专利名称：利用食品垃圾制造乳酸的方法
技术领域：
本发明涉及利用食品垃圾制造乳酸的方法。
更详细地说，本发明涉及如下述利用食品垃圾制造乳酸的方法，即，在发酵罐内将食品垃圾维持在杀菌温度后，利用微生物的发酵减少食品垃圾中所含的乳酸量。接着，通过将反应生成物供乳酸发酵使用而制得乳酸，在回收此乳酸的同时将回收后的反应槽再次调至杀菌温度，供存放食品垃圾循环使用，如上述循环至少2个并行进行。
背景技术：
从食品垃圾的资源化来说，以食品垃圾作为原料的乳酸发酵法为有效的资源化方法。以利用乳酸发酵法生成的乳酸作为原料，合成聚乳酸，即一种可生物降解的塑料，将其加工成聚乳酸袋。利用这种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，将其作为可生物降解的塑料，即聚乳酸的原料进行利用的情况下，要求提供大量且廉价的乳酸。另外，乳酸最好为高光学纯度。
以食品垃圾为原料进行乳酸发酵从而制造乳酸的方法中，由于生成的乳酸其立体结构决定于所使用的乳酸菌的种类，所以，从原理上说，制造高光学纯度的乳酸是可能的，但实际上，以社区等回收的食品垃圾为原料进行乳酸发酵的情况下，例如即使是乳酸发酵的条件得到严格控制，但最终制造高光学纯度的乳酸还是困难的。社区等所实施的垃圾处理工序中，食品垃圾是在家庭、工作场所等经过一定时间存放后被回收，运送到垃圾处理设施中的，食品垃圾在这样的存放、输送过程中，由于食品垃圾中所含细菌及周围空气中所存在的细菌的作用，就会自然地生成光学纯度低的乳酸。另外，将食品垃圾运入乳酸发酵工厂的过程中，由于运入的时间和频率是不定期的，工厂内，在食品垃圾被运入后到乳酸发酵开始的这段存放时间，也会由于腐败而产生纯度低的乳酸，因而最终导致光学纯度降低。另外还有存放期间产生恶臭的问题。
而另一方面，处理如食品垃圾这样的易腐败物质的设施内，要求对用于乳酸发酵的产生纯净的高光学纯度乳酸的菌进行严格管理，因此要求专业知识和技术，这就出现了成本上升的问题，从菌的管理方面考虑，则一般不用连续发酵法而采用分回发酵，从而避免杂菌污染带来的恐惧。但，这种情况下，也要将不定期的且每天不断地被运来的食品垃圾，不被耽搁地供给高光学纯度发酵使用，这就必需设置极多的发酵罐。从空间及成本等方面考虑，难于实用化。
迄今为止，为了解决上述问题，制造高光学纯度的乳酸，需要在垃圾回收的各个阶段彻底进行杂菌的管理，在食品垃圾的来源处，即，家庭和工作场所采取杀菌和阻止微生物活动的措施。另外，例如，即使以上述方式经过杀菌处理，但因为是易腐败的食品垃圾，所以有必要采取下述措施通过安排迅速的回收、在低温条件下的存放和运送等，防止产生自然的乳酸。但是，做上述工作、实施上述措施，从成本、能源方面考虑，难于在实际中实行。
发明的公开本发明所要解决的课题为提供一种适合利用食品垃圾，稳定地、且低成本地制造高光学纯度乳酸的方法，该方法可解决上述问题，特别适用于不定期且经过多日运来的食品垃圾。
为了解决上述课题，本发明者进行了深入的研究，结果发现，对于食品垃圾在家庭和工作场所存放期间以及往进行乳酸发酵的设施输送期间所产生的乳酸，通过微生物的作用将其有选择地消耗，在将食品垃圾供乳酸发酵之前，将其中的乳酸除去，能够最终提高产生的乳酸的光学纯度。并且，还发现，对于连日地、不定期且连续地运来的食品垃圾在存放过程中所出现的腐败和防臭问题，可通过下述方式解决，即，食品垃圾运来后，立即放入发酵罐中，在将此发酵罐密闭的同时，进行加热处理。另外还发现，为了使连日地运来的食品垃圾能不耽搁地提供给乳酸分批发酵利用，需要准备多个发酵罐，但发酵罐可以通过下述方法控制到最小数量，即，适当错开在各发酵罐进行的反应工序的开始时间。此外，将发酵罐中使用的纯菌经密闭的将各发酵罐连接的导管移动。即，在第1发酵罐中的发酵结束时，将该发酵罐中的食品垃圾发酵液的一部分移到第2发酵罐中，开始发酵，从而在环境污染方面，也可做到在没有杂菌污染的条件下使乳酸发酵继续进行。
即，本发明提供下述利用食品垃圾制造乳酸的方法。
本发明的第一个方面是，提供一种利用食品垃圾制造乳酸的方法，其特征在于，它包括第1循环和第2循环，第1循环包括工序a-1～工序f-1，第2循环包括与上述第1循环的各工序相对应的实质上相同的工序a-2～工序f-2。上述第1循环所包括的各工序为(a-1)将食品垃圾收集到第1发酵罐的工序、(b-1)将上述收集了食品垃圾的第1发酵罐内的温度维持在可杀菌温度的工序、(c-1)在经过了工序b-1的发酵罐内，利用微生物的发酵减少上述发酵罐内的乳酸量的工序、(d-1)在经过了工序c-1的发酵罐内进行乳酸发酵的工序、(e-1)将通过工序d-1的乳酸发酵而生成的乳酸从发酵罐回收的工序、及(f-1)在经过了工序e-1后的第1发酵罐中收集其它食品垃圾的工序、至此构成返回上述工序a-1的循环；上述第2循环所包括的各工序为(a-2)将食品垃圾收集到第2发酵罐的工序、(b-2)将上述收集了食品垃圾的第2发酵罐内的温度维持在可杀菌温度的工序、(c-2)在经过了工序b-2的发酵罐内，利用微生物的发酵减少上述发酵罐内的乳酸量的工序、(d-2)在经过了工序c-2的发酵罐内进行乳酸发酵的工序、(e-2)将通过工序d-2的乳酸发酵而生成的乳酸从发酵罐回收的工序、及(f-2)在经过工序e-2后的第2发酵罐中收集其它食品垃圾的工序、至此构成返回上述工序a-2的循环；上述第2循环中的工序a-2的开始时间比上述第1循环中的工序a-1的开始时间晚；上述工序c-2中用于进行发酵的微生物来自于上述工序c-1中利用微生物发酵的发酵液；且上述工序d-2中用于进行乳酸发酵的微生物来自于上述工序d-1中进行乳酸发酵的发酵液。
本发明的第二个方面是，提供具有下述特征的本发明的第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中的乳酸量的减少是通过丙酸发酵来实现的。
本发明的第三个方面是，提供具有下述特征的本发明的第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的可杀菌温度为60℃以上，不满95℃。
本发明的第四个方面是，提供具有下述特征的本发明的第3方面所述的利用食品垃圾制造乳酸的方法上述温度为75℃～85℃。
本发明的第五个方面是，提供具有下述特征的本发明的第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为不定期地、间断地并且经多日运入的食品垃圾。
本发明的第六个方面是，提供具有下述特征的本发明的第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发酵罐中所收集的食品垃圾为上述工序c-1开始后运入的食品垃圾。
本发明的第七个方面是，提供具有下述特征的本发明的第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的温度维持的是利用焚烧垃圾所放出的废热。
附图的简单说明
图1表示构成本发明方法的一种方式的各工序。
图2表示为实施本发明的方法所使用装置的一例的示意图。
实施发明的最佳方式以下对本发明的利用食品垃圾制造乳酸的方法(以下简称「本发明的方法」)进行详细说明。
本发明的方法包括第1循环和第2循环，第1循环包括工序a-1～工序f-1，第2循环包括与上述第1循环的各工序相对应的实质上相同的工序a-2～工序f-2。
本发明的第1循环包括(a-1)将食品垃圾收集到第1发酵罐的工序；(b-1)将上述收集了食品垃圾的第1发酵罐内的温度维持在可杀菌温度的工序；(c-1)在经过了工序b-1的发酵罐内，通过微生物的发酵减少上述发酵罐内的乳酸量的工序；(d-1)在经过了工序c-1的发酵罐内进行乳酸发酵的工序；(e-1)将通过工序d-1的由乳酸发酵而生成的乳酸从发酵罐回收的工序；及(f-1)经过工序e-1后的第1发酵罐中收集其它食品垃圾的工序；至此构成返回上述工序a-1的循环。
以下，对第1循环的各工序进行详细说明。
在本发明的方法中的第1循环其工序a-1是将食品垃圾收集到第1发酵罐。
在本发明的方法中所使用的食品垃圾一般是指含有家庭及餐厅等废弃食物的垃圾。食物包括加热加工前的物质及加热后的物质，即，也含有剩饭。在不使装置发生堵塞等故障或不对添加的微生物产生毒性的范围内，所述食品垃圾可混入纸、塑料、木片之类的通常作为「可燃垃圾」被废弃的物质中所含的物质。
通常，本发明的方法中所使用的食品垃圾的构成材料有，蔬菜、水果、肉、鱼等海产品、饭、面包、茶叶渣等，但不仅限于此，例如，白酒蒸馏糟及啤酒麦汁糟、豆腐渣、糖蜜、废弃淀粉、或经生产调整的农产品、鱼骨头等渔业废弃物等进行合适的组合也可以。
食品垃圾以运来后立即收集到发酵罐为好。
为了能防止外部的杂菌混入，发酵罐以能密封的为好。这样，还可以取得防臭的效果。发酵罐的容量可以根据作为原料所使用的食品垃圾的量进行适当设定，但本发明的方法实施于利用从家庭等回收的食品垃圾的情况下(运来的食品垃圾每天为100吨的程度)，例如，可使用大小约为500m3的发酵罐。
本发明的方法的第1循环中，下一个工序为将上述工序a-1中收集了食品垃圾的第1发酵罐内的温度维持在可杀菌温度的工序(工序b-1)。
通过实施上述工序b-1，可防止由于运来的食品垃圾的腐败而导致光学纯度的降低。
工序b-1中所述的可杀菌的温度，是指对发酵罐内的食品垃圾中所含的细菌有杀菌作用的温度，对该温度不做特别限定，但一般可设定为60～不满95℃，较好的可设定为75～85℃。
可杀菌的温度所要维持的期间，是指对发酵罐内的细菌有杀菌作用的期间，该期间不做特别限定，在工序b-1的期间中，可经常维持，也可只在一段时间一次或间断性地多次维持。
工序b-1所要维持的期间可根据适合于供发酵使用的食品垃圾供给的频率、食品垃圾的种类、数量等做适当设定。一般情况下，食品垃圾多为白天间断性地运入的，但只在间断性地运入这些垃圾的白天维持可杀菌的温度，这之后的晚上，也可不加热进行放置。
工序b-1的结束时间可根据与第2循环中向第2发酵罐收集食品垃圾的工序其开始时间的关系来决定。即，如下述，第1循环的工序b-1结束后、开始工序c-1，此后以迅速开始第2循环为好。其目的是使第1循环的工序c-1开始后运来的食品垃圾不受耽搁地收集到第2发酵罐中。因此，较好的是将第1循环的工序b-1结束的时间作为开始第2循环的准备完毕的时间。
用于加热的能源不做特别限定，但如果考虑能量成本等，则较好的为例如，在垃圾焚烧处理场之类的有热量排出设施的近旁设置发酵设施，从而可利用垃圾焚烧的废热。
本发明的方法的第1循环中，下一步为在经过上述工序b-1的发酵罐内利用微生物的发酵减少发酵罐内的乳酸量。
食品垃圾在存放、运送的过程中，由于自然的乳酸发酵，生成D-乳酸、L-乳酸及其盐(例如，钠盐、钾盐之类的碱金属盐)中的1种以上物质的情况较多，本发明的方法通过实施上述工序c-1，可减少适合于供乳酸发酵使用的食品垃圾中原来含有的低光学纯度的乳酸量，最终可提高所生成的乳酸的光学纯度。
乳酸的减少量越大，对取得本发明的效果越好，最好的是使乳酸量为零。
工序c-1中所使用的微生物不做特别限定，但较好的为下述微生物，即，其产生的发酵生成物对在下一个工序d-1所进行的乳酸发酵不发生坏影响。另外，较好的是，此微生物自身不能分解下一个工序d-1中的作为乳酸发酵基质的物质(具体来说，糖类等)，或通过适当设定培养条件，使下一个工序d-1中的作为乳酸发酵基质的物质，其分解速度能调节为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(产丙酸丙酸杆菌、费氏丙酸杆菌等)，产生维生素B12的菌等。这些菌在市场上可以购买到。
利用微生物发酵的条件可根据所利用的微生物的种类、量、食品垃圾中的乳酸量、糖量等进行适当设定。微生物发酵的条件至少可根据乳酸分解速度不慢于乳酸发酵基质的分解速度这样的条件进行设定。较好的是可根据乳酸分解而乳酸发酵的基质不分解这样的条件进行设定。
提供微生物发酵的食品垃圾如果是干燥状态，则以使其具有流动性为好。使食品垃圾具有流动性的方法为添加水等。水的添加量不做特别限制，但一般可将固体成分和水分以等量程度设定。使食品垃圾具有流动性后，将微生物加入其中。使用的微生物如果是产丙酸丙酸杆菌，则发酵温度一般可设定为15～45℃，较好的为24～40℃。
发酵pH值一般在3～7的范围，较好的可设定为4～7的范围。pH值太高，则食品垃圾中所含的糖类被分解，因此效果不好。另外，pH值在发酵中可保持一定，但也可在上述范围内变化。通过改变pH值，可调节乳酸分解所需要的时间和糖的消费量。
发酵的气氛可为密封状态，或可为将发酵罐上部空间用氮气、二氧化碳气置换成嫌气性状态。停留时间可根据食品垃圾的量、所使用的丙酸菌的量等进行适当设定，但相对于含有5g/L程度乳酸的食品垃圾，使用104～106CFU/mL程度丙酸菌的情况下，一般可设定为24～72小时。
工序c-1结束的时间可将乳酸消耗之后糖被消耗，从而引起pH值降低作为标示。
在第1循环中，下一个工序d-1开始之前，较好的是除去工序c-1所使用的微生物或使其失活。但，本发明的方法是第1循环的工序c-1所得到的发酵液中的微生物作为第2循环的工序c-2的发酵用微生物使用。因此，即使是在工序d-1开始之前使微生物失活的情况下，也还是至少将一部分的发酵液从第1循环的工序c-1回收后，再使微生物失活，这一点是不用说的。
对于微生物的除去或失活方法不做特别限制，可采用适应于所使用的微生物的方法。例如，可使用蒸汽等进行高温杀菌，另外，可在强酸或强碱的条件下使微生物失活。
本发明的方法中的第1循环中，下一步是，在经过上述工序c-1的发酵罐内进行乳酸发酵(d-1)。
对于在工序d-1进行的乳酸发酵所使用的微生物不做特别限制，只要是与工序c-1的生成物发生作用能生成D-乳酸或L-乳酸中的任何一种所希望的物质，则不做特别限制。作为微生物的一例可列举出，乳酸菌、乳酸杆菌属、链球菌属、足球菌属、明串珠菌属。其中，从工业生产的观点来看，乳酸菌中只产生乳酸的均质乳酸菌能较好地被使用。生成D-乳酸的乳酸菌有德氏乳杆菌等，生成L-乳酸的乳酸菌有鼠李糖乳杆菌等。这些乳酸菌可使用例如，在ATCC、IFO等产品样本中记载的乳酸菌。
乳酸发酵的条件可根据食品垃圾供给的频率、使用微生物的种类、其最合适的pH值、最合适的温度、糖消耗速度、乳酸生成速度、工序c-1所得到的混合物的量、使用的发酵罐的大小等进行适当设定。
具体来说，发酵时间一般可设定为0.5～7日的范围，较好的为1日～4日的范围。
发酵罐中的微生物的浓度，最终可设定为109～1010CFU/mL的范围。
发酵罐中的pH值可设定为4～9的范围，较好的为4.5～6的范围，温度可设定为20～80℃的范围，较好的为30～70℃的范围。pH值的调整，例如可采取添加氢氧化钠之类的碱性物质的水溶液的方法。根据所使用的微生物的种类，发酵罐中的气氛可以是嫌气的，也可以是好气的。微生物在发酵罐中可以处于游离状态，例如，也可以如载在如聚氨酯泡沫塑料之类的载体上。
工序d-1结束的时间可将调整pH用的碱添加量的变化作为标示来决定。即，发酵结束时，乳酸几乎不再生成，因此，碱的添加停止。
本发明的方法中的第1循环中，下一步是将上述工序d-1的乳酸发酵所生成的乳酸从发酵罐回收(工序e-1)。
上述工序d-1的乳酸发酵所生成的乳酸主要在发酵液中。因此，工序e-1的乳酸回收可以下述方式进行，例如可利用离心分离方法将发酵液从固层中分离。回收的发酵液，例如通过在减压条件下放置而被浓缩后，可作为合成聚乳酸的原料使用，这从由乳酸制造聚乳酸的成本等观点考虑是比较好的。
如上述方法制得的发酵浓缩液中，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，较好的是，将得到的浓缩液经过精制工序的进一步处理后，再作为聚乳酸的原料使用。
精制工序是使工序d-1得到的发酵液或发酵液的浓缩液与例如丁醇之类的醇进行酯化反应，将乳酸酯化。之后，将含有存在有乳酸酯形态的乳酸这样的生成物经过如蒸溜处理，从而可以只使乳酸酯得到回收。
在本发明方法的第1循环中，下一步是在上述工序e-1的乳酸回收后的发酵罐中收集其他食品垃圾(工序f-1)，从而返回到上述工序a-1，第1循环完成。
经过上述工序e-1的发酵罐中，因为残留有发酵残渣等，所以较好的是，从发酵罐中除去这些发酵残渣后再收集新运入的食品垃圾。
本发明的方法的特征是，此方法包括第1循环和第2循环，第1循环包括工序a-1～工序f-1，第2循环包括与上述第1循环的各工序相对应的实质上相同的工序a-2～工序f-2。
这里，实质上相同的意思是各对应的工序所发挥的作用相同。具体来说，工序a-1和工序a-2中，运来的食品垃圾只要是分别收集到第1及第2发酵罐的，则例如工序a-1和工序a-2所使用的食品垃圾可在种类和数量上有所不同。
工序b-1和工序b-2中，只要符合发酵罐内可杀菌的温度均能维持的条件，则例如实际中设定的温度、其温度维持的期间可有所不同。
工序c-1和工序c-2中，只要符合第1发酵罐及第2发酵罐内使用相同微生物的条件，则例如发酵时间、温度、pH值等发酵条件可以不相同。可根据各发酵罐中所含食品垃圾的种类及数量进行最合适的设定。
工序d-1和工序d-2中，只要符合第1发酵罐及第2发酵罐内使用相同微生物的条件，则例如发酵时间、温度、pH值等发酵条件可以不相同。可根据各发酵罐中所含食品垃圾的种类及数量进行最合适的设定。
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，则例如具体的回收方法可以不相同。
本发明的方法的其他特征中的一个是，上述第2循环中的工序a-2(将食品垃圾收集到第2发酵罐的工序)的开始时间设定为晚于上述第1循环中的工序a-1(将食品垃圾收集到第1发酵罐的工序)的开始时间。
如上述错开两个循环开始时间，从而使本发明的方法特别适合于处理不定期且连续运来的食品垃圾。即，将第1循环开始后运来的食品垃圾不耽搁地收集到第2的发酵罐中，由于第2循环的开始，抑制了第1循环开始后运入的食品垃圾的光学纯度的降低，最终可达到提高乳酸的光学纯度的目的。
第2循环的开始时间较好的是，第1循环的工序c-1(利用微生物减少乳酸量的工序)开始后第2循环能较快开始。更好的是工序c-1开始后第2循环能马上开始。
本发明的方法还有下述(a)及(b)两个特征。即，(a)第2循环的工序c-2中用于进行发酵的微生物来自于上述第1循环的工序c-1中利用微生物进行发酵的发酵液；及(b)第2循环的工序d-2中用于进行乳酸发酵的微生物来自于上述第1循环的工序d-1中进行乳酸发酵的发酵液。
工序c-1结束之后，从第1循环的发酵罐中提供给第2循环的发酵液的量，如果是足以满足第2循环的工序c-2正常实施的量，则不做特别限制，但为了能使发酵迅速进行，最理想的是将工序c-1的发酵液的10％到20％供给工序c-2。因此，菌体浓度在工序c-1结束时减少为1/10～1/5，但如果有此程度的高浓度则发酵可迅速进行。从利用本发明的方法而得到的乳酸最终的收率这一观点来看，较好的是由工序c-1供给工序c-2的发酵液量少。
同样，工序d-1结束之后，从第1循环的发酵罐中提供给第2循环的发酵液的量，如果是足以满足第2循环的工序d-2正常实施的量，则不做特别限制，但为了能使发酵迅速进行，最理想的是将工序d-1的发酵液的1％到20％供给工序d-2。因此，菌体浓度在工序d-1结束时减少到1/100～1/5，但如果有此程度的高浓度则发酵可迅速进行。从利用本发明的方法而得到的乳酸最终的收率这一观点来看，较好的是由工序d-1供给工序d-2的发酵液量少，另外，从工序d-1供给工序d-2的发酵液的量可以少于由工序c-1供给工序c-2的发酵液的量，这是因为工序d-1及工序d-2的乳酸发醇中所使用的乳酸菌等菌体的增值速度一般比为了减少工序c-1及工序c-2的乳酸量所使用的丙酸菌等菌体的增值速度要快得多。
在设置于没有实施杀菌等处理的一般垃圾焚烧场近旁的设施中使用本发明的方法时，上述(a)及(b)中的两个循环间的微生物的移动，以在灭菌状态下进行为好。灭菌状态下所使用的方法不做特别限制，例如使微生物经过封闭的连接导管在各循环所使用的发酵罐之间移动。
上述第1发酵罐和第2发酵罐的连接导管，系将两个发酵罐封闭式地连接，并使发酵液能够在其中移动，对该导管不做特别限制。但是，例如，从第1发酵罐中回收的发酵液不能立即导入第2发酵罐的情况下，则在连接此发酵罐的导管的一部分设置可暂时收集微生物并能维持其活性状态的槽(以下称「待机槽」)，此待机槽也可使菌体暂时处于等待的状态。从第1发酵罐中回收的发酵液不能很快导入第2发酵罐的情况有，例如，没有将第1循环和第2循环在时间上配合好的情况。具体来说有，第1循环的工序c-1结束后，第2循环的工序c-2不能立即开始，以及第1循环的工序d-1结束后，第2循环的工序d-2不能立即开始。
根据需要，待机槽以能够给微生物提供糖之类的微生物的营养源为好。其目的是防止在乳酸发酵工序(工序d-1、d-2)结束时，由于发酵液中糖之类的微生物的营养源被乳酸菌等微生物消耗尽从而导致待机槽中微生物的死减。
本发明的方法由于符合上述(a)及(b)的必要条件，可大大减少为避免杂菌污染而进行的严密管理方面所要下的工夫。如果第1循环开始，则此第1循环所使用的微生物可在下一个的第2循环使用，因此，第2循环的各工序所使用的微生物不需要来自其它途径。
另外，本发明的方法为了能更有效地符合上述(a)及(b)的必要条件，各在下述两个时间，即，(a’)第1循环的工序c-1结束后到第2循环的工序c-2开始的时间，及(b’)第1循环的工序d-1结束后到第2循环的工序d-2开始的时间以尽可能短为好。具体来说，较好的为，使上述(a’)及(b’)的期间为一天以内，更好的为近于0。
另外，第1循环中工序f-1开始的时间，即，新的工序a-1开始的时间可根据第2循环的进行状况做适当设定。第2循环中，一旦工序c-2开始，则之后运来的食品垃圾已经不能收集到第2发酵罐中。因此，第1循环中新的工序a-1开始的时间，例如可设定在第2循环的工序c-2开始之后。
以上对包括第1循环及第2循环的本发明的方法进行了说明，本发明的方法根据运入的食品垃圾的量、频率等还可以设置第3或第3以上的循环。这种情况下，第3循环与第2的工序相同，包括工序a-3～工序f-3。这些工序a-3～工序f-3与第1循环的工序a-1～工序f-1相对应，实质上是相同的。
另外，第3循环和第2循环在时间上的相互关系可设定为与上述第2循环和第1循环在时间上的相互关系相同。具体来说，第3循环中的工序a-2的开始时间可设定为晚于第2循环中的工序a-3的开始时间。另外，较好的为，第2循环的工序c-2结束后，第3循环的工序c-3很快开始。而且，第2循环的工序d-2结束后，第3循环的工序d-3很快开始。
实施例参照图示对本发明的实施例进行说明，但本发明不仅限于此。
图1为构成本发明的方法的一例，其各工序以时间的推移表示的图。本发明的方法是由相互在实质上相同的各工序所组成的第1、第2及第3循环构成。
图2表示为了实施图1所示的本发明的方法的一例，所使用装置的简图。
如图2所示，本发明的装置包括第1发酵罐111、第2发酵罐211及第3发酵罐311。各发酵罐的容量约为15m3。
为了能使第1发酵罐111维持密封状态，在第1发酵罐111上设置了盖115。为了使食品垃圾投入到发酵罐中，此盖115设置为开闭自由的形式，图2中，第1发酵罐111的盖115处于打开的状态，从开口部113可投入食品垃圾。第1发酵罐111上部的侧面连接着为发酵罐内注入热水的热水导管117，下部的侧面连接着将注入的热水从发酵罐排出的导管119。第1发酵罐111的底部，设置着投入丙酸菌用的入口123，利用泵121，通过打开阀127可将丙酸菌从丙酸菌暂时存放槽129经过丙酸菌专用导管125投入第1发酵罐111内。第1发酵罐111的底部，还设置了乳酸菌用入口133，利用泵131，通过阀137的启闭可将乳酸菌从乳酸菌暂时存放槽139经过乳酸菌专用导管135投入第1发酵罐111内。乳酸菌用暂时存放槽139通过培养基供给阀141与用于维持乳酸菌的培养基槽相连结。另外，发酵罐111还与乳酸发酵时用于调节发酵罐内pH的pH调节槽147相连结。通过打开用于注入pH调整液的电磁阀149，可将pH调整液(氨水)注入。第1发酵罐111下部的侧面设有乳酸发酵液的取出口145。
第2发酵罐211及第3发酵罐311也与第1发酵罐111相同，为了能使上述发酵罐维持密封状态，在发酵罐上各设置了盖215及315。第2及第3发酵罐211及311，它们的盖215及315处于关闭状态。第2及第3发酵罐211及311各自上部的侧面分别连接着为发酵罐内注入热水的热水导管217及317，发酵罐下部的侧面分别连接着将注入的热水从发酵罐排出的导管219及319。第1及第2发酵罐211及311的底部，分别设置着投入丙酸菌用的入口223及323，利用泵221及321，通过打开阀227及327可将丙酸菌从丙酸菌暂时存放槽129经过丙酸菌专用导管225及325分别投入发酵罐211及311内。第1及第2发酵罐211及311的底部，还分别设置了乳酸菌用入口233及333，利用泵231及331，通过打开阀237及337可将乳酸菌从乳酸菌暂时存放槽139经过乳酸菌专用导管235及325，分别投入第1及第2发酵罐211及311。另外，第1及第2发酵罐211及311还与乳酸发酵时用于调节发酵罐内pH的pH调节槽147相连结。通过打开用于注入pH调整液的电磁阀249、349，可将pH调整液(氨水)注入。第1及第2发酵罐211及311下部的侧面，分别设有乳酸发酵液的取出口245及345。
(实施例1)使用上述图2所示装置，经过图1所示的由3个循环组成的工序，将食品垃圾按照下述制造程序制得乳酸。本实施例设想为本发明的方法在下述情况下使用，即，食品垃圾每天有2吨程度，白天约7个小时的期间中断断续续地运到设在垃圾焚烧场近旁的发酵处理设施。
首先说明第1发酵罐所进行的第1循环。
将间断性地运到发酵处理设施的食品垃圾中随时加入适量的水后，立即从第1发酵罐(容量为15m3)111的开口部113投入，关闭盖115。最初将食品垃圾投入第1发酵罐111后，从热水导管117向第1发酵罐111经常或适当注入蒸汽或蒸汽凝聚后的热水，对食品垃圾进行杀菌。在食品垃圾间断性地运到发酵处理设施的白天(约7小时)，第1发酵罐111内的温度常维持在80℃以上90℃以下，之后存放一个晚上。注入的热水及发酵罐内温度的维持是利用垃圾焚烧场(图中未表示)排出的垃圾焚烧热。
发酵罐内的温度维持在高温状态，可使运到发酵设施后的食品垃圾不受耽搁地进行杀菌处理，从而可防止腐败，抑制低光学纯度的乳酸的生成。
第二天，将间断性地运到发酵处理设施的食品垃圾投入第1发酵罐111中，通过注入蒸汽或蒸汽凝聚后的热水，维持白天的温度(80℃以上90℃以下)，之后是夜间的存放，上述处理重复3天。
上述食品垃圾的投入、杀菌温度的维持及存放经过3天重复之后。在第1发酵罐111进行丙酸发酵。即打开阀127，通过使用泵121，将在丙酸菌暂时存放槽129中事先准备好的丙酸菌(费氏丙酸杆菌)106CFU/mL的悬浊液，经过丙酸菌用导管125注入到第1发酵罐111中。第1发酵罐111中的丙酸菌发酵大约持续2天。
由于pH维持在5左右，因此可使丙酸发酵不消耗糖而只消耗乳酸。通过此丙酸发酵，可使食品垃圾中所含的低光学纯度的乳酸消失。
在第1发酵罐111的丙酸发酵之后。使泵121反送，将发酵液的一部分(约1m3)经过丙酸菌用导管125送回到丙酸菌暂时存放槽129。
第1发酵罐下一步进行L-乳酸发酵。即，打开阀137，使用泵131，将事先在乳酸菌暂时存放槽139中准备好的L-乳酸菌(鼠李糖乳杆菌)106CFU/mL的悬浊液，经过乳酸菌用导管135注入到第1发酵罐111中。乳酸发酵持续3天。
乳酸发酵之后。使泵131反送，将发酵液的一部分(约0.1m3)经过乳酸菌用导管135送回到乳酸菌暂时存放槽139。
第1发酵罐中的乳酸发酵液的一部分回收到乳酸菌暂时存放槽139后，将第1发酵罐中的发酵液从乳酸发酵液取出口回收。回收的乳酸发酵液经固液分离之后，通过浓缩得到浓缩乳酸液。
除去乳酸发酵液回收后的第1发酵罐111中的发酵残渣后，重新收集运到乳酸发酵设施的食品垃圾，开始在第1发酵罐的第二次循环。此食品垃圾为下述说明的第3发酵罐311中的丙酸菌发酵开始后运到发酵处理设施的食品垃圾。
下面，对第2发酵罐中进行的第2循环进行说明。
在第1发酵罐111中的丙酸菌发酵开始之后间断性地运到发酵处理设施的食品垃圾中，随时加入适量的水后，立即将其投入第2发酵罐211，关闭盖215。最初将食品垃圾投入第2发酵罐211后，从热水导管217向第2发酵罐注入蒸汽或蒸汽凝聚后的热水，对食品垃圾进行杀菌。第2发酵罐211内的温度，在食品垃圾间断性地运到发酵处理设施的白天(约7小时)，常维持在80℃以上90℃以下，这之后存放一个晚上。注入的热水及发酵罐内温度的维持是利用垃圾焚烧场(图中未表示)排出的垃圾焚烧热。
如上述，第1发酵罐中的丙酸菌发酵开始后，新运来的食品垃圾将被投入第2发酵罐，由于发酵罐内的温度维持在高温状态，可使第1发酵罐中的丙酸菌发酵开始后运来的食品垃圾不受耽搁地进行杀菌处理，因此可防止腐败，抑制低光学纯度的乳酸的生成。
第二天，将间断性地运到发酵处理设施的食品垃圾投入第2发酵罐211中，通过注入蒸汽或蒸汽凝聚后的热水，维持白天的温度(80℃以上90℃以下)，以及夜间的存放，这样重复3天。
上述食品垃圾的投入、杀菌温度的维持及存放经过3天重复之后。在第2发酵罐211进行丙酸发酵。即，打开阀227，通过使用泵221，将上述从第1发酵罐一部分回收的，存放在丙酸菌暂时存放槽129中备用的丙酸发酵液经过丙酸菌用导管225，从丙酸菌用入口223注入到第1发酵罐211中。第2发酵罐211中的丙酸发酵持续2天。
由于pH维持在5左右，因此可使丙酸发酵不消耗糖而只消耗乳酸。通过此丙酸发酵，可使食品垃圾中所含的低光学纯度的乳酸消失。另外，第2发酵罐所使用的丙酸菌是在与周围气氛相隔绝地连接着发酵罐的丙酸菌暂时存放槽129中存放的丙酸菌，因此，可不用担心杂菌的污染，使种菌的播种成为可能。
在第2发酵罐211的丙酸发酵之后。使泵121反送，将发酵液的一部分(约1m3)经过丙酸菌用导管225送回到丙酸菌暂时存放槽129。
在第2发酵罐211，丙酸发酵结束后，立即进行L-乳酸发酵。
在第2发酵罐211的乳酸发酵是立即使用从上述第1发酵罐回收的一部分、返回到乳酸菌暂时存放槽139的乳酸发酵液。即，打开阀237，使用泵231，将乳酸菌从乳酸菌暂时存放槽139经过丙酸菌用导管235注入到第2发酵罐211中。乳酸发酵持续3天。
如上述，第2发酵罐所使用的乳酸菌也是在与周围气氛相隔绝地连接着发酵罐的乳酸菌暂时存放槽129中存放的乳酸菌，因此，可不用担心杂菌的污染，使种菌的播种成为可能。
乳酸发酵结束后。将泵231反送，将发酵液的一部分(约0.1m3)经过乳酸菌用导管235送回到乳酸菌暂时存放槽139。
第2发酵罐中的乳酸发酵液的一部分回收到乳酸菌暂时存放槽139后，将第2发酵罐中的发酵液从乳酸发酵液取出口245回收。回收的乳酸发酵液经固液分离之后，通过浓缩得到浓缩乳酸液。得到的浓缩乳酸液与从第1发酵罐得到的浓缩乳酸液合起来，可作为聚乳酸袋的原料使用。
乳酸发酵液回收后的第2发酵罐211，除去其中的发酵残渣后，再次收集新运到乳酸发酵设施的食品垃圾，开始在第2发酵罐的第二次循环。此食品垃圾为在上述第1发酵罐111中的第二次循环的丙酸菌发酵开始后运到发酵处理设施的食品垃圾。
如上述，由于在第1循环的丙酸菌发酵开始后，第2循环的垃圾收集工序开始，因此，在第1发酵罐的丙酸发酵开始后，运到乳酸发酵设施的食品垃圾可不受耽搁地收集到第2的发酵罐中进行杀菌处理，因此，可防止运入乳酸发酵设施后的食品垃圾的腐败，抑制低光学纯度的乳酸的生成。
下面，对在第3发酵罐311进行的第3循环进行说明。
在第2发酵罐211中的丙酸菌发酵开始之后，间断性地运到发酵处理设施的食品垃圾中，随时加入适量的水之后，立即将其投入第3发酵罐311，关闭盖315。最初将食品垃圾投入第3发酵罐311后，从热水导管317向第3发酵罐注入蒸汽或蒸汽凝聚后的热水，对食品垃圾进行杀菌。第3发酵罐311内的温度，在食品垃圾间断性地运到发酵处理设施的白天(约7小时)，常维持在80℃以上90℃以下，这之后存放一个晚上。注入的热水及发酵罐内温度的维持是利用垃圾焚烧场(图中未表示)排出的垃圾焚烧热。
如上述，运来的食品垃圾立即被投入第3发酵罐，由于发酵罐内的温度维持在高温状态，可使第2发酵罐中的丙酸发酵开始后运来的食品垃圾不受耽搁地进行杀菌处理，因此可防止腐败，抑制低光学纯度的乳酸的生成。
第二天，将间断性地运到发酵处理设施的食品垃圾投入第3发酵罐311中，通过注入蒸汽或蒸汽凝聚后的热水，维持白天的温度(80℃以上90℃以下)，之后是夜间的存放，上述这样重复3天。
上述食品垃圾的投入、杀菌温度的维持及存放经过3天重复之后。在第3发酵罐311进行丙酸发酵。即，打开阀327，通过使用泵321，将上述从第2发酵罐一部分回收的，存放在丙酸菌暂时存放槽129中备用的丙酸发酵液从丙酸菌用入口323，经过丙酸菌用导管325，注入到第3发酵罐311中。在第3发酵罐311的丙酸发酵持续2天。
由于pH维持在5左右，因此可使丙酸发酵不消耗糖而只消耗乳酸。通过此丙酸发酵，可使食品垃圾中所含的低光学纯度的乳酸消失。另外，第3发酵罐所使用的丙酸菌是在与周围气氛相隔绝地连接着发酵罐的丙酸菌暂时存放槽129中存放的丙酸菌，因此，可不用担心杂菌的污染，使种菌的播种成为可能。
在第3发酵罐311的丙酸发酵之后。使泵321反送，将发酵液的一部分(约1m3)经过丙酸菌用导管325送回到丙酸菌暂时存放槽129。此丙酸菌用于第1循环的第二次丙酸发酵。
在第3发酵罐311，丙酸发酵结束后，立即进行L-乳酸发酵。
在第3发酵罐311的乳酸发酵立即使用上述从第2发酵罐一部分回收的、返回到乳酸菌暂时存放槽139的乳酸发酵液。即，打开阀337，使用泵331，将乳酸菌从乳酸菌暂时存放槽139经过乳酸菌用导管335注入到第3发酵罐311中。乳酸发酵持续3天。
如上述，第3发酵罐所使用的乳酸菌是在与周围气氛相隔绝地连接着发酵罐的乳酸菌暂时存放槽139中存放的乳酸菌，因此，可不用担心杂菌的污染，使种菌的播种成为可能。
乳酸发酵结束后。使泵331反送，将发酵液的一部分(约0.1m3)经过乳酸菌用导管335送回到乳酸菌暂时存放槽139。此乳酸菌用于第1循环中的第二次乳酸发酵。
第3发酵罐中的乳酸发酵液的一部分回收到乳酸菌暂时存放槽139后，将第3发酵罐中的发酵液从乳酸发酵液取出口345回收。回收的乳酸发酵液经固液分离之后，通过浓缩得到浓缩乳酸液。得到的浓缩乳酸液与从第1发酵罐及第2发酵罐得到的浓缩乳酸液合起来，可作为聚乳酸袋的原料使用。
将上述第1～第2循环各进行1次所得到的乳酸浓缩液合并起来，则可制得约6.6吨乳酸浓度约为30％的浓缩液。
除去乳酸发酵液回收后的第3发酵罐内的发酵残渣后，再次收集新运到乳酸发酵设施的食品垃圾，开始在第3发酵罐的第二次循环。此食品垃圾为在上述第2发酵罐211中的第二次循环的丙酸菌发酵开始后，运到发酵处理设施的食品垃圾。
如上述，由于在第2循环的丙酸发酵开始后，第3循环的食品垃圾收集工序开始，因此，在第2发酵罐的丙酸发酵开始后，运到乳酸发酵设施的食品垃圾可不受耽搁地收集到第3的发酵罐中进行杀菌处理，因此，可防止运入乳酸发酵设施后的食品垃圾的腐败，抑制低光学纯度的乳酸的生成。
如上述本发明的方法，通过在上述第1～第3循环中，调整相互之间的各工序的开始时间并进行重复循环，使连日、不定期地运入乳酸发酵设施的食品垃圾能够不受耽搁地得到处理。另外，经过高温杀菌处理，可防止存放过程中的腐败，从而可抑制低光学纯度的食品垃圾的生成。加之，通过丙酸发酵，可除去原来食品垃圾中含有的低光学纯度的乳酸。另外还有，可使用只产生L-乳酸或D-乳酸的细菌进行发酵，因此可显著提高最终选定的乳酸的光学纯度。
上述实施例为使用3个发酵罐，通过3个循环，利用食品垃圾制造乳酸，但本发明的方法通过适当调整多个循环的各工序的开始时间，可以是2个循环(2个发酵罐)，也可以是4个以上的循环(4个发酵罐)进行实施。
另外，上述实施例中，发酵罐间的乳酸菌的移动方式为，不在乳酸菌暂时存放槽139长时间存放，立即进行移动。但，根据各循环的工序其开始时间的不同，有乳酸发酵液长时间在乳酸菌暂时存放槽139存放的情况，这种情况下，向与乳酸菌暂时存放槽139相连接的乳酸菌维持用槽143中添加营养培养基，打开培养基供给阀141，则可向乳酸菌暂时存放槽139中添加营养培养基，从而可使乳酸菌维持在活性状态，另外，在丙酸菌暂时存放槽129中，可以不添加维持丙酸菌活性状态的营养物质。因为发酵液中含有维持丙酸菌的活性状态所必要的营养。
权利要求
1.一种利用食品垃圾制造乳酸的方法，它包括第1循环和第2循环，第1循环包括下述工序a-1～工序f-1，第2循环包括与所述第1循环的各工序相对应的实质上相同的工序a-2～工序f-2，其特征在于，所述第1循环包括的各工序为(a-1)将食品垃圾收集到第1发酵罐的工序、(b-1)将所述收集了食品垃圾的第1发酵罐内的温度维持在可杀菌温度的工序、(c-1)在经过了工序b-1的发酵罐内，利用微生物的发酵降低所述发酵罐内乳酸量的工序、(d-1)在经过了工序c-1的发酵罐内进行乳酸发酵的工序、(e-1)将通过工序d-1的乳酸发酵而生成的乳酸从发酵罐回收的工序、及(f-1)在经过了工序e-1后的第1发酵罐中收集其它食品垃圾的工序、至此构成返回所述工序a-1的循环；所述第2循环所包括的各工序为(a-2)将食品垃圾收集到第2发酵罐的工序、(b-2)将所述收集了食品垃圾的第2发酵罐内的温度维持在可杀菌温度的工序、(c-2)在经过了工序b-2的发酵罐内，利用微生物的发酵降低所述发酵罐内的乳酸量的工序、(d-2)在经过了工序c-2的发酵罐内进行乳酸发酵的工序、(e-2)将通过工序d-2的乳酸发酵而生成的乳酸从发酵罐回收的工序、及(f-2)在经过工序e-2后的第2发酵罐中收集其它食品垃圾的工序、至此构成返回所述工序a-2的循环；所述第2循环中的工序a-2的开始时间比所述第1循环中的工序a-1的开始时间晚；所述工序c-2中用于进行发酵的微生物来自于所述工序c-1中用微生物发酵的发酵液；且所述工序d-2中用于进行乳酸发酵的微生物来自于所述工序d-1中进行乳酸发酵的发酵液。
2.根据权利要求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过丙酸发酵来实现的。
3.根据权利要求1或2项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的可杀菌温度为60℃以上，不满95℃。
4.根据权利要求3所述的利用食品垃圾制造乳酸的方法，其特征在于，所述温度为75℃～85℃。
5.根据权利要求3所述的利用食品垃圾制造乳酸的方法，其特征在于，所述食品垃圾为不定期地、间断地并且经多日运入的食品垃圾。
6.根据权利要求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发酵罐中收集的食品垃圾为所述工序c-1开始后运入的食品垃圾。
7.根据权利要求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的温度维持利用的是焚烧垃圾所放出的废热。
全文摘要
一种利用食品垃圾制造乳酸的方法，它包括第1循环和第2循环，第1循环包括{(a－1)将食品垃圾收集到第1发酵罐；(b－1)将上述收集了食品垃圾的第1发酵罐内的温度维持在可杀菌温度；(c－1)在经过了工序b－1的发酵罐内，利用微生物的发酵降低上述发酵罐内的乳酸量；(d－1)在经过了工序c－1的发酵罐内进行乳酸发酵；(e－1)将通过工序d－1的乳酸发酵而生成的乳酸从发酵罐回收；(f－1)在经过了工序e－1后的第1发酵罐中收集其它食品垃圾，返回工序a－1}；第2循环包括与上述第1循环的各工序相对应的实质上相同的工序a－2～工序f－2；第2循环中的工序a－2的开始时间比第1循环中的工序a－1的开始时间晚；工序c－2中用于进行发酵的微生物来自于上述工序c－1中利用微生物发酵的发酵液；工序d－2中用于进行乳酸发酵的微生物来自于上述工序d－1中进行乳酸发酵的发酵液。
文档编号C12P7/56GK1446263SQ01813906
公开日2003年10月1日 申请日期2001年8月8日 优先权日2000年8月9日
发明者白井义人 申请人:白井义人