成果報告書詳細
管理番号20110000001421
タイトル平成21年度~平成22年度成果報告書 グリーン・サステイナブルケミカルプロセス基盤技術開発 化学品原料の転換・多様化を可能とする革新グリーン技術の開発 植物由来資源からの微生物による新規バイオベースポリマーの開発と実用材料化
公開日2011/12/13
報告書年度2009 - 2010
委託先名国立大学法人東京大学 株式会社カネカ 国立大学法人北海道大学 伊藤製油株式会社 Bioーenergy株式会社 協和株式会社 バイオベース株式会社 国立大学法人大阪大学 株式会社スギノマシン
プロジェクト番号P09010
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約本研究では、再生産可能資源から微生物の優れた物質変換機能を利用して新規なバイオベースポリマーを省エネルギープロセスで生合成するとともに、それぞれのポリマーに応じた新規な成形加工技術を開発し、実用材料化に向けた応用開発研究を行った。 (1)パーム油から微生物発酵により生産されるポリ(3-ヒドロキシブチレート-co-3-ヒドロキシヘキサノエート)(PHBH)を用いて、食品運搬用梱包材の開発を目的として、ポリ衛協基準を満たす発泡体の製造基盤技術の開発を行った。除圧発泡条件(温度、圧力、発泡剤)および成形条件を検討した結果、目標に近い「倍率26倍かつ80℃での熱変形率≦0.1%」の発泡成形体を得ることに成功した。 (2)自動車用エアフィルターや抗菌性マスクなどの開発を目的として、PHBH不織布生産技術の検討を行った。溶融紡糸条件を検討することにより、不織布作製に必要な強度(300MPa以上)繊維を、高速紡糸にて生産することができた。連続繊維を裁断することにより得られる短繊維に熱固定処理を施すことにより、寸法変化許容の目安となる10%収縮温度は110℃~120℃に達し、目標である不織布耐熱≧80℃を達成した。 (3)遺伝子組換え大腸菌を用いて、分子量600万以上の超高分子量ポリエステルを乾燥菌体重量80%以上での効率的生産に成功するとともに、冷延伸・二段階延伸法と微結晶核延伸法により、破壊強度1GPa以上の高強度繊維材料の開発に成功した。 (4)新規生体触媒である「乳酸重合酵素」によって組換え細胞内でポリ(3-ヒドロキシブチレート-co-乳酸)(P(3HB-co-LA))を生合成する代謝経路のデザインを検討し、乳酸分率が4%~62%までのコポリマーの生産に成功した。さらに、ポリマーの大量微生物生産システム構築の検討を行い、ポリマー蓄積率50%以上および生産収率4.5 g/Lを到達することができた。作製したフィルムが、柔軟かつ透明性の高い優れた性質を持つことも確認した。 (5)草本系バイオマスから、核にひまし油、枝にポリ乳酸鎖を有する分岐状バイオポリマーの製造技術の検討を行った。草本系バイオマスとしてパルプを用いた乳酸発酵では、糖化と乳酸発酵が同時に進行し、5wt%基質濃度では完全糖化及び96%以上の乳酸発酵収率を達成した。さらに、分岐状ポリマーの大量合成については、30Lスケールで量産試作に成功した。 (6)分岐状バイオポリマーを用いて耐衝撃性部材を開発した。分岐状バイオポリマーの水酸基末端を他の官能基で置換することにより、分子運動性が高いポリマーをデザインした。さらに、ポリ乳酸と混合することにより、ポリプロピレンに匹敵する耐衝撃強度8kJ/m2(従来ポリ乳酸の4倍)を達成した。難燃化については、リン酸エステル系難燃剤とドリップ防止剤を処方することにより、難燃性UL94-V0を達成した。更に型締力200トン~800トンの成形試作を行い、バイオポリエステル樹脂の量産試作における成形条件の最適化を行った。 (7)ウォータージェットを用いた未利用バイオマスの粉砕・微細化技術を確立し、バイオマスの粉砕・微細化にかかる投入エネルギーの削減を試みた。高性能チャンバーの開発による処理回数の削減(25回から5回)、給液システムの改善などによる処理濃度の向上(2 wt%から10 wt%)により、従来品と比較して、高効率でバイオマスを糖化するのに必要な湿式微細化処理の投入エネルギーを1/25にまで削減することに成功した。
英文要約The aim of this project is the efficient production of microbial polyesters and branched biopolymers from renewable resources as palm oil and glass plant biomass and the development of new processing techniques for the production of applications. Main results are followings; (1) The melt-spun fibers from poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate) (PHBH) were processed to produce non-woven for sanitary stuff as masks and industrial filter products. Furthermore, the fundamental technologies for foam beads from PHBH were established to prepare the containers for foodstuff. The technologies for foam beads will be able to adapt to "Japan Hygienic Olefin and Styrene Plastics Association (JHOSPA)" regulation. (2) Efficient production of ultra-high-molecular-weight poly(3-hydroxybutyrate) (P(3HB)) with weight-average molecular-weight of ca. 6 million was succeeded at the polymer content of ca. 80% against dry cell weight. Furthermore, strong fibers were processed by using two kinds of new drawing techniques, that is, a combined method of cold-drawing and two-step-drawing and a method of one-step-drawing after growing small crystal nucleus. The tensile strength and elongation to break were reached 1.3 GPa and 3 5%, respectively. (3) We constructed the metabolic pathway for biosynthesis of poly(3-hydroxybutyrate-co-lactide) (P(3HB-co-LA)) in recombinant Escherichia coli platform by using a new biocatalyst, LA-polymerizing enzyme. By metabolic and enzyme engineering enabled us to increase up to 60 mol% of LA fraction in the copolymer. As the results, the copolymers exhibited dual properties, transparency and flexibility, compared to the highly crystalline rigid homopolymers, P(3HB) and PLA. (4) We have investigated synthesis of branched biopolymers from grass plant biomass and their applications. In the synthesis of the branched biopolymers with the core of castor oil and the branch of poly(lactic acid), the production of lactic acid by fermentation from grass plant biomass, the precise synthesis and quantity synthesis of the branched biopolymers from lactic acid or a fermentation liquid of lactic acid were examined. Furthermore, the branched biopolymers were synthesized in the 30 liter-scale apparatus, suggesting the high potential of their quantity synthesis. (5) For the application of the branched biopolymers, impact-resistant bio-based resins were developed. The combination of branched polymers and poly(lactic acid) provided the impact strength of 8 kJ/m2, which is comparable to that of polypropylene. For the flame-retardant treatment of the bio-based resin, when added a phosphorus flame retardant and a drip inhibitor, the flame resistance improved to UL94-V0, which is much superior to the target value (UL94-V2). The molding in the 200, 400, and 800 ton-level clamp capacity was examined for the optimization for the quantity production of the molded products of bio-based resin.
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