有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法
【課題】 高い選択性と濃度で乳酸を廉価に製造することができる有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法を提供する。
【解決手段】 自然な乳酸菌を利用し、有機廃棄物を主体とする原料を発酵させて弱酸性とする発酵工程と、弱酸性となった原料にアルカリ剤を添加してｐＨを上昇させるアルカリ剤添加工程とを繰り返して、有機廃棄物中に乳酸を高い選択性と濃度で生産させる。
【解決手段】 自然な乳酸菌を利用し、有機廃棄物を主体とする原料を発酵させて弱酸性とする発酵工程と、弱酸性となった原料にアルカリ剤を添加してｐＨを上昇させるアルカリ剤添加工程とを繰り返して、有機廃棄物中に乳酸を高い選択性と濃度で生産させる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、微生物による有機廃棄物からの乳酸の製造法に関り、特に有機廃棄物を主原料とする乳酸の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】生ゴミ、残飯、食品工場等から発生する有機廃棄物の特徴は水分が多く嵩張ることである。そのため、処理には運搬、処理両方に必要以上にエネルギーとコストが必要である。一般にこれら有機廃棄物は可燃性ゴミと混合されて焼却されることが多いが、液だれや腐敗、異臭等の原因になったり、炉の温度を低くし、ダイオキシンの発生を促す問題も多い。一般の生ゴミは海洋投棄により処理されることもあるが、ロンドン条約の批准により、これは全面的に禁止されるはこびである。一方、これら有機廃棄物の有効利用法には飼料があるが、需給のバランスにおいて圧倒的に供給量が多く、有効な処理利用方法となっていない。
【０００３】これまでに、これら有機廃棄物の処理有効利用法として研究されてきた中で最も多いのがコンポスト化を中心とした有機肥料の製造である。しかし、特に都市部では肥料の供給先を探すのが困難であり、また、有機肥料そのものの付加価値も高くなく、有効な有機廃棄物利用法にはなっていない。一方、メタン発酵はすでに確立された有機廃棄物処理法であり、エネルギーの回収が可能な処理方法であるが、処理速度が低く施設が大きくなる点や小さな施設ではメタンの有効な回収が困難である点が問題点となる。
【０００４】いずれにせよ、有機廃棄物を処理するだけならもっと廉価に処理される必要があるし、有効に利用するためにはもっと付加価値の高い製品が製造できる方法を開発する必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は生ゴミや残飯等の有機廃棄物を原料にして高い選択性と濃度で乳酸を廉価に生成させ、更には有機廃棄物の処理に必要なコストを軽減することが可能な有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記目的に沿う請求項１記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法は、有機廃棄物を主体とする原料を発酵させて弱酸性とする発酵工程と、弱酸性となった前記原料にアルカリ剤を添加してｐＨを上昇させるアルカリ剤添加工程とを繰り返している。請求項２記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法は、請求項１記載の乳酸の製造方法において、前記発酵工程は、閉じた空間内に通気せずに保持した状態で行っている。ここで、閉じた空間内に通気せずに保持した状態で行うのは、空気があってもなくても生きられる通性嫌気性菌である乳酸菌を選択的に増殖させるためである。すなわち、初期には少量の空気があり、アルカリ剤添加時には空気が入るため絶対嫌気性は保証されず、また、好気状態でもないため、メタン細菌のような絶対嫌気性菌やカビのような好気性菌の繁殖を抑えることができる。請求項３記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法は、請求項１又は２記載の乳酸の製造方法の前記アルカリ剤添加工程において、前記アルカリ剤を添加して前記原料のｐＨを６〜１０、更に好ましくはｐＨを６〜８の範囲としている。ここで、ｐＨを６〜１０、好ましくはｐＨを６〜８とするのは、一般に菌は低ｐＨでは活性が悪く、乳酸菌の活性も悪い。また、澱粉を乳酸菌の栄養となる糖に加水分解する加水分解菌の働きも低ｐＨで活性化せず、時々ｐＨを上げることによって活性化するためである。
【０００７】請求項４記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法は、請求項１〜３の何れか１項に記載の乳酸の製造方法において、前記原料は、家庭、外食産業、自治体、給食センター、食堂若しくは病院等から排出される残飯を含む生ゴミ、及び／又は食品産業、発酵産業、畜肉産業若しくは漁港等から排出される有機廃棄物からなって、有機廃棄物は液状、半固形状又は固形状のいずれの形状でもよい。
【０００８】請求項５記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法は、請求項１〜４の何れか１項に記載の乳酸の製造方法において、ｐＨ上昇用の前記アルカリ剤としてアンモニア水、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化カリウム、炭酸カルシウムの何れか１を用いている。請求項６記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法は、請求項１〜５の何れか１項に記載の乳酸の製造方法において、前記発酵工程の操作温度は、１０℃〜５０℃の範囲、更に好ましくは２０〜４５℃の範囲で行っている。これは操作温度が１０℃未満では乳酸菌の活動が悪く、５０℃を超えると次第に死滅してしまうからであり、２０〜４５℃で乳酸の生産を高く維持できるためである。
【０００９】請求項７記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法は、請求項１〜６の何れか１項に記載の乳酸の製造方法において、前記有機廃棄物からなる原料が固形の場合、有機廃棄物１重量に対し水を０．２〜５重量、更に好ましくは水を０．５〜２重量添加している。これは、有機廃棄物１重量に対し水が０．２より下では水分が少なすぎて有機廃棄物の混練状態が悪く、乳酸菌が作用し難く、５重量より多いと水が多すぎて乳酸菌の濃度が少なすぎて乳酸菌の活性が悪くなるためである。有機廃棄物がペースト状、液状の場合には水分を添加しなくてもよいが、有機廃棄物の固形分１に対して、水分を０．２〜５重量になるように、水分を添加するのが好ましい。
【００１０】請求項８記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法は、請求項１〜７の何れか１項に記載の乳酸の製造方法において、前記有機廃棄物からなる原料中に自然状態で乳酸菌が不在、あるいは微量の場合には、予め所定の乳酸菌を入れている。そして、請求項９記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法は、請求項１〜８の何れか１項に記載の乳酸の製造方法において、前記原料を攪拌しながら行っている。ここで、アルカリ剤添加工程において原料を攪拌するのはアルカリ剤を全体に混ぜるためであり、発酵工程において攪拌するのは、原料となる有機廃棄物を攪拌することにより、乳酸菌及び、加水分解菌等の菌が原料に混ざり、乳酸菌の増殖が速まるためであるが、発酵工程においては、原料を攪拌しないことも可能である。
【００１１】本発明は乳酸を廉価で製作するために具体的には、１．自然な乳酸菌を利用すること、２．特殊な工夫を装置にもたせないこと、３．蒸気滅菌等の滅菌処理を行わないことを挙げている。本発明の乳酸の製造方法は、有機廃棄物中に生成する酸によるｐＨの低下とその後のアルカリ剤添加によるｐＨ上昇操作の繰り返しを特徴とする。この操作により有機廃棄物のｐＨは低いｐＨと中性付近を行き来するため、広いｐＨ範囲で生育できる菌種が生き残ることになる。大腸菌群やクロストリジア群のように病原性のある微生物は低ｐＨで生存できず、衰退していく。一方、乳酸菌は栄養要求性が高く、増殖速度は速いが単純な培地では培養が難しい欠点がある。しかし、有機廃棄物はもともと食品であったものが多く、富栄養であることが多い。したがって、上記操作を行えば、有機廃棄物の菌叢はやがて広いｐＨ範囲で生育の可能な乳酸菌によって支配されることが予想できる。さらに、発酵初期には加水分解菌等の様々な菌が有機高分子を消化するため、単一の乳酸菌を植菌するよりも高いパーフォーマンスで乳酸が製造できるものと考える。
【００１２】一般に乳酸菌は広く環境に分布しているため、特別に乳酸菌を添加する必要はないが、万一、乳酸菌が含まれない環境においては、広いｐＨ範囲で生育できる乳酸菌を予め添加することも有効な方法である。しかし、これら乳酸菌は他の微生物より一般に増殖速度が早いため、特別に滅菌処理を施す必要はない。また、ｐＨを振幅させる以外に特別な工夫は必要としない。
【００１３】上記操作を行った場合、最終的に優先となる乳酸菌としてはＬｅｕｃｏｎｏｓｔｏｃ ｍｅｓｓｅｎ，Ｌｅｕｃｏｎｏｓｔｏｃ ｓｕｂｓｐ，Ｌｅｕｃｏｎｏｓｔｏｃ ｍｅｓｅｎｔｅｒｏｉｄｅｓ，Ｌｅｕｃｏｎｏｓｔｏｃ ｄｅｘｔｒａｎｉｃｕｍ，Ｌｅｕｃｏｎｏｓｔｏｃ ｃｉｔｒｅｕｍ，Ｌｅｕｃｏｎｏｓｔｏｃ ｌａｃｔｉｓ，Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｆｅｒｍｅｎｔｕｍ，Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｐｌａｎｔａｒｕｍ，Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓｂｒｅｖｉｓ，Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｒａｍｎｏｓｕｓ，Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｐａｒａｃａｓｅｉ，Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｄｅｌｂｌｕｅｃｋｉｉ，Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｌａｃｔｉｓ等が挙げられる。本発明においては有機廃棄物にこれら乳酸菌が自然に含まれていることが好ましい。
【００１４】本発明は広い温度範囲、ある程度の浸透圧（塩分濃度）でも乳酸の生成が認められるが、これは上記乳酸菌のごとく、それぞれの条件で優先種となる乳酸菌種は異なっても乳酸菌群が優先種になると考えられるからである。
【００１５】本発明において、有機廃棄物の組成としては乳酸の基質となる糖と乳酸菌の栄養成分が必要であり、さらには、栄養のバランスが取れていることが必要である。具体的には有機成分中の炭素と窒素の割合であるＣ／Ｎが１０〜５０であることが望ましい。この範囲は一般的に生ゴミや残飯等有機廃棄物のＣ／Ｎ比にあたる。
【００１６】
【実施例】本発明を説明する実施例を以下に示す。なお、本発明は以下の実施例のみに限られるものではない。
【００１７】（実施例１）実験は飯塚市の小中学校全体を対象に給食を供給している給食センターから排出される給食残飯を用いた。実験には９０リットルのステンレス性タンクを用いた。温度は３７℃に制御した。酸の生成によりｐＨが低下するが、ｐＨは１２時間毎に２５％アンモニア水を添加してｐＨ７まで上昇させた。ｐＨ調整時にはタンク内を攪拌したがそれ以外は攪拌しなかった。この操作を実験終了まで繰り返した。実験に先立ち、残飯を輸送しやすいよう粉砕し、ポンプでタンクに入れた。特別に乳酸発酵用の微生物は添加しなかった。蒸気滅菌も施さなかった。タンク内で容積が３０リットルになるよう水を加えた。このときゴミと水の割合はごみ１に対して水０．２〜５重量の条件を満たす。タンクは閉じ、特別に通気することはなかった。また、特別にタンク上部を窒素ガスで置換することもなかった。実験は６回行った。それぞれの給食の献立を示す。
Ｎｏ．１ カツ丼、高菜漬け、カレースパゲッティー、フルーツミックスＮｏ．２ 焼き鳥、チャンポン、羽衣ピーナッツＮｏ．３ シーチキンご飯、肉団子の甘酢あんＮｏ．４ ご飯、高菜漬け、味噌汁、焼肉風煮Ｎｏ．５ ジャンボ手巻きおむすび、すまし汁、じゃがいもと豚肉の揚げからめＮｏ．６ 牛丼、かます天ぷら
【００１８】（実験結果１）反応７２時間後に生成した有機酸のほとんどは乳酸で、その濃度は２９．３±４．８ｇ／リットルであった。その他に生成した有機酸には酢酸、プロピオン酸、蟻酸、酪酸が検出されたが総有機酸あたりの乳酸の選択率は８８．９％以上であった。残飯の組成は任意で調整不可能であったにもかかわらず、本発明を用いれば、１）特別な乳酸菌の添加なしに、２）ｐＨを４程度（反応の進行により斬増する）と７の間を振幅させるだけで、３）蒸気滅菌操作なしに、高い乳酸濃度と高い選択率で乳酸を製造できることがわかる。
【００１９】
【表１】
【００２０】この発酵残飯をこのまま１６０時間以上放置しても乳酸濃度の低下も選択率の低下も見られなかった。菌叢を検討したところ、反応７２時間以降、乳酸菌数は１０9 ／ミリリットル以上、乳酸以外の酸、特に異臭の原因になる酪酸を生成させるクロストリジア群は１０／ミリリットル以下であることが確認された。一般菌数も１０9 ／ミリリットル程度であったので、乳酸菌が優先種になっていることが確認できた。
【００２１】（実施例２）次に、ｐＨをＰＩＤ制御によって７に定値制御することを試みた。ｐＨの制御以外は実施例１の実験方法に同じである。この実験に用いた残飯を得た献立を以下に示す。
Ｎｏ．７ ねじりパン、雑煮、フルーツミックス
【００２２】（実験結果２）この場合、反応７２時間後の乳酸濃度は２５ｇ／リットルであったが、総有機酸あたりの乳酸選択率は７１％と低かった。また、酪酸が３ｇ／リットルも生成されており、異臭があった。
【００２３】
【表２】
【００２４】一方、この発酵残飯を１６０時間以上放置すると乳酸濃度は５ｇ／リットルまで激滅した。これに呼応して、乳酸菌数は１０7 ／ミリリットルと実施例１の１／１００まで激滅し、かわってクロストリジア群が１０7 ／ミリリットル以上に増殖した。これにより酪酸が蓄積され、発酵残飯はがまんならない悪臭を発生させた。
【００２５】これはｐＨを低下させなかったため、クロストリジア群が増殖できたためと考えられる。このような弊害は本発明によるｐＨの振幅によって容易に除去できることが実施例１によって示される。
【００２６】（実施例３）次に、ｐＨの制御をいっさい行わない実験を検討した。この際、ｐＨの調整を行わない以外は実施例１の実験方法に同じである。このときの残飯を得た献立を以下に示す。
Ｎｏ．８ カレーライス、ほうれん草ソテー
【００２７】（実験結果３）この場合、反応７２時間後の乳酸濃度は８．０ｇ／リットルであった。総有機酸あたりの乳酸選択率は８２％あったが、乳酸生産性は実施例１のわずか２７％しかなかった。
【００２８】
【表３】
【００２９】この発酵残飯をこのまま１６０時間以上放置しても乳酸濃度の低下も選択率の低下も見られなかった。菌叢を検討したところ、実施例１と同様反応７２時間以降、乳酸菌数は１０8 ／ミリリットル以上、乳酸以外の酸、特に異臭の原因になる酪酸を生成させるクロストリジア群は１０／ミリリット以下であることが確認された。この場合も乳酸菌が優先種になっていることが確認できた。
【００３０】この結果はｐＨを常に低いレベルに維持することにより、悪臭の原因となる酪酸の蓄積を防止できることを意味しているが、乳酸の生産性は非常に低く、実施例１に示す本発明の有効性を示す。
【００３１】（実施例４）次に、反応温度を４５℃に設定した以外は実施例１と同様の実験を実施した。このとき利用した残飯を得た献立を以下に示す。
Ｎｏ．９ 減量ソフトフランスパン、マイルドチーズ、きつねうどん、肉団子の甘酢あん
【００３２】（実験結果４）反応７２時間後に生成した有機酸のほとんどは乳酸で、その濃度は３３．５ｇ／リットルであった。その他に生成した有機酸には酢酸、プロピオン酸、蟻酸、酪酸が検出されたが総有機酸あたりの乳酸の選択率は９３％であった。
【００３３】
【表４】
【００３４】この発酵残飯をこのまま１６０時間以上放置しても乳酸濃度の低下も選択率の低下も見られなかった。菌叢を検討したところ、反応７２時間以降、乳酸菌数は１０9 ／ミリリットル以上、乳酸以外の酸、クロストリジア群は１０／ミリリット以下であることが確認された。一般菌数も１０9 ／ミリリットル程度であったので、乳酸菌が優先種になっていることが確認できた。
【００３５】この結果、本発明が４５℃の操作温度でも有効であることが示された。
【００３６】（実施例５）次に、反応温度を２０℃に設定した以外は実施例１と同様の実験を実施した。このとき利用した残飯を得た献立を以下に示す。
Ｎｏ．１０ ワンローフパン、魚のプロバンスソースかけ、コーンスープ
【００３７】（実験結果５）反応７２時間後に生成した有機酸のほとんどは乳酸で、その濃度は２９．０ｇ／リットルであった。その他に生成した有機酸には酢酸、プロピオン酸、蟻酸、酪酸が検出されたが総有機酸あたりの乳酸の選択率は９０％であった。
【００３８】
【表５】
【００３９】この発酵残飯をこのまま１６０時間以上放置しても乳酸濃度の低下も選択率の低下も見られなかった。菌叢を検討したところ、反応７２時間以降、乳酸菌数は１０9 ／ミリリットル以上、乳酸以外の酸、クロストリジア群は１０／ミリリット以下であることが確認された。一般菌数も１０9 ／ミリリットル程度であったので、乳酸菌が優先種になっていることが確認できた。
【００４０】この結果、本発明が２０℃の操作温度でも有効であることが示された。
【００４１】上記実施例においては、アルカリ剤添加時にのみ攪拌したが、発酵工程においても軽く攪拌すると発酵が促進され、乳酸の生成が促進される。上記実施例においては、廉価で乳酸を精製するのに便利なので、アンモニア水を用いたが水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化カリウム、炭酸カルシウムの何れか１を用いてもよいし、アルカリ剤であれば、何でも使用できる。また、上記実施例においては１２時間おきにｐＨの調整をしたが、乳酸濃度の低下次第で６〜２４時間おき、場合によっては、１〜４８時間おきにアルカリ剤を添加してｐＨの調整をすることも可能である。上記実施例においては、有機廃棄物を主体とする原料として給食センターから排出される給食残飯を用いたが、家庭、外食産業、自治体、給食センター、食堂若しくは病院等から排出される残飯を含む生ゴミ、及び／又は食品産業、発酵産業、畜肉産業若しくは漁港等から排出される有機廃棄物の何れか１あるいは２以上を原料として、本発明を実施することも可能である。また、上記実施例においては乳酸菌は添加しなかったが、乳酸が不在あるいは少ない場合には乳酸菌を添加することも本発明方法に含まれる。
【００４２】
【発明の効果】請求項１〜９記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法により、家庭、外食産業、自治体、給食センター、食堂若しくは病院等から排出される残飯を含む生ゴミ、及び／又は食品産業、発酵産業、畜肉産業若しくは漁港等から排出される有機廃棄物の液状、半固形状、固形のいずれをも原料にして、自然な乳酸菌を利用して、特殊な工夫を装置にもたせず、また、蒸気滅菌等の特殊な装置を用いず廉価に、付加価値の高い乳酸を製造できることとなった。また、大量に廃棄され、処理にもコストがかかる有機廃棄物の有効利用及び処理に貢献することとなった。
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、微生物による有機廃棄物からの乳酸の製造法に関り、特に有機廃棄物を主原料とする乳酸の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】生ゴミ、残飯、食品工場等から発生する有機廃棄物の特徴は水分が多く嵩張ることである。そのため、処理には運搬、処理両方に必要以上にエネルギーとコストが必要である。一般にこれら有機廃棄物は可燃性ゴミと混合されて焼却されることが多いが、液だれや腐敗、異臭等の原因になったり、炉の温度を低くし、ダイオキシンの発生を促す問題も多い。一般の生ゴミは海洋投棄により処理されることもあるが、ロンドン条約の批准により、これは全面的に禁止されるはこびである。一方、これら有機廃棄物の有効利用法には飼料があるが、需給のバランスにおいて圧倒的に供給量が多く、有効な処理利用方法となっていない。
【０００３】これまでに、これら有機廃棄物の処理有効利用法として研究されてきた中で最も多いのがコンポスト化を中心とした有機肥料の製造である。しかし、特に都市部では肥料の供給先を探すのが困難であり、また、有機肥料そのものの付加価値も高くなく、有効な有機廃棄物利用法にはなっていない。一方、メタン発酵はすでに確立された有機廃棄物処理法であり、エネルギーの回収が可能な処理方法であるが、処理速度が低く施設が大きくなる点や小さな施設ではメタンの有効な回収が困難である点が問題点となる。
【０００４】いずれにせよ、有機廃棄物を処理するだけならもっと廉価に処理される必要があるし、有効に利用するためにはもっと付加価値の高い製品が製造できる方法を開発する必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は生ゴミや残飯等の有機廃棄物を原料にして高い選択性と濃度で乳酸を廉価に生成させ、更には有機廃棄物の処理に必要なコストを軽減することが可能な有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記目的に沿う請求項１記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法は、有機廃棄物を主体とする原料を発酵させて弱酸性とする発酵工程と、弱酸性となった前記原料にアルカリ剤を添加してｐＨを上昇させるアルカリ剤添加工程とを繰り返している。請求項２記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法は、請求項１記載の乳酸の製造方法において、前記発酵工程は、閉じた空間内に通気せずに保持した状態で行っている。ここで、閉じた空間内に通気せずに保持した状態で行うのは、空気があってもなくても生きられる通性嫌気性菌である乳酸菌を選択的に増殖させるためである。すなわち、初期には少量の空気があり、アルカリ剤添加時には空気が入るため絶対嫌気性は保証されず、また、好気状態でもないため、メタン細菌のような絶対嫌気性菌やカビのような好気性菌の繁殖を抑えることができる。請求項３記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法は、請求項１又は２記載の乳酸の製造方法の前記アルカリ剤添加工程において、前記アルカリ剤を添加して前記原料のｐＨを６〜１０、更に好ましくはｐＨを６〜８の範囲としている。ここで、ｐＨを６〜１０、好ましくはｐＨを６〜８とするのは、一般に菌は低ｐＨでは活性が悪く、乳酸菌の活性も悪い。また、澱粉を乳酸菌の栄養となる糖に加水分解する加水分解菌の働きも低ｐＨで活性化せず、時々ｐＨを上げることによって活性化するためである。
【０００７】請求項４記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法は、請求項１〜３の何れか１項に記載の乳酸の製造方法において、前記原料は、家庭、外食産業、自治体、給食センター、食堂若しくは病院等から排出される残飯を含む生ゴミ、及び／又は食品産業、発酵産業、畜肉産業若しくは漁港等から排出される有機廃棄物からなって、有機廃棄物は液状、半固形状又は固形状のいずれの形状でもよい。
【０００８】請求項５記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法は、請求項１〜４の何れか１項に記載の乳酸の製造方法において、ｐＨ上昇用の前記アルカリ剤としてアンモニア水、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化カリウム、炭酸カルシウムの何れか１を用いている。請求項６記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法は、請求項１〜５の何れか１項に記載の乳酸の製造方法において、前記発酵工程の操作温度は、１０℃〜５０℃の範囲、更に好ましくは２０〜４５℃の範囲で行っている。これは操作温度が１０℃未満では乳酸菌の活動が悪く、５０℃を超えると次第に死滅してしまうからであり、２０〜４５℃で乳酸の生産を高く維持できるためである。
【０００９】請求項７記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法は、請求項１〜６の何れか１項に記載の乳酸の製造方法において、前記有機廃棄物からなる原料が固形の場合、有機廃棄物１重量に対し水を０．２〜５重量、更に好ましくは水を０．５〜２重量添加している。これは、有機廃棄物１重量に対し水が０．２より下では水分が少なすぎて有機廃棄物の混練状態が悪く、乳酸菌が作用し難く、５重量より多いと水が多すぎて乳酸菌の濃度が少なすぎて乳酸菌の活性が悪くなるためである。有機廃棄物がペースト状、液状の場合には水分を添加しなくてもよいが、有機廃棄物の固形分１に対して、水分を０．２〜５重量になるように、水分を添加するのが好ましい。
【００１０】請求項８記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法は、請求項１〜７の何れか１項に記載の乳酸の製造方法において、前記有機廃棄物からなる原料中に自然状態で乳酸菌が不在、あるいは微量の場合には、予め所定の乳酸菌を入れている。そして、請求項９記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法は、請求項１〜８の何れか１項に記載の乳酸の製造方法において、前記原料を攪拌しながら行っている。ここで、アルカリ剤添加工程において原料を攪拌するのはアルカリ剤を全体に混ぜるためであり、発酵工程において攪拌するのは、原料となる有機廃棄物を攪拌することにより、乳酸菌及び、加水分解菌等の菌が原料に混ざり、乳酸菌の増殖が速まるためであるが、発酵工程においては、原料を攪拌しないことも可能である。
【００１１】本発明は乳酸を廉価で製作するために具体的には、１．自然な乳酸菌を利用すること、２．特殊な工夫を装置にもたせないこと、３．蒸気滅菌等の滅菌処理を行わないことを挙げている。本発明の乳酸の製造方法は、有機廃棄物中に生成する酸によるｐＨの低下とその後のアルカリ剤添加によるｐＨ上昇操作の繰り返しを特徴とする。この操作により有機廃棄物のｐＨは低いｐＨと中性付近を行き来するため、広いｐＨ範囲で生育できる菌種が生き残ることになる。大腸菌群やクロストリジア群のように病原性のある微生物は低ｐＨで生存できず、衰退していく。一方、乳酸菌は栄養要求性が高く、増殖速度は速いが単純な培地では培養が難しい欠点がある。しかし、有機廃棄物はもともと食品であったものが多く、富栄養であることが多い。したがって、上記操作を行えば、有機廃棄物の菌叢はやがて広いｐＨ範囲で生育の可能な乳酸菌によって支配されることが予想できる。さらに、発酵初期には加水分解菌等の様々な菌が有機高分子を消化するため、単一の乳酸菌を植菌するよりも高いパーフォーマンスで乳酸が製造できるものと考える。
【００１２】一般に乳酸菌は広く環境に分布しているため、特別に乳酸菌を添加する必要はないが、万一、乳酸菌が含まれない環境においては、広いｐＨ範囲で生育できる乳酸菌を予め添加することも有効な方法である。しかし、これら乳酸菌は他の微生物より一般に増殖速度が早いため、特別に滅菌処理を施す必要はない。また、ｐＨを振幅させる以外に特別な工夫は必要としない。
【００１３】上記操作を行った場合、最終的に優先となる乳酸菌としてはＬｅｕｃｏｎｏｓｔｏｃ ｍｅｓｓｅｎ，Ｌｅｕｃｏｎｏｓｔｏｃ ｓｕｂｓｐ，Ｌｅｕｃｏｎｏｓｔｏｃ ｍｅｓｅｎｔｅｒｏｉｄｅｓ，Ｌｅｕｃｏｎｏｓｔｏｃ ｄｅｘｔｒａｎｉｃｕｍ，Ｌｅｕｃｏｎｏｓｔｏｃ ｃｉｔｒｅｕｍ，Ｌｅｕｃｏｎｏｓｔｏｃ ｌａｃｔｉｓ，Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｆｅｒｍｅｎｔｕｍ，Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｐｌａｎｔａｒｕｍ，Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓｂｒｅｖｉｓ，Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｒａｍｎｏｓｕｓ，Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｐａｒａｃａｓｅｉ，Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｄｅｌｂｌｕｅｃｋｉｉ，Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｌａｃｔｉｓ等が挙げられる。本発明においては有機廃棄物にこれら乳酸菌が自然に含まれていることが好ましい。
【００１４】本発明は広い温度範囲、ある程度の浸透圧（塩分濃度）でも乳酸の生成が認められるが、これは上記乳酸菌のごとく、それぞれの条件で優先種となる乳酸菌種は異なっても乳酸菌群が優先種になると考えられるからである。
【００１５】本発明において、有機廃棄物の組成としては乳酸の基質となる糖と乳酸菌の栄養成分が必要であり、さらには、栄養のバランスが取れていることが必要である。具体的には有機成分中の炭素と窒素の割合であるＣ／Ｎが１０〜５０であることが望ましい。この範囲は一般的に生ゴミや残飯等有機廃棄物のＣ／Ｎ比にあたる。
【００１６】
【実施例】本発明を説明する実施例を以下に示す。なお、本発明は以下の実施例のみに限られるものではない。
【００１７】（実施例１）実験は飯塚市の小中学校全体を対象に給食を供給している給食センターから排出される給食残飯を用いた。実験には９０リットルのステンレス性タンクを用いた。温度は３７℃に制御した。酸の生成によりｐＨが低下するが、ｐＨは１２時間毎に２５％アンモニア水を添加してｐＨ７まで上昇させた。ｐＨ調整時にはタンク内を攪拌したがそれ以外は攪拌しなかった。この操作を実験終了まで繰り返した。実験に先立ち、残飯を輸送しやすいよう粉砕し、ポンプでタンクに入れた。特別に乳酸発酵用の微生物は添加しなかった。蒸気滅菌も施さなかった。タンク内で容積が３０リットルになるよう水を加えた。このときゴミと水の割合はごみ１に対して水０．２〜５重量の条件を満たす。タンクは閉じ、特別に通気することはなかった。また、特別にタンク上部を窒素ガスで置換することもなかった。実験は６回行った。それぞれの給食の献立を示す。
Ｎｏ．１ カツ丼、高菜漬け、カレースパゲッティー、フルーツミックスＮｏ．２ 焼き鳥、チャンポン、羽衣ピーナッツＮｏ．３ シーチキンご飯、肉団子の甘酢あんＮｏ．４ ご飯、高菜漬け、味噌汁、焼肉風煮Ｎｏ．５ ジャンボ手巻きおむすび、すまし汁、じゃがいもと豚肉の揚げからめＮｏ．６ 牛丼、かます天ぷら
【００１８】（実験結果１）反応７２時間後に生成した有機酸のほとんどは乳酸で、その濃度は２９．３±４．８ｇ／リットルであった。その他に生成した有機酸には酢酸、プロピオン酸、蟻酸、酪酸が検出されたが総有機酸あたりの乳酸の選択率は８８．９％以上であった。残飯の組成は任意で調整不可能であったにもかかわらず、本発明を用いれば、１）特別な乳酸菌の添加なしに、２）ｐＨを４程度（反応の進行により斬増する）と７の間を振幅させるだけで、３）蒸気滅菌操作なしに、高い乳酸濃度と高い選択率で乳酸を製造できることがわかる。
【００１９】
【表１】
【００２０】この発酵残飯をこのまま１６０時間以上放置しても乳酸濃度の低下も選択率の低下も見られなかった。菌叢を検討したところ、反応７２時間以降、乳酸菌数は１０9 ／ミリリットル以上、乳酸以外の酸、特に異臭の原因になる酪酸を生成させるクロストリジア群は１０／ミリリットル以下であることが確認された。一般菌数も１０9 ／ミリリットル程度であったので、乳酸菌が優先種になっていることが確認できた。
【００２１】（実施例２）次に、ｐＨをＰＩＤ制御によって７に定値制御することを試みた。ｐＨの制御以外は実施例１の実験方法に同じである。この実験に用いた残飯を得た献立を以下に示す。
Ｎｏ．７ ねじりパン、雑煮、フルーツミックス
【００２２】（実験結果２）この場合、反応７２時間後の乳酸濃度は２５ｇ／リットルであったが、総有機酸あたりの乳酸選択率は７１％と低かった。また、酪酸が３ｇ／リットルも生成されており、異臭があった。
【００２３】
【表２】
【００２４】一方、この発酵残飯を１６０時間以上放置すると乳酸濃度は５ｇ／リットルまで激滅した。これに呼応して、乳酸菌数は１０7 ／ミリリットルと実施例１の１／１００まで激滅し、かわってクロストリジア群が１０7 ／ミリリットル以上に増殖した。これにより酪酸が蓄積され、発酵残飯はがまんならない悪臭を発生させた。
【００２５】これはｐＨを低下させなかったため、クロストリジア群が増殖できたためと考えられる。このような弊害は本発明によるｐＨの振幅によって容易に除去できることが実施例１によって示される。
【００２６】（実施例３）次に、ｐＨの制御をいっさい行わない実験を検討した。この際、ｐＨの調整を行わない以外は実施例１の実験方法に同じである。このときの残飯を得た献立を以下に示す。
Ｎｏ．８ カレーライス、ほうれん草ソテー
【００２７】（実験結果３）この場合、反応７２時間後の乳酸濃度は８．０ｇ／リットルであった。総有機酸あたりの乳酸選択率は８２％あったが、乳酸生産性は実施例１のわずか２７％しかなかった。
【００２８】
【表３】
【００２９】この発酵残飯をこのまま１６０時間以上放置しても乳酸濃度の低下も選択率の低下も見られなかった。菌叢を検討したところ、実施例１と同様反応７２時間以降、乳酸菌数は１０8 ／ミリリットル以上、乳酸以外の酸、特に異臭の原因になる酪酸を生成させるクロストリジア群は１０／ミリリット以下であることが確認された。この場合も乳酸菌が優先種になっていることが確認できた。
【００３０】この結果はｐＨを常に低いレベルに維持することにより、悪臭の原因となる酪酸の蓄積を防止できることを意味しているが、乳酸の生産性は非常に低く、実施例１に示す本発明の有効性を示す。
【００３１】（実施例４）次に、反応温度を４５℃に設定した以外は実施例１と同様の実験を実施した。このとき利用した残飯を得た献立を以下に示す。
Ｎｏ．９ 減量ソフトフランスパン、マイルドチーズ、きつねうどん、肉団子の甘酢あん
【００３２】（実験結果４）反応７２時間後に生成した有機酸のほとんどは乳酸で、その濃度は３３．５ｇ／リットルであった。その他に生成した有機酸には酢酸、プロピオン酸、蟻酸、酪酸が検出されたが総有機酸あたりの乳酸の選択率は９３％であった。
【００３３】
【表４】
【００３４】この発酵残飯をこのまま１６０時間以上放置しても乳酸濃度の低下も選択率の低下も見られなかった。菌叢を検討したところ、反応７２時間以降、乳酸菌数は１０9 ／ミリリットル以上、乳酸以外の酸、クロストリジア群は１０／ミリリット以下であることが確認された。一般菌数も１０9 ／ミリリットル程度であったので、乳酸菌が優先種になっていることが確認できた。
【００３５】この結果、本発明が４５℃の操作温度でも有効であることが示された。
【００３６】（実施例５）次に、反応温度を２０℃に設定した以外は実施例１と同様の実験を実施した。このとき利用した残飯を得た献立を以下に示す。
Ｎｏ．１０ ワンローフパン、魚のプロバンスソースかけ、コーンスープ
【００３７】（実験結果５）反応７２時間後に生成した有機酸のほとんどは乳酸で、その濃度は２９．０ｇ／リットルであった。その他に生成した有機酸には酢酸、プロピオン酸、蟻酸、酪酸が検出されたが総有機酸あたりの乳酸の選択率は９０％であった。
【００３８】
【表５】
【００３９】この発酵残飯をこのまま１６０時間以上放置しても乳酸濃度の低下も選択率の低下も見られなかった。菌叢を検討したところ、反応７２時間以降、乳酸菌数は１０9 ／ミリリットル以上、乳酸以外の酸、クロストリジア群は１０／ミリリット以下であることが確認された。一般菌数も１０9 ／ミリリットル程度であったので、乳酸菌が優先種になっていることが確認できた。
【００４０】この結果、本発明が２０℃の操作温度でも有効であることが示された。
【００４１】上記実施例においては、アルカリ剤添加時にのみ攪拌したが、発酵工程においても軽く攪拌すると発酵が促進され、乳酸の生成が促進される。上記実施例においては、廉価で乳酸を精製するのに便利なので、アンモニア水を用いたが水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化カリウム、炭酸カルシウムの何れか１を用いてもよいし、アルカリ剤であれば、何でも使用できる。また、上記実施例においては１２時間おきにｐＨの調整をしたが、乳酸濃度の低下次第で６〜２４時間おき、場合によっては、１〜４８時間おきにアルカリ剤を添加してｐＨの調整をすることも可能である。上記実施例においては、有機廃棄物を主体とする原料として給食センターから排出される給食残飯を用いたが、家庭、外食産業、自治体、給食センター、食堂若しくは病院等から排出される残飯を含む生ゴミ、及び／又は食品産業、発酵産業、畜肉産業若しくは漁港等から排出される有機廃棄物の何れか１あるいは２以上を原料として、本発明を実施することも可能である。また、上記実施例においては乳酸菌は添加しなかったが、乳酸が不在あるいは少ない場合には乳酸菌を添加することも本発明方法に含まれる。
【００４２】
【発明の効果】請求項１〜９記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法により、家庭、外食産業、自治体、給食センター、食堂若しくは病院等から排出される残飯を含む生ゴミ、及び／又は食品産業、発酵産業、畜肉産業若しくは漁港等から排出される有機廃棄物の液状、半固形状、固形のいずれをも原料にして、自然な乳酸菌を利用して、特殊な工夫を装置にもたせず、また、蒸気滅菌等の特殊な装置を用いず廉価に、付加価値の高い乳酸を製造できることとなった。また、大量に廃棄され、処理にもコストがかかる有機廃棄物の有効利用及び処理に貢献することとなった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 有機廃棄物を主体とする原料を発酵させて弱酸性とする発酵工程と、弱酸性となった前記原料にアルカリ剤を添加してｐＨを上昇させるアルカリ剤添加工程とを繰り返すことを特徴とする有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法。
【請求項２】 前記発酵工程は、閉じた空間内に通気せずに保持した状態で行う請求項１記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法。
【請求項３】 前記アルカリ剤添加工程において、前記アルカリ剤を添加して前記原料のｐＨを６〜１０の範囲とする請求項１又は２記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法。
【請求項４】 前記原料は、家庭、外食産業、自治体、給食センター、食堂若しくは病院等から排出される残飯を含む生ゴミ、及び／又は食品産業、発酵産業、畜肉産業若しくは漁港等から排出される有機廃棄物からなる請求項１〜３の何れか１項に記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法。
【請求項５】 ｐＨ上昇用の前記アルカリ剤としてアンモニア水、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化カリウム、炭酸カルシウムの何れか１を用いる請求項１〜４の何れか１項に記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法。
【請求項６】 前記発酵工程の操作温度は、１０℃〜５０℃の範囲で行う請求項１〜５の何れか１項に記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法。
【請求項７】 前記有機廃棄物からなる原料が固形の場合、有機廃棄物１重量に対し水を０．２〜５重量添加する請求項１〜６の何れか１項に記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法。
【請求項８】 前記有機廃棄物からなる原料中に自然状態で乳酸菌が不在、あるいは微量の場合には、予め所定の乳酸菌を入れる請求項１〜７の何れか１項に記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法。
【請求項９】 前記原料を攪拌しながら行う請求項１〜８の何れか１項に記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法。
【請求項１】 有機廃棄物を主体とする原料を発酵させて弱酸性とする発酵工程と、弱酸性となった前記原料にアルカリ剤を添加してｐＨを上昇させるアルカリ剤添加工程とを繰り返すことを特徴とする有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法。
【請求項２】 前記発酵工程は、閉じた空間内に通気せずに保持した状態で行う請求項１記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法。
【請求項３】 前記アルカリ剤添加工程において、前記アルカリ剤を添加して前記原料のｐＨを６〜１０の範囲とする請求項１又は２記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法。
【請求項４】 前記原料は、家庭、外食産業、自治体、給食センター、食堂若しくは病院等から排出される残飯を含む生ゴミ、及び／又は食品産業、発酵産業、畜肉産業若しくは漁港等から排出される有機廃棄物からなる請求項１〜３の何れか１項に記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法。
【請求項５】 ｐＨ上昇用の前記アルカリ剤としてアンモニア水、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化カリウム、炭酸カルシウムの何れか１を用いる請求項１〜４の何れか１項に記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法。
【請求項６】 前記発酵工程の操作温度は、１０℃〜５０℃の範囲で行う請求項１〜５の何れか１項に記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法。
【請求項７】 前記有機廃棄物からなる原料が固形の場合、有機廃棄物１重量に対し水を０．２〜５重量添加する請求項１〜６の何れか１項に記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法。
【請求項８】 前記有機廃棄物からなる原料中に自然状態で乳酸菌が不在、あるいは微量の場合には、予め所定の乳酸菌を入れる請求項１〜７の何れか１項に記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法。
【請求項９】 前記原料を攪拌しながら行う請求項１〜８の何れか１項に記載の有機廃棄物を原料とする乳酸の製造方法。
【公開番号】特開平１１−２８５３９７
【公開日】平成１１年（１９９９）１０月１９日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１０−１０７０９７
【出願日】平成１０年（１９９８）４月１日
【出願人】（５９１２０７４１５）環境テクノス株式会社 (2)
【出願人】（３９６０２０８００）科学技術振興事業団 (35)
【公開日】平成１１年（１９９９）１０月１９日
【国際特許分類】
【出願日】平成１０年（１９９８）４月１日
【出願人】（５９１２０７４１５）環境テクノス株式会社 (2)
【出願人】（３９６０２０８００）科学技術振興事業団 (35)
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