成果報告書詳細
管理番号20120000000827
タイトル平成20~23年度成果報告書 新エネルギー技術研究開発 バイオマスエネルギー等高効率転換技術開発(先導技術開発) 新規エタノール発酵糸状菌を活用した稲わら等の同時糖化発酵システムの開発
公開日2012/12/20
報告書年度2008-2011
委託先名国立大学法人富山大学、富山県立大学
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約近年、原油価格の高騰や炭酸ガス発生などの地球規模での問題を解決するために、未利用なバイオマス資源を開拓し、その利用法を開発することが急務となっている。特に、我が国のような貧資源国では、新規なエネルギー資源の開発は国家的な課題である。本研究開発では、稲作から廃棄物として派生する稲わらなどからエタノールを生産する際のエネルギー投入量を軽減させることを目的として、5炭糖と6炭糖を高発酵効率でエタノールへ変換することが可能で、さらに加水分解酵素を分泌する新規な糸状菌を開発するとともに、これを利活用した同時糖化発酵システムを構築し、稲わらなどからエタノールを効率よく生産させる同時糖化発酵システムの開発を実施した。具体的には以下のテーマを実施した 1)エタノール発酵糸状菌の高度化、2) エタノール発酵糸状菌の代謝および発酵フローの解明、3)糸状菌分泌加水分解酵素群の解明、4) 代謝関連酵素遺伝子の構造解析、5) 同時糖化発酵プロセスの開発。テーマ1では、キシロース発酵が可能な野生の接合菌Mucor属および近縁種合計約200株について好気条件下でエタノール生成試験を行い、発酵能の優れていたM.javanicus株を見出した。さらに、この糸状菌の分生子に対してイオンビーム照射による変異誘導と育種を行い、キシロース発酵効率76%を有する変異株を開発した。テーマ2および4では、エタノール発酵糸状菌M.javanicusおよびその変異株を主に用いてセルロースを構成するD-グルコース(6炭糖)やヘミセルロースを構成するD-キシロースやL-アラビノース(5炭糖)から効率よくエタノールを生産させるために、代謝・発酵フローの解明を行うとともに、代謝経路に関連する各酵素の特徴を把握した。さらに、代謝関連酵素遺伝子の構造や発現の様子を分子生物学的に解明した。また、テーマ 3では、エタノール発酵糸状菌の特性であるセルロース加水分解酵素群の分泌挙動をM.javanicusを用いて検証した。稲わらを懸濁した培地で培養した場合、endo-β-グルカナーゼ, セロビオハイドロラーゼ(CBH), β-グルコシダーゼ (BGL) 等のセルラーゼを分泌生産したが、CBHとBGLの発現量が低いことが判明した。そこで、培養工学的手法によりBGL高発現培養法の開発を行い、さらに、BGLの酵素化学的諸特性を解析し、本酵素が新規なエタノール耐性酵素で有り、同時糖化発酵プロセスへの利用に最適な酵素であること見出した。また、テーマ5では、本菌株と食品加工用セルラーゼからなる酵素カクテルを組み合わせた同時糖化発酵により、100 g/Lのアルカリ処理稲わらおよび機械的微細化処理稲わらからそれぞれ25.9 g/Lのエタノール(培養48時間、理論収量84.6%)と14.6 g/Lのエタノール(培養36時間、理論収量の58.3%)を得ることが可能であることを実証した。最終的に、本研究開発で構築したM.javanicus変異株とセルラーゼのカクテルを組み合わせた同時糖化発酵により、最終的に多収穫稲からエタノール生産を行った場合、エネルギー収支とエネルギー回収率をそれぞれ1.28と0.366を達成できた。
英文要約In order to reduce the energy inputs required to efficiently produce ethanol from biomass such as rice straw generated from rice farming as agricultural residue, novel fungi that was able to secret various cellulases and to ferment not only hexose but also pentose was developed, and further a simultaneous saccharification and cofermentation (SSCF) system that will use the fungi is being constructed in this R&D project. In the project, the following theme was investigated: 1) high-functionalization of ethanol-fermenting fungi, 2) research of pathway for metabolism and fermentation, 3) research of hydrolases secretion, 4) structural analysis of metabolism-related enzyme genes, and 5) development of SSCF. In theme 1, a Mucor javanicus strain with excellent fermentative ability was found among about 200 kinds of strains classified into Zygomycete Mucor by estimating ethanol fermentation of xylose under aerobic condition. Moreover, the mutant with the fermentation efficiency 76% on xylose was constructed by mutating with carbon ion-beam irradiation to the fungus. In themes 2 and 4, the pathway for xylose metabolism and fermentation of M.javanicus and the mutant were clarified to produce ethanol efficiently from hexose (glucose) composing of cellulose and pentose (xylose, arabinose) composing of hemicelluloses. Further, the characteristic of each enzyme related to those metabolic pathways was clarified, and the structure and the expression of the metabolic enzyme genes were clarified in molecular biology. In theme 3, the secretion behavior of the lignocellulose hydrolysis enzymes from the fungi was verified. As a result, when the fungi were cultured by using the rice straw suspended medium, endo-β-glucanase, cellobiohydrolase (CBH), and β-glucosidase (BGL) were secreted to the medium but unfortunately the expression of CBH and BGL was very few. Therefore, the culture method that was able to achieve high BGL production was developed and then the characteristics of the BGL were analyzed by enzyme chemistry. It was suggested that the hydrolytic stage in SSCF with the fungus progress smoothly because the BGL has high ethanol tolerance. In theme 5, when the SSCFs on 100 g/L rice straw prepared alkaline treatment and mechanical fine-grinding treatment were carried out with optimized cellulase cocktail and the developed mutant, 25.9 g/L (84.6% of theoretical yield) and 14.6 g/L (58.6%) ethanol was able to produce for 48 and 36 h, respectively. From these results, when ethanol production was performed from whole high-yielding rice by SSCF system with novel ethanol-fermenting mutant, it was confirmed that the energy balance and the energy recovery rete were able to achieve 1.28 and 0.366, respectively.
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