成果報告書詳細
管理番号20130000000591
タイトル平成21-24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) イオン液体を利用したバイオマスからのバイオ燃料生産技術の開発
公開日2014/5/9
報告書年度2009 - 2012
委託先名国立大学法人神戸大学 国立大学法人九州大学 株式会社豊田中央研究所 トヨタ自動車株式会社
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約九州大学では、実バイオマスの前処理に効果的な新規イオン液体の探索を行った。まず、1バッチ系i-CBP (ionic liquid-based consolidated bioprocessing) を中心に基礎検討を進め、その後、2バッチ系i-CBPへの適用可能性まで含めた検討を行った。種々の市販イオン液体、新規合成イオン液体を用いた検討の結果、イオン液体構成分子の置換基の位置や構造が糖化効率に影響を与え、特にピリジニウム系イオン液体により、結晶性セルロースについては80℃程度、実バイオマスについては100℃程度の前処理により、酵素糖化の促進を確認した。前処理バイオマスの詳細解析から、当該イオン液体によるセルロース鎖の部分切断と結晶構造変化が、酵素糖化反応の促進因子であることが示唆された。
 神戸大学ではこれまでに細胞表層技術を利用し、目的に応じた多彩なタンパク質を酵母表層に提示する技術を確立してきた。この技術を用いて、本研究では開発したセルラーゼ表層提示アーミング酵母によるイオン液体前処理バイオマスからの直接エタノール発酵に関する検討を行った。イオン液体1-Butyl-3-methylimidazolium acetate ([Bmin][OAc])で前処理した実バイオマス(バガス)からのアーミング酵母による発酵実験から、発酵時に市販セルラーゼを添加することで、理論収率100%を達成した。以上より、イオン液体前処理バイオマスからのアーミング酵母による直接エタノール発酵への適用の可能性を示した。
豊田中央研究所では、前処理したバイオマスを回収後、別の槽で糖化・発酵を行なう2バッチ系i-CBPプロセスについて検討した。実バイオマス前処理に適したイオン液体の選抜を試み、酢酸系アニオンを有するイオン液体、特に[Bmim][OAc]に高い効果があることを確認した。また一般的に高価と指摘されるイオン液体について、低純度イオン液体やイオン液体希釈剤を検討し、低コスト利用の可能性を確認した。次に15種類の糖化酵素を単独で分泌生産する遺伝子組換え酵母を作製し、様々な培養上清の組み合わせにおけるバイオマス糖化能を評価した。その結果、2バッチ系i-CBPプロセスに好適な5種類の糖化酵素カクテルを同定することができた。同定した5種類の糖化酵素を同時に分泌生産できる組換え酵母を作製し、イオン液体処理バイオマスからエタノールまでの一貫試験を試みた結果、高効率なエタノール生産を確認できた。
トヨタ自動車では、以下の2点について検討した。(1)i-CBPプロセスでのイオン液体の回収・リサイクル検討:イオン液体前処理の際、バイオマスへの染込みによるイオン液体回収率低下を確認したので親水性溶媒(エタノール、アセトン、水)による抽出回収率を検討し、アセトンならびにエタノールによる洗浄で目標として掲げた95 %以上のイオン液体回収効率を確認した。またイオン液体のリサイクル回数について検討し、リサイクル回数についても目標である50回の繰返し利用が可能であることを確認した。(2)商業ベースイオン液体検討:商業ベースイオン液体前処理性能を評価し、試薬と同等であることを確認し、実用化に向けた課題を整理した。可能性の一つとして、イオン液体プロセスで容易に分離可能なリグニンの有効活用が有効であるとの結論を得た。
英文要約Recently, the use of ionic liquids (ILs) as potent effective reagents for the pretreatment of lignocellulosic biomass has attracted significant attention. In this project, Kyushu University Group explored potent ILs for the pretreatment of lignocellulosic biomasses and found that pyridinium-type ionic liquids (PyIL) showed better performance than a common IL, 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate, with respect to the initial reaction rates in enzymatic saccharification. The yields of regenerated biomasses varied according to the pretreatment temperature and time. Spectroscopic analyses of pretreated biomass such as Avicel, Bagasse and Eucalyptus showed either crystalline polymorphic alteration of cellulose or partial degradation of the crystalline cellulosic fraction in pretreated biomasses.
Kobe University Group focused on the application of four cellulases displayed yeast strain to the ethanol fermentation from ionic liquid pre-treated bagasse. The complete degradation and conversion to ethanol was attained with additional cellulase enzyme mixture reagent in one batch operation. In addition, the construction of cellulases displayed arming yeast optimized for ionic liquid pre-treated bagasse by three steps of gene integration strategies was also performed, and we could find out the optimized arming yeast for baggasse assimilation.
Toyota Central R&D Lbs Inc. Group developed an ethanol fermentation process by two batch operation with lignocellulosic biomass such as bagasse, eucalyptus, and cedar. We clarified that the 1-Butyl-3-methylimidazolium acetate ([Bmim][OAc]) was the most effective IL for biomass pretreatment. To develop the low cost of biomass pretreatment process, we examined the diluted ionic liquid with an organic solvent. The optimal cellulase combination for ionic liquid pre-treated biomass was screened from 15 kinds of celluases, and the cocktail ratio was identified by cellulose saccharification rates. Subsequently, by using the mixture containing transgenic yeast strain which was secretary produced cellulase with optimal ratio, two batch processes was performed from ionic liquid pre-treated biomass. As a result, we confirmed the ethanol fermentation from ionic liquid pre-treated biomass with two batch operation.
Toyota Motor Corporation investigated following 2 points. (1) Recovery and recycling of ionic liquid in i-CBP.: As the recovery of ionic liquid through wash step from biomass was critical, we examined about some wash medium. By calculating of recovery yield with wash medium,the acetone and ethanol was attained 95 % over recovery of ionic liquid. Furthermore we examined the recycling of ionic liquid by evaluating of 50 times. (2) Investigation of commercial ionic liquid.: We examined the commercial ionic liquid was same as reagent one in the pretreatment ability and investigated issue for practical use. We concluded it was important the utilization of lignin was important as one of possibilities.
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