利用食品垃圾制造乳酸的方法

專利名稱：利用食品垃圾制造乳酸的方法
技術領域：
本發明涉及利用食品垃圾制造乳酸的方法。
更詳細地說，本發明涉及如下述利用食品垃圾制造乳酸的方法，即，在發酵罐內將食品垃圾維持在殺菌溫度后，利用微生物的發酵減少食品垃圾中所含的乳酸量。接著，通過將反應生成物供乳酸發酵使用而制得乳酸，在回收此乳酸的同時將回收后的反應槽再次調至殺菌溫度，供存放食品垃圾循環使用，如上述循環至少2個并行進行。
背景技術：
從食品垃圾的資源化來說，以食品垃圾作為原料的乳酸發酵法為有效的資源化方法。以利用乳酸發酵法生成的乳酸作為原料，合成聚乳酸，即一種可生物降解的塑料，將其加工成聚乳酸袋。利用這種聚乳酸袋收集食品垃圾，可使食品垃圾得到再利用。如上述由食品垃圾制造乳酸，將其作為可生物降解的塑料，即聚乳酸的原料進行利用的情況下，要求提供大量且廉價的乳酸。另外，乳酸最好為高光學純度。
以食品垃圾為原料進行乳酸發酵從而制造乳酸的方法中，由于生成的乳酸其立體結構決定于所使用的乳酸菌的種類，所以，從原理上說，制造高光學純度的乳酸是可能的，但實際上，以社區等回收的食品垃圾為原料進行乳酸發酵的情況下，例如即使是乳酸發酵的條件得到嚴格控制，但最終制造高光學純度的乳酸還是困難的。社區等所實施的垃圾處理工序中，食品垃圾是在家庭、工作場所等經過一定時間存放后被回收，運送到垃圾處理設施中的，食品垃圾在這樣的存放、輸送過程中，由于食品垃圾中所含細菌及周圍空氣中所存在的細菌的作用，就會自然地生成光學純度低的乳酸。另外，將食品垃圾運入乳酸發酵工廠的過程中，由于運入的時間和頻率是不定期的，工廠內，在食品垃圾被運入后到乳酸發酵開始的這段存放時間，也會由于腐敗而產生純度低的乳酸，因而最終導致光學純度降低。另外還有存放期間產生惡臭的問題。
而另一方面，處理如食品垃圾這樣的易腐敗物質的設施內，要求對用于乳酸發酵的產生純凈的高光學純度乳酸的菌進行嚴格管理，因此要求專業知識和技術，這就出現了成本上升的問題，從菌的管理方面考慮，則一般不用連續發酵法而采用分回發酵，從而避免雜菌污染帶來的恐懼。但，這種情況下，也要將不定期的且每天不斷地被運來的食品垃圾，不被耽擱地供給高光學純度發酵使用，這就必需設置極多的發酵罐。從空間及成本等方面考慮，難于實用化。
迄今為止，為了解決上述問題，制造高光學純度的乳酸，需要在垃圾回收的各個階段徹底進行雜菌的管理，在食品垃圾的來源處，即，家庭和工作場所采取殺菌和阻止微生物活動的措施。另外，例如，即使以上述方式經過殺菌處理，但因為是易腐敗的食品垃圾，所以有必要采取下述措施通過安排迅速的回收、在低溫條件下的存放和運送等，防止產生自然的乳酸。但是，做上述工作、實施上述措施，從成本、能源方面考慮，難于在實際中實行。
發明的公開本發明所要解決的課題為提供一種適合利用食品垃圾，穩定地、且低成本地制造高光學純度乳酸的方法，該方法可解決上述問題，特別適用于不定期且經過多日運來的食品垃圾。
為了解決上述課題，本發明者進行了深入的研究，結果發現，對于食品垃圾在家庭和工作場所存放期間以及往進行乳酸發酵的設施輸送期間所產生的乳酸，通過微生物的作用將其有選擇地消耗，在將食品垃圾供乳酸發酵之前，將其中的乳酸除去，能夠最終提高產生的乳酸的光學純度。并且，還發現，對于連日地、不定期且連續地運來的食品垃圾在存放過程中所出現的腐敗和防臭問題，可通過下述方式解決，即，食品垃圾運來后，立即放入發酵罐中，在將此發酵罐密閉的同時，進行加熱處理。另外還發現，為了使連日地運來的食品垃圾能不耽擱地提供給乳酸分批發酵利用，需要準備多個發酵罐，但發酵罐可以通過下述方法控制到最小數量，即，適當錯開在各發酵罐進行的反應工序的開始時間。此外，將發酵罐中使用的純菌經密閉的將各發酵罐連接的導管移動。即，在第1發酵罐中的發酵結束時，將該發酵罐中的食品垃圾發酵液的一部分移到第2發酵罐中，開始發酵，從而在環境污染方面，也可做到在沒有雜菌污染的條件下使乳酸發酵繼續進行。
即，本發明提供下述利用食品垃圾制造乳酸的方法。
本發明的第一個方面是，提供一種利用食品垃圾制造乳酸的方法，其特征在于，它包括第1循環和第2循環，第1循環包括工序a-1～工序f-1，第2循環包括與上述第1循環的各工序相對應的實質上相同的工序a-2～工序f-2。上述第1循環所包括的各工序為(a-1)將食品垃圾收集到第1發酵罐的工序、(b-1)將上述收集了食品垃圾的第1發酵罐內的溫度維持在可殺菌溫度的工序、(c-1)在經過了工序b-1的發酵罐內，利用微生物的發酵減少上述發酵罐內的乳酸量的工序、(d-1)在經過了工序c-1的發酵罐內進行乳酸發酵的工序、(e-1)將通過工序d-1的乳酸發酵而生成的乳酸從發酵罐回收的工序、及(f-1)在經過了工序e-1后的第1發酵罐中收集其它食品垃圾的工序、至此構成返回上述工序a-1的循環；上述第2循環所包括的各工序為(a-2)將食品垃圾收集到第2發酵罐的工序、(b-2)將上述收集了食品垃圾的第2發酵罐內的溫度維持在可殺菌溫度的工序、(c-2)在經過了工序b-2的發酵罐內，利用微生物的發酵減少上述發酵罐內的乳酸量的工序、(d-2)在經過了工序c-2的發酵罐內進行乳酸發酵的工序、(e-2)將通過工序d-2的乳酸發酵而生成的乳酸從發酵罐回收的工序、及(f-2)在經過工序e-2后的第2發酵罐中收集其它食品垃圾的工序、至此構成返回上述工序a-2的循環；上述第2循環中的工序a-2的開始時間比上述第1循環中的工序a-1的開始時間晚；上述工序c-2中用于進行發酵的微生物來自于上述工序c-1中利用微生物發酵的發酵液；且上述工序d-2中用于進行乳酸發酵的微生物來自于上述工序d-1中進行乳酸發酵的發酵液。
本發明的第二個方面是，提供具有下述特征的本發明的第1方面所述的利用食品垃圾制造乳酸的方法上述工序c-1及工序c-2中的乳酸量的減少是通過丙酸發酵來實現的。
本發明的第三個方面是，提供具有下述特征的本發明的第1或第2方面所述的利用食品垃圾制造乳酸的方法上述工序b-1及工序b-2的可殺菌溫度為60℃以上，不滿95℃。
本發明的第四個方面是，提供具有下述特征的本發明的第3方面所述的利用食品垃圾制造乳酸的方法上述溫度為75℃～85℃。
本發明的第五個方面是，提供具有下述特征的本發明的第1至4方面中任一方面所述的利用食品垃圾制造乳酸的方法上述食品垃圾為不定期地、間斷地并且經多日運入的食品垃圾。
本發明的第六個方面是，提供具有下述特征的本發明的第5方面所述的利用食品垃圾制造乳酸的方法上述工序a-2的第2發酵罐中所收集的食品垃圾為上述工序c-1開始后運入的食品垃圾。
本發明的第七個方面是，提供具有下述特征的本發明的第1至6方面中任一方面所述的利用食品垃圾制造乳酸的方法；上述工序b-1及工序b-2的溫度維持的是利用焚燒垃圾所放出的廢熱。
附圖的簡單說明

圖1表示構成本發明方法的一種方式的各工序。
圖2表示為實施本發明的方法所使用裝置的一例的示意圖。
實施發明的最佳方式以下對本發明的利用食品垃圾制造乳酸的方法(以下簡稱「本發明的方法」)進行詳細說明。
本發明的方法包括第1循環和第2循環，第1循環包括工序a-1～工序f-1，第2循環包括與上述第1循環的各工序相對應的實質上相同的工序a-2～工序f-2。
本發明的第1循環包括(a-1)將食品垃圾收集到第1發酵罐的工序；(b-1)將上述收集了食品垃圾的第1發酵罐內的溫度維持在可殺菌溫度的工序；(c-1)在經過了工序b-1的發酵罐內，通過微生物的發酵減少上述發酵罐內的乳酸量的工序；(d-1)在經過了工序c-1的發酵罐內進行乳酸發酵的工序；(e-1)將通過工序d-1的由乳酸發酵而生成的乳酸從發酵罐回收的工序；及(f-1)經過工序e-1后的第1發酵罐中收集其它食品垃圾的工序；至此構成返回上述工序a-1的循環。
以下，對第1循環的各工序進行詳細說明。
在本發明的方法中的第1循環其工序a-1是將食品垃圾收集到第1發酵罐。
在本發明的方法中所使用的食品垃圾一般是指含有家庭及餐廳等廢棄食物的垃圾。食物包括加熱加工前的物質及加熱后的物質，即，也含有剩飯。在不使裝置發生堵塞等故障或不對添加的微生物產生毒性的范圍內，所述食品垃圾可混入紙、塑料、木片之類的通常作為「可燃垃圾」被廢棄的物質中所含的物質。
通常，本發明的方法中所使用的食品垃圾的構成材料有，蔬菜、水果、肉、魚等海產品、飯、面包、茶葉渣等，但不僅限于此，例如，白酒蒸餾糟及啤酒麥汁糟、豆腐渣、糖蜜、廢棄淀粉、或經生產調整的農產品、魚骨頭等漁業廢棄物等進行合適的組合也可以。
食品垃圾以運來后立即收集到發酵罐為好。
為了能防止外部的雜菌混入，發酵罐以能密封的為好。這樣，還可以取得防臭的效果。發酵罐的容量可以根據作為原料所使用的食品垃圾的量進行適當設定，但本發明的方法實施于利用從家庭等回收的食品垃圾的情況下(運來的食品垃圾每天為100噸的程度)，例如，可使用大小約為500m3的發酵罐。
本發明的方法的第1循環中，下一個工序為將上述工序a-1中收集了食品垃圾的第1發酵罐內的溫度維持在可殺菌溫度的工序(工序b-1)。
通過實施上述工序b-1，可防止由于運來的食品垃圾的腐敗而導致光學純度的降低。
工序b-1中所述的可殺菌的溫度，是指對發酵罐內的食品垃圾中所含的細菌有殺菌作用的溫度，對該溫度不做特別限定，但一般可設定為60～不滿95℃，較好的可設定為75～85℃。
可殺菌的溫度所要維持的期間，是指對發酵罐內的細菌有殺菌作用的期間，該期間不做特別限定，在工序b-1的期間中，可經常維持，也可只在一段時間一次或間斷性地多次維持。
工序b-1所要維持的期間可根據適合于供發酵使用的食品垃圾供給的頻率、食品垃圾的種類、數量等做適當設定。一般情況下，食品垃圾多為白天間斷性地運入的，但只在間斷性地運入這些垃圾的白天維持可殺菌的溫度，這之后的晚上，也可不加熱進行放置。
工序b-1的結束時間可根據與第2循環中向第2發酵罐收集食品垃圾的工序其開始時間的關系來決定。即，如下述，第1循環的工序b-1結束后、開始工序c-1，此后以迅速開始第2循環為好。其目的是使第1循環的工序c-1開始后運來的食品垃圾不受耽擱地收集到第2發酵罐中。因此，較好的是將第1循環的工序b-1結束的時間作為開始第2循環的準備完畢的時間。
用于加熱的能源不做特別限定，但如果考慮能量成本等，則較好的為例如，在垃圾焚燒處理場之類的有熱量排出設施的近旁設置發酵設施，從而可利用垃圾焚燒的廢熱。
本發明的方法的第1循環中，下一步為在經過上述工序b-1的發酵罐內利用微生物的發酵減少發酵罐內的乳酸量。
食品垃圾在存放、運送的過程中，由于自然的乳酸發酵，生成D-乳酸、L-乳酸及其鹽(例如，鈉鹽、鉀鹽之類的堿金屬鹽)中的1種以上物質的情況較多，本發明的方法通過實施上述工序c-1，可減少適合于供乳酸發酵使用的食品垃圾中原來含有的低光學純度的乳酸量，最終可提高所生成的乳酸的光學純度。
乳酸的減少量越大，對取得本發明的效果越好，最好的是使乳酸量為零。
工序c-1中所使用的微生物不做特別限定，但較好的為下述微生物，即，其產生的發酵生成物對在下一個工序d-1所進行的乳酸發酵不發生壞影響。另外，較好的是，此微生物自身不能分解下一個工序d-1中的作為乳酸發酵基質的物質(具體來說，糖類等)，或通過適當設定培養條件，使下一個工序d-1中的作為乳酸發酵基質的物質，其分解速度能調節為慢于乳酸的分解速度。
工序c-1中可以使用的微生物有，丙酸菌(產丙酸丙酸桿菌、費氏丙酸桿菌等)，產生維生素B12的菌等。這些菌在市場上可以購買到。
利用微生物發酵的條件可根據所利用的微生物的種類、量、食品垃圾中的乳酸量、糖量等進行適當設定。微生物發酵的條件至少可根據乳酸分解速度不慢于乳酸發酵基質的分解速度這樣的條件進行設定。較好的是可根據乳酸分解而乳酸發酵的基質不分解這樣的條件進行設定。
提供微生物發酵的食品垃圾如果是干燥狀態，則以使其具有流動性為好。使食品垃圾具有流動性的方法為添加水等。水的添加量不做特別限制，但一般可將固體成分和水分以等量程度設定。使食品垃圾具有流動性后，將微生物加入其中。使用的微生物如果是產丙酸丙酸桿菌，則發酵溫度一般可設定為15～45℃，較好的為24～40℃。
發酵pH值一般在3～7的范圍，較好的可設定為4～7的范圍。pH值太高，則食品垃圾中所含的糖類被分解，因此效果不好。另外，pH值在發酵中可保持一定，但也可在上述范圍內變化。通過改變pH值，可調節乳酸分解所需要的時間和糖的消費量。
發酵的氣氛可為密封狀態，或可為將發酵罐上部空間用氮氣、二氧化碳氣置換成嫌氣性狀態。停留時間可根據食品垃圾的量、所使用的丙酸菌的量等進行適當設定，但相對于含有5g/L程度乳酸的食品垃圾，使用104～106CFU/mL程度丙酸菌的情況下，一般可設定為24～72小時。
工序c-1結束的時間可將乳酸消耗之后糖被消耗，從而引起pH值降低作為標示。
在第1循環中，下一個工序d-1開始之前，較好的是除去工序c-1所使用的微生物或使其失活。但，本發明的方法是第1循環的工序c-1所得到的發酵液中的微生物作為第2循環的工序c-2的發酵用微生物使用。因此，即使是在工序d-1開始之前使微生物失活的情況下，也還是至少將一部分的發酵液從第1循環的工序c-1回收后，再使微生物失活，這一點是不用說的。
對于微生物的除去或失活方法不做特別限制，可采用適應于所使用的微生物的方法。例如，可使用蒸汽等進行高溫殺菌，另外，可在強酸或強堿的條件下使微生物失活。
本發明的方法中的第1循環中，下一步是，在經過上述工序c-1的發酵罐內進行乳酸發酵(d-1)。
對于在工序d-1進行的乳酸發酵所使用的微生物不做特別限制，只要是與工序c-1的生成物發生作用能生成D-乳酸或L-乳酸中的任何一種所希望的物質，則不做特別限制。作為微生物的一例可列舉出，乳酸菌、乳酸桿菌屬、鏈球菌屬、足球菌屬、明串珠菌屬。其中，從工業生產的觀點來看，乳酸菌中只產生乳酸的均質乳酸菌能較好地被使用。生成D-乳酸的乳酸菌有德氏乳桿菌等，生成L-乳酸的乳酸菌有鼠李糖乳桿菌等。這些乳酸菌可使用例如，在ATCC、IFO等產品樣本中記載的乳酸菌。
乳酸發酵的條件可根據食品垃圾供給的頻率、使用微生物的種類、其最合適的pH值、最合適的溫度、糖消耗速度、乳酸生成速度、工序c-1所得到的混合物的量、使用的發酵罐的大小等進行適當設定。
具體來說，發酵時間一般可設定為0.5～7日的范圍，較好的為1日～4日的范圍。
發酵罐中的微生物的濃度，最終可設定為109～1010CFU/mL的范圍。
發酵罐中的pH值可設定為4～9的范圍，較好的為4.5～6的范圍，溫度可設定為20～80℃的范圍，較好的為30～70℃的范圍。pH值的調整，例如可采取添加氫氧化鈉之類的堿性物質的水溶液的方法。根據所使用的微生物的種類，發酵罐中的氣氛可以是嫌氣的，也可以是好氣的。微生物在發酵罐中可以處于游離狀態，例如，也可以如載在如聚氨酯泡沫塑料之類的載體上。
工序d-1結束的時間可將調整pH用的堿添加量的變化作為標示來決定。即，發酵結束時，乳酸幾乎不再生成，因此，堿的添加停止。
本發明的方法中的第1循環中，下一步是將上述工序d-1的乳酸發酵所生成的乳酸從發酵罐回收(工序e-1)。
上述工序d-1的乳酸發酵所生成的乳酸主要在發酵液中。因此，工序e-1的乳酸回收可以下述方式進行，例如可利用離心分離方法將發酵液從固層中分離。回收的發酵液，例如通過在減壓條件下放置而被濃縮后，可作為合成聚乳酸的原料使用，這從由乳酸制造聚乳酸的成本等觀點考慮是比較好的。
如上述方法制得的發酵濃縮液中，含有乳酸及其他如醋酸、甲酸、丙酸等可形成醇和酯的酸。因此，較好的是，將得到的濃縮液經過精制工序的進一步處理后，再作為聚乳酸的原料使用。
精制工序是使工序d-1得到的發酵液或發酵液的濃縮液與例如丁醇之類的醇進行酯化反應，將乳酸酯化。之后，將含有存在有乳酸酯形態的乳酸這樣的生成物經過如蒸溜處理，從而可以只使乳酸酯得到回收。
在本發明方法的第1循環中，下一步是在上述工序e-1的乳酸回收后的發酵罐中收集其他食品垃圾(工序f-1)，從而返回到上述工序a-1，第1循環完成。
經過上述工序e-1的發酵罐中，因為殘留有發酵殘渣等，所以較好的是，從發酵罐中除去這些發酵殘渣后再收集新運入的食品垃圾。
本發明的方法的特征是，此方法包括第1循環和第2循環，第1循環包括工序a-1～工序f-1，第2循環包括與上述第1循環的各工序相對應的實質上相同的工序a-2～工序f-2。
這里，實質上相同的意思是各對應的工序所發揮的作用相同。具體來說，工序a-1和工序a-2中，運來的食品垃圾只要是分別收集到第1及第2發酵罐的，則例如工序a-1和工序a-2所使用的食品垃圾可在種類和數量上有所不同。
工序b-1和工序b-2中，只要符合發酵罐內可殺菌的溫度均能維持的條件，則例如實際中設定的溫度、其溫度維持的期間可有所不同。
工序c-1和工序c-2中，只要符合第1發酵罐及第2發酵罐內使用相同微生物的條件，則例如發酵時間、溫度、pH值等發酵條件可以不相同。可根據各發酵罐中所含食品垃圾的種類及數量進行最合適的設定。
工序d-1和工序d-2中，只要符合第1發酵罐及第2發酵罐內使用相同微生物的條件，則例如發酵時間、溫度、pH值等發酵條件可以不相同。可根據各發酵罐中所含食品垃圾的種類及數量進行最合適的設定。
工序e-1和工序e-2中，只要可回收各工序d-1和工序d-2中生成的乳酸，則例如具體的回收方法可以不相同。
本發明的方法的其他特征中的一個是，上述第2循環中的工序a-2(將食品垃圾收集到第2發酵罐的工序)的開始時間設定為晚于上述第1循環中的工序a-1(將食品垃圾收集到第1發酵罐的工序)的開始時間。
如上述錯開兩個循環開始時間，從而使本發明的方法特別適合于處理不定期且連續運來的食品垃圾。即，將第1循環開始后運來的食品垃圾不耽擱地收集到第2的發酵罐中，由于第2循環的開始，抑制了第1循環開始后運入的食品垃圾的光學純度的降低，最終可達到提高乳酸的光學純度的目的。
第2循環的開始時間較好的是，第1循環的工序c-1(利用微生物減少乳酸量的工序)開始后第2循環能較快開始。更好的是工序c-1開始后第2循環能馬上開始。
本發明的方法還有下述(a)及(b)兩個特征。即，(a)第2循環的工序c-2中用于進行發酵的微生物來自于上述第1循環的工序c-1中利用微生物進行發酵的發酵液；及(b)第2循環的工序d-2中用于進行乳酸發酵的微生物來自于上述第1循環的工序d-1中進行乳酸發酵的發酵液。
工序c-1結束之后，從第1循環的發酵罐中提供給第2循環的發酵液的量，如果是足以滿足第2循環的工序c-2正常實施的量，則不做特別限制，但為了能使發酵迅速進行，最理想的是將工序c-1的發酵液的10％到20％供給工序c-2。因此，菌體濃度在工序c-1結束時減少為1/10～1/5，但如果有此程度的高濃度則發酵可迅速進行。從利用本發明的方法而得到的乳酸最終的收率這一觀點來看，較好的是由工序c-1供給工序c-2的發酵液量少。
同樣，工序d-1結束之后，從第1循環的發酵罐中提供給第2循環的發酵液的量，如果是足以滿足第2循環的工序d-2正常實施的量，則不做特別限制，但為了能使發酵迅速進行，最理想的是將工序d-1的發酵液的1％到20％供給工序d-2。因此，菌體濃度在工序d-1結束時減少到1/100～1/5，但如果有此程度的高濃度則發酵可迅速進行。從利用本發明的方法而得到的乳酸最終的收率這一觀點來看，較好的是由工序d-1供給工序d-2的發酵液量少，另外，從工序d-1供給工序d-2的發酵液的量可以少于由工序c-1供給工序c-2的發酵液的量，這是因為工序d-1及工序d-2的乳酸發醇中所使用的乳酸菌等菌體的增值速度一般比為了減少工序c-1及工序c-2的乳酸量所使用的丙酸菌等菌體的增值速度要快得多。
在設置于沒有實施殺菌等處理的一般垃圾焚燒場近旁的設施中使用本發明的方法時，上述(a)及(b)中的兩個循環間的微生物的移動，以在滅菌狀態下進行為好。滅菌狀態下所使用的方法不做特別限制，例如使微生物經過封閉的連接導管在各循環所使用的發酵罐之間移動。
上述第1發酵罐和第2發酵罐的連接導管，系將兩個發酵罐封閉式地連接，并使發酵液能夠在其中移動，對該導管不做特別限制。但是，例如，從第1發酵罐中回收的發酵液不能立即導入第2發酵罐的情況下，則在連接此發酵罐的導管的一部分設置可暫時收集微生物并能維持其活性狀態的槽(以下稱「待機槽」)，此待機槽也可使菌體暫時處于等待的狀態。從第1發酵罐中回收的發酵液不能很快導入第2發酵罐的情況有，例如，沒有將第1循環和第2循環在時間上配合好的情況。具體來說有，第1循環的工序c-1結束后，第2循環的工序c-2不能立即開始，以及第1循環的工序d-1結束后，第2循環的工序d-2不能立即開始。
根據需要，待機槽以能夠給微生物提供糖之類的微生物的營養源為好。其目的是防止在乳酸發酵工序(工序d-1、d-2)結束時，由于發酵液中糖之類的微生物的營養源被乳酸菌等微生物消耗盡從而導致待機槽中微生物的死減。
本發明的方法由于符合上述(a)及(b)的必要條件，可大大減少為避免雜菌污染而進行的嚴密管理方面所要下的工夫。如果第1循環開始，則此第1循環所使用的微生物可在下一個的第2循環使用，因此，第2循環的各工序所使用的微生物不需要來自其它途徑。
另外，本發明的方法為了能更有效地符合上述(a)及(b)的必要條件，各在下述兩個時間，即，(a’)第1循環的工序c-1結束后到第2循環的工序c-2開始的時間，及(b’)第1循環的工序d-1結束后到第2循環的工序d-2開始的時間以盡可能短為好。具體來說，較好的為，使上述(a’)及(b’)的期間為一天以內，更好的為近于0。
另外，第1循環中工序f-1開始的時間，即，新的工序a-1開始的時間可根據第2循環的進行狀況做適當設定。第2循環中，一旦工序c-2開始，則之后運來的食品垃圾已經不能收集到第2發酵罐中。因此，第1循環中新的工序a-1開始的時間，例如可設定在第2循環的工序c-2開始之后。
以上對包括第1循環及第2循環的本發明的方法進行了說明，本發明的方法根據運入的食品垃圾的量、頻率等還可以設置第3或第3以上的循環。這種情況下，第3循環與第2的工序相同，包括工序a-3～工序f-3。這些工序a-3～工序f-3與第1循環的工序a-1～工序f-1相對應，實質上是相同的。
另外，第3循環和第2循環在時間上的相互關系可設定為與上述第2循環和第1循環在時間上的相互關系相同。具體來說，第3循環中的工序a-2的開始時間可設定為晚于第2循環中的工序a-3的開始時間。另外，較好的為，第2循環的工序c-2結束后，第3循環的工序c-3很快開始。而且，第2循環的工序d-2結束后，第3循環的工序d-3很快開始。
實施例參照圖示對本發明的實施例進行說明，但本發明不僅限于此。
圖1為構成本發明的方法的一例，其各工序以時間的推移表示的圖。本發明的方法是由相互在實質上相同的各工序所組成的第1、第2及第3循環構成。
圖2表示為了實施圖1所示的本發明的方法的一例，所使用裝置的簡圖。
如圖2所示，本發明的裝置包括第1發酵罐111、第2發酵罐211及第3發酵罐311。各發酵罐的容量約為15m3。
為了能使第1發酵罐111維持密封狀態，在第1發酵罐111上設置了蓋115。為了使食品垃圾投入到發酵罐中，此蓋115設置為開閉自由的形式，圖2中，第1發酵罐111的蓋115處于打開的狀態，從開口部113可投入食品垃圾。第1發酵罐111上部的側面連接著為發酵罐內注入熱水的熱水導管117，下部的側面連接著將注入的熱水從發酵罐排出的導管119。第1發酵罐111的底部，設置著投入丙酸菌用的入口123，利用泵121，通過打開閥127可將丙酸菌從丙酸菌暫時存放槽129經過丙酸菌專用導管125投入第1發酵罐111內。第1發酵罐111的底部，還設置了乳酸菌用入口133，利用泵131，通過閥137的啟閉可將乳酸菌從乳酸菌暫時存放槽139經過乳酸菌專用導管135投入第1發酵罐111內。乳酸菌用暫時存放槽139通過培養基供給閥141與用于維持乳酸菌的培養基槽相連結。另外，發酵罐111還與乳酸發酵時用于調節發酵罐內pH的pH調節槽147相連結。通過打開用于注入pH調整液的電磁閥149，可將pH調整液(氨水)注入。第1發酵罐111下部的側面設有乳酸發酵液的取出口145。
第2發酵罐211及第3發酵罐311也與第1發酵罐111相同，為了能使上述發酵罐維持密封狀態，在發酵罐上各設置了蓋215及315。第2及第3發酵罐211及311，它們的蓋215及315處于關閉狀態。第2及第3發酵罐211及311各自上部的側面分別連接著為發酵罐內注入熱水的熱水導管217及317，發酵罐下部的側面分別連接著將注入的熱水從發酵罐排出的導管219及319。第1及第2發酵罐211及311的底部，分別設置著投入丙酸菌用的入口223及323，利用泵221及321，通過打開閥227及327可將丙酸菌從丙酸菌暫時存放槽129經過丙酸菌專用導管225及325分別投入發酵罐211及311內。第1及第2發酵罐211及311的底部，還分別設置了乳酸菌用入口233及333，利用泵231及331，通過打開閥237及337可將乳酸菌從乳酸菌暫時存放槽139經過乳酸菌專用導管235及325，分別投入第1及第2發酵罐211及311。另外，第1及第2發酵罐211及311還與乳酸發酵時用于調節發酵罐內pH的pH調節槽147相連結。通過打開用于注入pH調整液的電磁閥249、349，可將pH調整液(氨水)注入。第1及第2發酵罐211及311下部的側面，分別設有乳酸發酵液的取出口245及345。
(實施例1)使用上述圖2所示裝置，經過圖1所示的由3個循環組成的工序，將食品垃圾按照下述制造程序制得乳酸。本實施例設想為本發明的方法在下述情況下使用，即，食品垃圾每天有2噸程度，白天約7個小時的期間中斷斷續續地運到設在垃圾焚燒場近旁的發酵處理設施。
首先說明第1發酵罐所進行的第1循環。
將間斷性地運到發酵處理設施的食品垃圾中隨時加入適量的水后，立即從第1發酵罐(容量為15m3)111的開口部113投入，關閉蓋115。最初將食品垃圾投入第1發酵罐111后，從熱水導管117向第1發酵罐111經常或適當注入蒸汽或蒸汽凝聚后的熱水，對食品垃圾進行殺菌。在食品垃圾間斷性地運到發酵處理設施的白天(約7小時)，第1發酵罐111內的溫度常維持在80℃以上90℃以下，之后存放一個晚上。注入的熱水及發酵罐內溫度的維持是利用垃圾焚燒場(圖中未表示)排出的垃圾焚燒熱。
發酵罐內的溫度維持在高溫狀態，可使運到發酵設施后的食品垃圾不受耽擱地進行殺菌處理，從而可防止腐敗，抑制低光學純度的乳酸的生成。
第二天，將間斷性地運到發酵處理設施的食品垃圾投入第1發酵罐111中，通過注入蒸汽或蒸汽凝聚后的熱水，維持白天的溫度(80℃以上90℃以下)，之后是夜間的存放，上述處理重復3天。
上述食品垃圾的投入、殺菌溫度的維持及存放經過3天重復之后。在第1發酵罐111進行丙酸發酵。即打開閥127，通過使用泵121，將在丙酸菌暫時存放槽129中事先準備好的丙酸菌(費氏丙酸桿菌)106CFU/mL的懸濁液，經過丙酸菌用導管125注入到第1發酵罐111中。第1發酵罐111中的丙酸菌發酵大約持續2天。
由于pH維持在5左右，因此可使丙酸發酵不消耗糖而只消耗乳酸。通過此丙酸發酵，可使食品垃圾中所含的低光學純度的乳酸消失。
在第1發酵罐111的丙酸發酵之后。使泵121反送，將發酵液的一部分(約1m3)經過丙酸菌用導管125送回到丙酸菌暫時存放槽129。
第1發酵罐下一步進行L-乳酸發酵。即，打開閥137，使用泵131，將事先在乳酸菌暫時存放槽139中準備好的L-乳酸菌(鼠李糖乳桿菌)106CFU/mL的懸濁液，經過乳酸菌用導管135注入到第1發酵罐111中。乳酸發酵持續3天。
乳酸發酵之后。使泵131反送，將發酵液的一部分(約0.1m3)經過乳酸菌用導管135送回到乳酸菌暫時存放槽139。
第1發酵罐中的乳酸發酵液的一部分回收到乳酸菌暫時存放槽139后，將第1發酵罐中的發酵液從乳酸發酵液取出口回收。回收的乳酸發酵液經固液分離之后，通過濃縮得到濃縮乳酸液。
除去乳酸發酵液回收后的第1發酵罐111中的發酵殘渣后，重新收集運到乳酸發酵設施的食品垃圾，開始在第1發酵罐的第二次循環。此食品垃圾為下述說明的第3發酵罐311中的丙酸菌發酵開始后運到發酵處理設施的食品垃圾。
下面，對第2發酵罐中進行的第2循環進行說明。
在第1發酵罐111中的丙酸菌發酵開始之后間斷性地運到發酵處理設施的食品垃圾中，隨時加入適量的水后，立即將其投入第2發酵罐211，關閉蓋215。最初將食品垃圾投入第2發酵罐211后，從熱水導管217向第2發酵罐注入蒸汽或蒸汽凝聚后的熱水，對食品垃圾進行殺菌。第2發酵罐211內的溫度，在食品垃圾間斷性地運到發酵處理設施的白天(約7小時)，常維持在80℃以上90℃以下，這之后存放一個晚上。注入的熱水及發酵罐內溫度的維持是利用垃圾焚燒場(圖中未表示)排出的垃圾焚燒熱。
如上述，第1發酵罐中的丙酸菌發酵開始后，新運來的食品垃圾將被投入第2發酵罐，由于發酵罐內的溫度維持在高溫狀態，可使第1發酵罐中的丙酸菌發酵開始后運來的食品垃圾不受耽擱地進行殺菌處理，因此可防止腐敗，抑制低光學純度的乳酸的生成。
第二天，將間斷性地運到發酵處理設施的食品垃圾投入第2發酵罐211中，通過注入蒸汽或蒸汽凝聚后的熱水，維持白天的溫度(80℃以上90℃以下)，以及夜間的存放，這樣重復3天。
上述食品垃圾的投入、殺菌溫度的維持及存放經過3天重復之后。在第2發酵罐211進行丙酸發酵。即，打開閥227，通過使用泵221，將上述從第1發酵罐一部分回收的，存放在丙酸菌暫時存放槽129中備用的丙酸發酵液經過丙酸菌用導管225，從丙酸菌用入口223注入到第1發酵罐211中。第2發酵罐211中的丙酸發酵持續2天。
由于pH維持在5左右，因此可使丙酸發酵不消耗糖而只消耗乳酸。通過此丙酸發酵，可使食品垃圾中所含的低光學純度的乳酸消失。另外，第2發酵罐所使用的丙酸菌是在與周圍氣氛相隔絕地連接著發酵罐的丙酸菌暫時存放槽129中存放的丙酸菌，因此，可不用擔心雜菌的污染，使種菌的播種成為可能。
在第2發酵罐211的丙酸發酵之后。使泵121反送，將發酵液的一部分(約1m3)經過丙酸菌用導管225送回到丙酸菌暫時存放槽129。
在第2發酵罐211，丙酸發酵結束后，立即進行L-乳酸發酵。
在第2發酵罐211的乳酸發酵是立即使用從上述第1發酵罐回收的一部分、返回到乳酸菌暫時存放槽139的乳酸發酵液。即，打開閥237，使用泵231，將乳酸菌從乳酸菌暫時存放槽139經過丙酸菌用導管235注入到第2發酵罐211中。乳酸發酵持續3天。
如上述，第2發酵罐所使用的乳酸菌也是在與周圍氣氛相隔絕地連接著發酵罐的乳酸菌暫時存放槽129中存放的乳酸菌，因此，可不用擔心雜菌的污染，使種菌的播種成為可能。
乳酸發酵結束后。將泵231反送，將發酵液的一部分(約0.1m3)經過乳酸菌用導管235送回到乳酸菌暫時存放槽139。
第2發酵罐中的乳酸發酵液的一部分回收到乳酸菌暫時存放槽139后，將第2發酵罐中的發酵液從乳酸發酵液取出口245回收。回收的乳酸發酵液經固液分離之后，通過濃縮得到濃縮乳酸液。得到的濃縮乳酸液與從第1發酵罐得到的濃縮乳酸液合起來，可作為聚乳酸袋的原料使用。
乳酸發酵液回收后的第2發酵罐211，除去其中的發酵殘渣后，再次收集新運到乳酸發酵設施的食品垃圾，開始在第2發酵罐的第二次循環。此食品垃圾為在上述第1發酵罐111中的第二次循環的丙酸菌發酵開始后運到發酵處理設施的食品垃圾。
如上述，由于在第1循環的丙酸菌發酵開始后，第2循環的垃圾收集工序開始，因此，在第1發酵罐的丙酸發酵開始后，運到乳酸發酵設施的食品垃圾可不受耽擱地收集到第2的發酵罐中進行殺菌處理，因此，可防止運入乳酸發酵設施后的食品垃圾的腐敗，抑制低光學純度的乳酸的生成。
下面，對在第3發酵罐311進行的第3循環進行說明。
在第2發酵罐211中的丙酸菌發酵開始之后，間斷性地運到發酵處理設施的食品垃圾中，隨時加入適量的水之后，立即將其投入第3發酵罐311，關閉蓋315。最初將食品垃圾投入第3發酵罐311后，從熱水導管317向第3發酵罐注入蒸汽或蒸汽凝聚后的熱水，對食品垃圾進行殺菌。第3發酵罐311內的溫度，在食品垃圾間斷性地運到發酵處理設施的白天(約7小時)，常維持在80℃以上90℃以下，這之后存放一個晚上。注入的熱水及發酵罐內溫度的維持是利用垃圾焚燒場(圖中未表示)排出的垃圾焚燒熱。
如上述，運來的食品垃圾立即被投入第3發酵罐，由于發酵罐內的溫度維持在高溫狀態，可使第2發酵罐中的丙酸發酵開始后運來的食品垃圾不受耽擱地進行殺菌處理，因此可防止腐敗，抑制低光學純度的乳酸的生成。
第二天，將間斷性地運到發酵處理設施的食品垃圾投入第3發酵罐311中，通過注入蒸汽或蒸汽凝聚后的熱水，維持白天的溫度(80℃以上90℃以下)，之后是夜間的存放，上述這樣重復3天。
上述食品垃圾的投入、殺菌溫度的維持及存放經過3天重復之后。在第3發酵罐311進行丙酸發酵。即，打開閥327，通過使用泵321，將上述從第2發酵罐一部分回收的，存放在丙酸菌暫時存放槽129中備用的丙酸發酵液從丙酸菌用入口323，經過丙酸菌用導管325，注入到第3發酵罐311中。在第3發酵罐311的丙酸發酵持續2天。
由于pH維持在5左右，因此可使丙酸發酵不消耗糖而只消耗乳酸。通過此丙酸發酵，可使食品垃圾中所含的低光學純度的乳酸消失。另外，第3發酵罐所使用的丙酸菌是在與周圍氣氛相隔絕地連接著發酵罐的丙酸菌暫時存放槽129中存放的丙酸菌，因此，可不用擔心雜菌的污染，使種菌的播種成為可能。
在第3發酵罐311的丙酸發酵之后。使泵321反送，將發酵液的一部分(約1m3)經過丙酸菌用導管325送回到丙酸菌暫時存放槽129。此丙酸菌用于第1循環的第二次丙酸發酵。
在第3發酵罐311，丙酸發酵結束后，立即進行L-乳酸發酵。
在第3發酵罐311的乳酸發酵立即使用上述從第2發酵罐一部分回收的、返回到乳酸菌暫時存放槽139的乳酸發酵液。即，打開閥337，使用泵331，將乳酸菌從乳酸菌暫時存放槽139經過乳酸菌用導管335注入到第3發酵罐311中。乳酸發酵持續3天。
如上述，第3發酵罐所使用的乳酸菌是在與周圍氣氛相隔絕地連接著發酵罐的乳酸菌暫時存放槽139中存放的乳酸菌，因此，可不用擔心雜菌的污染，使種菌的播種成為可能。
乳酸發酵結束后。使泵331反送，將發酵液的一部分(約0.1m3)經過乳酸菌用導管335送回到乳酸菌暫時存放槽139。此乳酸菌用于第1循環中的第二次乳酸發酵。
第3發酵罐中的乳酸發酵液的一部分回收到乳酸菌暫時存放槽139后，將第3發酵罐中的發酵液從乳酸發酵液取出口345回收。回收的乳酸發酵液經固液分離之后，通過濃縮得到濃縮乳酸液。得到的濃縮乳酸液與從第1發酵罐及第2發酵罐得到的濃縮乳酸液合起來，可作為聚乳酸袋的原料使用。
將上述第1～第2循環各進行1次所得到的乳酸濃縮液合并起來，則可制得約6.6噸乳酸濃度約為30％的濃縮液。
除去乳酸發酵液回收后的第3發酵罐內的發酵殘渣后，再次收集新運到乳酸發酵設施的食品垃圾，開始在第3發酵罐的第二次循環。此食品垃圾為在上述第2發酵罐211中的第二次循環的丙酸菌發酵開始后，運到發酵處理設施的食品垃圾。
如上述，由于在第2循環的丙酸發酵開始后，第3循環的食品垃圾收集工序開始，因此，在第2發酵罐的丙酸發酵開始后，運到乳酸發酵設施的食品垃圾可不受耽擱地收集到第3的發酵罐中進行殺菌處理，因此，可防止運入乳酸發酵設施后的食品垃圾的腐敗，抑制低光學純度的乳酸的生成。
如上述本發明的方法，通過在上述第1～第3循環中，調整相互之間的各工序的開始時間并進行重復循環，使連日、不定期地運入乳酸發酵設施的食品垃圾能夠不受耽擱地得到處理。另外，經過高溫殺菌處理，可防止存放過程中的腐敗，從而可抑制低光學純度的食品垃圾的生成。加之，通過丙酸發酵，可除去原來食品垃圾中含有的低光學純度的乳酸。另外還有，可使用只產生L-乳酸或D-乳酸的細菌進行發酵，因此可顯著提高最終選定的乳酸的光學純度。
上述實施例為使用3個發酵罐，通過3個循環，利用食品垃圾制造乳酸，但本發明的方法通過適當調整多個循環的各工序的開始時間，可以是2個循環(2個發酵罐)，也可以是4個以上的循環(4個發酵罐)進行實施。
另外，上述實施例中，發酵罐間的乳酸菌的移動方式為，不在乳酸菌暫時存放槽139長時間存放，立即進行移動。但，根據各循環的工序其開始時間的不同，有乳酸發酵液長時間在乳酸菌暫時存放槽139存放的情況，這種情況下，向與乳酸菌暫時存放槽139相連接的乳酸菌維持用槽143中添加營養培養基，打開培養基供給閥141，則可向乳酸菌暫時存放槽139中添加營養培養基，從而可使乳酸菌維持在活性狀態，另外，在丙酸菌暫時存放槽129中，可以不添加維持丙酸菌活性狀態的營養物質。因為發酵液中含有維持丙酸菌的活性狀態所必要的營養。
權利要求
1.一種利用食品垃圾制造乳酸的方法，它包括第1循環和第2循環，第1循環包括下述工序a-1～工序f-1，第2循環包括與所述第1循環的各工序相對應的實質上相同的工序a-2～工序f-2，其特征在于，所述第1循環包括的各工序為(a-1)將食品垃圾收集到第1發酵罐的工序、(b-1)將所述收集了食品垃圾的第1發酵罐內的溫度維持在可殺菌溫度的工序、(c-1)在經過了工序b-1的發酵罐內，利用微生物的發酵降低所述發酵罐內乳酸量的工序、(d-1)在經過了工序c-1的發酵罐內進行乳酸發酵的工序、(e-1)將通過工序d-1的乳酸發酵而生成的乳酸從發酵罐回收的工序、及(f-1)在經過了工序e-1后的第1發酵罐中收集其它食品垃圾的工序、至此構成返回所述工序a-1的循環；所述第2循環所包括的各工序為(a-2)將食品垃圾收集到第2發酵罐的工序、(b-2)將所述收集了食品垃圾的第2發酵罐內的溫度維持在可殺菌溫度的工序、(c-2)在經過了工序b-2的發酵罐內，利用微生物的發酵降低所述發酵罐內的乳酸量的工序、(d-2)在經過了工序c-2的發酵罐內進行乳酸發酵的工序、(e-2)將通過工序d-2的乳酸發酵而生成的乳酸從發酵罐回收的工序、及(f-2)在經過工序e-2后的第2發酵罐中收集其它食品垃圾的工序、至此構成返回所述工序a-2的循環；所述第2循環中的工序a-2的開始時間比所述第1循環中的工序a-1的開始時間晚；所述工序c-2中用于進行發酵的微生物來自于所述工序c-1中用微生物發酵的發酵液；且所述工序d-2中用于進行乳酸發酵的微生物來自于所述工序d-1中進行乳酸發酵的發酵液。
2.根據權利要求1所述的利用食品垃圾制造乳酸的方法，其特征在于，所述工序c-1及工序c-2中的乳酸量的降低是通過丙酸發酵來實現的。
3.根據權利要求1或2項所述的利用食品垃圾制造乳酸的方法，其特征在于，所述工序b-1及工序b-2的可殺菌溫度為60℃以上，不滿95℃。
4.根據權利要求3所述的利用食品垃圾制造乳酸的方法，其特征在于，所述溫度為75℃～85℃。
5.根據權利要求3所述的利用食品垃圾制造乳酸的方法，其特征在于，所述食品垃圾為不定期地、間斷地并且經多日運入的食品垃圾。
6.根據權利要求3所述的利用食品垃圾制造乳酸的方法，其特征在于，所述工序a-2的第2發酵罐中收集的食品垃圾為所述工序c-1開始后運入的食品垃圾。
7.根據權利要求3所述的利用食品垃圾制造乳酸的方法其特征在于，所述工序b-1及工序b-2的溫度維持利用的是焚燒垃圾所放出的廢熱。
全文摘要
一種利用食品垃圾制造乳酸的方法，它包括第1循環和第2循環，第1循環包括{(a－1)將食品垃圾收集到第1發酵罐；(b－1)將上述收集了食品垃圾的第1發酵罐內的溫度維持在可殺菌溫度；(c－1)在經過了工序b－1的發酵罐內，利用微生物的發酵降低上述發酵罐內的乳酸量；(d－1)在經過了工序c－1的發酵罐內進行乳酸發酵；(e－1)將通過工序d－1的乳酸發酵而生成的乳酸從發酵罐回收；(f－1)在經過了工序e－1后的第1發酵罐中收集其它食品垃圾，返回工序a－1}；第2循環包括與上述第1循環的各工序相對應的實質上相同的工序a－2～工序f－2；第2循環中的工序a－2的開始時間比第1循環中的工序a－1的開始時間晚；工序c－2中用于進行發酵的微生物來自于上述工序c－1中利用微生物發酵的發酵液；工序d－2中用于進行乳酸發酵的微生物來自于上述工序d－1中進行乳酸發酵的發酵液。
文檔編號C12P7/56GK1446263SQ01813906
公開日2003年10月1日 申請日期2001年8月8日 優先權日2000年8月9日
發明者白井義人 申請人:白井義人