炭素を循環するための圧力ポンプである。
【００２６】
この循環の際に生じる凝縮水はポンプで蒸気導入管２６の下方からサイロ下部に戻される。蒸留は蒸気導入管２６から供給される水蒸気又は過熱水蒸気により行われ、生成したアルコールは精留塔２７で濃縮され、濃縮エタノールとして回収され、凝縮水はドレイン管２８により抜き出され、例えばメタン発酵により液肥化され、肥料として使用される。
一方、蒸留残渣はサイロアンローダー２９により排出され、肥料原料として利用される。
【００２７】
図３は横型サイロ内の構造を示す縦断面説明図であり、その構造及び作用は縦型サイロの場合とほとんど同じであり、原料投入口２１から投入されたバイオマス原料は、サイロ内においてアルコール発酵される。この発酵の間に発生する二酸化炭素は、二酸化炭素冷却装置２３を経て、圧力ポンプ２４により循環され、サイロ側面に配設されたリング状二酸化炭素噴射管２２からサイロ内に噴射され、発酵熱の除去に利用される。この循環の際に生じる凝縮水は、上記と同様にしてサイロ下部に戻される。蒸留及び生成エタノールの精留、ドレインからの凝縮水の排出、利用は上記の縦型サイロの場合と同様に行われる。
この装置においては、サイロ内を循環する二酸化炭素を随時赤外線分光光度計３０によりチェックし、その中のアルコール濃度又は酸素濃度を測定し、アルコール発酵条件の管理を行うようになっている。この条件管理は、また随時二酸化炭素サンプルを採取し、ガスクロマトグラフィー分析することにより行うこともできる。これによって従来勘に頼ってきた発酵の終了点を合理化できる。
【００２８】
この分光学的方法によるアルコール濃度の主な分析波長は０．８、１．７、２．１又は２．３μｍの３波長のスペクトル強度を重回帰分析することにより濃度分析を可能にした。この方法はスペクトル波長は異なるものについて、すでに知られている（特開２００３−７５３４１号公報）。
【００２９】
図２及び図３に示す装置は、共にアルコール発酵の終了と同時に水蒸気をサイロ底部より送ってそのままアルコールの水蒸気蒸留を行う回分式発酵法である。水蒸気又は過熱水蒸気を使ってアルコールを蒸留させた残渣は、サイロアンローダー２９によってサイロ下部より取り出し、乾燥又は冷却後密閉又は輸送用樹脂フィルム容器に収納してサイレージ化して家畜の餌として提供する。
【００３０】
図４は余剰二酸化炭素の利用法を示す説明図であって、アルコール分離器３１により、アルコールＣから分離された余剰二酸化炭素Ｄは、水素ガス又は合成ガスＥと混合されて、触媒層又はメタン発酵装置３２に送られ、生成したメタンは、冷却器（又は除湿器）３３を経てガスホルダー３４に貯蔵される。
【発明の効果】
【００３１】
木発明の燃料アルコール固体発酵装置は、過熱水蒸気によって原料水分を６０〜７０％に調整し、セルロース資化性菌を中心に植菌する固体発酵法である。植菌材料をペレット化して脱気すること、アルコール発酵槽内の温度制御をアルコール発酵時に発生する二酸化炭素を熱媒体として使用することを特徴とすることにより、アルコール発酵後のもろみを蒸留した後の残渣の水分は低下し、乾燥に要するエネルギーを低く抑制することができ、また、乾燥せずにサイレージとして高水分のまま家畜の飼料として供給できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
次に、本発明を実施するための最良の形態を説明するが、本発明はこれらによりなんら限定されるものではない。
【実施例１】
【００３３】
水分２０〜２５％ｗ．ｂ．の青刈りのイネを茎葉及び穂をそのまま２０〜２５ｍｍの長さにカッタで粉砕し、これにクモノスカビ（Ｒｈｉｚｏｐｕｓ属）と野生酵母を稙菌し、蒸留水を入れて４０％ｗ．ｂ．の水分になるように調整した後、１リットルのポリエチレン容器に入れ、圧密して内部の空気を抜き、二酸化炭素を導入してヘッドスペースの空気をパージし、１０〜２０℃の室温で約５か月発酵させた。その結果、もろみのアルコール濃度として０．９％を得た。
【実施例２】
【００３４】
食品残渣のうち、分別機によっておにぎりの外装フィルムを除去したでん粉質を９５℃、０．０６ＭＰａの圧力の水蒸気を用いて２０分間蒸煮し、冷却した後（水分３５〜４０％ｗ．ｂ．）、これに黒麹菌（Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ ｎｉｇｅｒ）と酵母（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）を加えて混合し、３０℃で１０日間、アルコールで消毒した縦型円筒サイロ（２リットル）の発酵装置を用いて発酵させた。発酵後のもろみの一部を９０℃の水蒸気蒸留を行い、３０％前後のアルコールを得た。水蒸気蒸留前のもろみのアルコール濃度は８〜９％に達していた。
【実施例３】
【００３５】
実施例２において、発酵後のもろみ１．５リットルを二酸化炭素を吹き付けて嫌気を維持しながら別の円筒サイロ（２リットル）に移動させ、これに２００ｍｌの酒母を混合させ、１０日間再発酵させた。もろみのアルコール濃度は１９〜２０％に達していた。アルコールの発酵が終点に達していないときの再発酵法の有効な方法であることを確認した。
【実施例４】
【００３６】
裁断した青刈りとうもろこし及び青刈りマイロを１：１の比率で混合し、１２０℃、０．１６ＭＰａの過熱水蒸気で消毒をかねて、水分を６０％ｗ．ｂ．前後になるまで加熱し、冷却後、黄麹菌（Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ ｏｒｙｚａｅ）と酒母を加えて混合し、アルコールで消毒したペレタイザーにより、径６ｍｍ、長さ２０ｍｍのペレットを作成し、これを１リットルの広口壜に入れ、二酸化炭素で空気をパージして３０℃で１０日間発酵させた。もろみのアルコール濃度は１０％に達し、水蒸気蒸留を７０℃で行ったところ、アルコール濃度４０〜４２％を得た。
【実施例５】
【００３７】
コーリャンの青刈りに小麦粉を加え、水分を５５〜６０％に調整し、１０５℃、０．０１ＭＰａの水蒸気で１５分間消毒し、ドライアイスを用いて３０℃に冷却し、これにクモノスカビを混合し、ペレット化し、径６ｍｍ、長さ２０ｍｍを２リットルの容器に充填し、二酸化炭素で空気を置換した後、密閉し３０日間、３０日間発酵させた。その後、もろみの質量で等量の水を入れ、１１０℃で常圧蒸留し、３０％のアルコール濃度を得た。これを６０℃の温度で低圧蒸留を行ったところ７５％のアルコール濃度を得た。
【実施例６】
【００３８】
飼料用のイネをホールで青刈りし、粉砕後（水分８０％ｗ．ｂ前後）を１２５℃、０．２ＭＰａの過熱水蒸気で蒸煮し、水分が６５〜７０％になったところで、ドライアイスから発生させた二酸化炭素で冷却し、クロストリジュウム属菌を植菌し、その後径６ｍｍ、長さ２０ｍｍのペレットをつくり、１０リットルの厚手のポリエチレンフィルム容器を二重にしたものに６ｋｇ入れ、二酸化炭素で空気を置換し、２０℃で１か月間発酵させた。もろみのアルコール濃度は１０％前後であった。アルコールを常圧蒸留で蒸留させた後のもろみを、ドライアイスで冷却した後、発酵に用いたポリエチレン容器に再度入れ、２０℃に１か月放置した。これを乳牛に給餌したところ問題なく食べた。
【実施例７】
【００３９】
茎菜を含むカンナ１ｋｇを５０〜７０ｍｍに裁断し、これを噴流層内に入れ、１２０℃、０．２ＭＰａの過熱水蒸気で蒸煮し、水分６０％ｗ．ｂ．前後に下げて、常温の二酸化炭素を吹き込み、３０℃に冷却後、質量で２％の消石灰を加え、これにクロストリジュウム属の菌を種菌として植菌し、これを径６ｍｍ、長さ２０ｍｍのサイズのペレット化したものを、消毒した１リットルのポリ壜に装入し、二酸化炭素で空気を置換し、３４℃に設定したインキュベータにて保温し、１０日後取り出して、等量の水を加えたもろみは６％濃度のアルコールであった。これを低圧水蒸気蒸留装置に入れて、６０℃で蒸留したところ、アルコール濃度６０％を得た。蒸留後の残渣を乾燥後、１３％に乾燥し、ペレット飼料を調製し、肉牛の嗜好性を観察したところ、特に問題はなかった。
【実施例８】
【００４０】
茎葉を含むさつまいも１ｋｇを４０〜５０ｍｍに裁断し、これを噴流層内に入れ、１２０℃、０．２ＭＰａの過熱水蒸気で蒸煮し、水分６５％ｗ．ｂ．前後に下げて、常温の二酸化炭素を吹き込み、３０℃に冷却後、質量で１％の消石灰を加え、これにクロストリジュウム属の菌を種菌として植菌し、これを径６ｍｍ、長さ２０ｍｍのサイズのペレット化したものを、消毒した１リットルのポリ壜に装入し、二酸化炭素で空気を置換し、３２℃に設定したインキュベータにて保温し、１５日後取り出して、等量の水を加えたもろみは８％濃度のアルコールであった。これを低圧水蒸気蒸留装置に入れて、６０℃で蒸留したところ、アルコール濃度６５％を得た。蒸留後の残渣を乾燥後、１３％に乾燥し、ペレット飼料を調製し、肉牛の嗜好性を観察したところ、特に問題がなかった。
【実施例９】
【００４１】
ビール麦をホールで青刈りし、粉砕後（水分８０％ｗ．ｂ．前後）を３０℃、１２時間放置した後で、１２５℃、０．２ＭＰａの過熱水蒸気で蒸煮し、水分が６５〜７０％に低下したところで、ドライアイスから発生させた二酸化炭素で冷却し、これにクモノスカビ菌とクロストリジュウム属菌を植菌し、その後、径６ｍｍ、長さ２０ｍｍのペレットを作り、１０リットル容の厚手のポリエチレンフィルム容器を二重にしたものに６ｋｇ程度を入れ、二酸化炭素で空気を置換し、２０℃で１か月間発酵させた。
もろみのアルコール濃度は１２％前後であった。アルコールを常圧蒸留で蒸留させたところ、２０％前後のアルコール濃度のものを得た。蒸留後のもろみを、ドライアイスで冷却した後、発酵に用いたポリエチレン容器に再度収容し、２０℃に１か月放置した。これを肉牛に給餌し、嗜好性を観察したところ、特に問題はなかった。
【実施例１０】
【００４２】
みかんを搾汁している果汁工場の搾りかす１ｋｇを４０〜５０ｍｍに裁断し、これを噴流層内に入れ、消石灰粉末２０ｇを添加してｐＨを調整し、十分混合した後、１２５℃、０．２ＭＰａの過熱水蒸気で蒸煮し、水分６０％ｗ．ｂ．前後に下げて、常温の二酸化炭素を吹き込み、３０℃に冷却後、黒麹菌とクロストリジュウム属の菌を種菌として植菌し、これを径６ｍｍ、長さ２０ｍｍのサイズのペレット化したものを、消毒した１リットルのポリエチレン製角型発酵槽に入れ、二酸化炭素で空気を置換し、発酵槽内の二酸化炭素中の酸素濃度を０．０５〜０．２％に制御しながら、３４℃に設定したインキュベータで保温し、４０日後取り出し、等量の水を加えたもろみは３％濃度のアルコールであった。これを低圧水蒸気蒸留装置に入れて、６０℃で蒸留したところ、アルコール濃度８％を得た。蒸留後の残渣を乾燥後、１３％に乾燥し、糖蜜と小麦粉砕物少量を加えてペレット飼料を作製し、肉牛の嗜好性を観察したところ、特に問題はなかった。
【実施例１１】
【００４３】
電気炉で４００〜５００℃に維持したＮｉ−Ｃｒ系触媒に４モルの水素と１モルの二酸化炭素の混合ガスを流し、純度９５〜９８％のメタンを得た。この反応速度はメタン菌を生物触媒とするよりも２〜５倍大きかったが、投入エネルギーが大きくなる欠点があった。
【実施例１２】
【００４４】
実施例１０の横型角型発酵槽の下部より二酸化炭素を吹き込みながらもろみを別の角型発酵槽へ移動させ、これにセルラーゼ１０ｍｇ／ｋｇを混合した酒母を移動したもろみの質量に対して２％を噴霧器にて散布して再発酵させた。１０日後のもろみのアルコール濃度は７％に達していた。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
バイオマス原料から効率よく燃料用アルコールを得ることができ、蒸留残渣は肥料、飼料の材料として利用し得るので、バイオマスの利用技術として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明方法の１例を示すフローシート。
【図２】本発明の縦型サイロ方式固体発酵装置の縦断面説明図。
【図３】本発明の横型サイロ方式固体発酵装置の縦断面説明図。
【図４】余剰二酸化炭素の利用法を示す説明図。
【符号の説明】
【００４７】
１ 粉砕工程
２ 蒸煮工程
３ 冷却工程
４ 植菌工程
５ 圧密工程
６ 発酵工程
７ 蒸留工程
８ 乾燥工程
９ ペレット化
１０ 冷却工程
１１ 密閉貯蔵工程
１２ 精留工程
１３ 貯留
２１ 原料投入口
２２ リング状二酸化炭素噴射管
２３ 二酸化炭素冷却装置
２４ 圧力ポンプ
２５ 管路
２６ 蒸気導入管
２７ 精留塔
２８ ドレイン管
２９ サイロアンローダー
３０ 直接可視・近赤外線分光光度計
３１ アルコール分離器
３２ 触媒層又はメタン発酵装置
３３ 冷却器（除湿器）
３４ ガスホルダー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマス原料の粉砕物又は摩砕物を、温度６０〜１８０℃、圧力０．０６〜０．２ＭＰａの条件下で蒸煮して、水分６０〜８５％ｗ．ｂ．に調整したのち、２５〜３０℃まで急冷し、次いでクモノスカビ又は麹菌及び酵母又はザイモナス（Ｚｙｍｏｎａｓ）菌を加えて、１０〜３３℃で固体発酵させ、生成したアルコールを分離回収することを特徴とする燃料アルコールの製造方法。
【請求項２】
粉砕物又は摩砕物に消石灰又は生石灰０．００１〜５質量％を混合し、ｐＨを中性に保ち、温度６０〜１８０℃、圧力０．０６〜０．１５ＭＰａで蒸煮する請求項１記載の燃料アルコールの製造方法。
【請求項３】
急冷をドライアイス又は冷却二酸化炭素で行う請求項１又は２記載の燃料アルコールの製造方法。
【請求項４】
急冷後、原料を塊状又はペレット状に成形して後続の処理を行う請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料アルコールの製造方法。
【請求項５】
発酵熱を除去しながら行う請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料アルコールの製造方法。
【請求項６】
発酵により生成する二酸化炭素中に混入するアルコール濃度と酸素濃度を、ガスクロマトグラフィー分析又は可視線、近赤外線又は赤外線吸収スペクトル分析により監視しながら反応条件を管理して行う請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料アルコールの製造方法。
【請求項７】
アルコール発酵により発生する二酸化炭素に水素を混合し、金属触媒又はメタン菌によりメタン化する工程を併設した請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料アルコールの製造方法。
【請求項８】
上面をバイオマス原料投入口に、下面をドレインに形成し、かつ側面に複数の冷却用二酸化炭素噴射孔を、下方位置に水蒸気導入孔を有する円筒状サイロと、その上面外側に接触して配置された冷却器と、サイロ上部においてサイロ内部と連通して配設されたアルコール精留管と、サイロ底部において連結して付設された残渣取出用サイロアンローダーとから構成されたことを特徴とする燃料アルコール製造装置。
【請求項９】
上面にバイオマス原料投入口を、下面にドレインを、かつ側面に複数の冷却用二酸化炭素噴射孔を有し、内部下方位置に水蒸気導入孔を配置した長方形サイロと、その上面外側に接触して配置された冷却器と、サイロ上部においてサイロ内部と連通して配設されたアルコール精留管と、サイロ底部において連結した付設された残渣取出用サイロアンローダーとから構成されたことを特徴とする燃料アルコール製造装置。
【請求項１０】
ガスの分析手段を備えた請求項８又は９記載の燃料アルコール製造装置。
【請求項１１】
乾燥器を連結した上、粉体又はペレット状の飼料製造装置を併設した請求項８、９又は１０記載の燃料アルコール製造装置。
【請求項１】
バイオマス原料の粉砕物又は摩砕物を、温度６０〜１８０℃、圧力０．０６〜０．２ＭＰａの条件下で蒸煮して、水分６０〜８５％ｗ．ｂ．に調整したのち、２５〜３０℃まで急冷し、次いでクモノスカビ又は麹菌及び酵母又はザイモナス（Ｚｙｍｏｎａｓ）菌を加えて、１０〜３３℃で固体発酵させ、生成したアルコールを分離回収することを特徴とする燃料アルコールの製造方法。
【請求項２】
粉砕物又は摩砕物に消石灰又は生石灰０．００１〜５質量％を混合し、ｐＨを中性に保ち、温度６０〜１８０℃、圧力０．０６〜０．１５ＭＰａで蒸煮する請求項１記載の燃料アルコールの製造方法。
【請求項３】
急冷をドライアイス又は冷却二酸化炭素で行う請求項１又は２記載の燃料アルコールの製造方法。
【請求項４】
急冷後、原料を塊状又はペレット状に成形して後続の処理を行う請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料アルコールの製造方法。
【請求項５】
発酵熱を除去しながら行う請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料アルコールの製造方法。
【請求項６】
発酵により生成する二酸化炭素中に混入するアルコール濃度と酸素濃度を、ガスクロマトグラフィー分析又は可視線、近赤外線又は赤外線吸収スペクトル分析により監視しながら反応条件を管理して行う請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料アルコールの製造方法。
【請求項７】
アルコール発酵により発生する二酸化炭素に水素を混合し、金属触媒又はメタン菌によりメタン化する工程を併設した請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料アルコールの製造方法。
【請求項８】
上面をバイオマス原料投入口に、下面をドレインに形成し、かつ側面に複数の冷却用二酸化炭素噴射孔を、下方位置に水蒸気導入孔を有する円筒状サイロと、その上面外側に接触して配置された冷却器と、サイロ上部においてサイロ内部と連通して配設されたアルコール精留管と、サイロ底部において連結して付設された残渣取出用サイロアンローダーとから構成されたことを特徴とする燃料アルコール製造装置。
【請求項９】
上面にバイオマス原料投入口を、下面にドレインを、かつ側面に複数の冷却用二酸化炭素噴射孔を有し、内部下方位置に水蒸気導入孔を配置した長方形サイロと、その上面外側に接触して配置された冷却器と、サイロ上部においてサイロ内部と連通して配設されたアルコール精留管と、サイロ底部において連結した付設された残渣取出用サイロアンローダーとから構成されたことを特徴とする燃料アルコール製造装置。
【請求項１０】
ガスの分析手段を備えた請求項８又は９記載の燃料アルコール製造装置。
【請求項１１】
乾燥器を連結した上、粉体又はペレット状の飼料製造装置を併設した請求項８、９又は１０記載の燃料アルコール製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−１３６２０２（Ｐ２００９−１３６２０２Ａ）
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１５３０５（Ｐ２００７−３１５３０５）
【出願日】平成１９年１２月５日（２００７．１２．５）
【出願人】（５０５１１２１５２）株式会社筑波バイオテック研究所 (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月５日（２００７．１２．５）
【出願人】（５０５１１２１５２）株式会社筑波バイオテック研究所 (6)
【Ｆターム（参考）】
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