成果報告書詳細
管理番号20140000000216
タイトル平成20年度-平成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) セルロースエタノール高効率製造のための環境調和型統合プロセス開発
公開日2014/7/1
報告書年度2008 - 2012
委託先名国立大学法人神戸大学 国立大学法人京都大学 学校法人関西大学 月桂冠株式会社 Bioーenergy株式会社 株式会社豊田中央研究所 関西化学機械製作株式会社 サントリービジネスエキスパート株式会社 鹿島建設株式会社 国立大学法人東北大学 国立大学法人名古屋大学 学校法人早稲田大学 特定非営利活動法人近畿バイオインダストリー振興会議 国立大学法人大阪大学
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約化石燃料の枯渇・地球温暖化防止の観点から、再生可能な植物バイオマスからエタノールを製造するバイオリファイナリーに関して、前処理から製品分離に至る統合的なプロセス開発が急務となっている。本PJでは主として草本系バイオマスをターゲットとし、1)水熱処理等による前処理、2)セルラーゼやヘミセルラーゼを細胞表層提示するアーミング酵母による糖化と、ペントースおよびヘキソース発酵を同時に行うCBP、3)省エネ型のエタノール回収、4)廃水処理と残渣の有効利用、に関して、ブレークスルーのための要素技術開発を行うとともに、それらを統合した日本独自のプロセス開発を目指した。
1)前処理工程
独自の草本系バイオマスの前処理技術として、温度や滞留時間、添加剤など水熱処理条件の検討を行うとともに圧搾/蒸煮方式の基本手法を確立した。原料の脱水による高固形分化と粗粉砕を狙った圧搾処理と、熱と希酸による原料の部分分解と高固形分率の維持を狙った蒸煮処理を組合せることで、セルロース成分、ヘミセルロース成分を高い固形分率で同時回収でき、糖化後に高い糖収率を示すバイオマスが調整可能であることを示した。
2)CBP発酵工程
600株以上の産業用酵母より、高温生育性、グルコース・キシロースの発酵性、発酵阻害物耐性、倍数性、薬剤感受性等を調べたうえでSun49を含むCBP酵母候補株を決定した。二倍体酵母の育種のために、独自のマーカーリサイクリングシステムを開発し、25ヵ所の染色体上の領域に複数の遺伝子を安定的に組み込めるベクターを構築した。メタボロミクスに基づくキシロース資化能力の向上や発酵阻害物耐性の向上に成功した。一方、酵母表層に提示するセルラーゼの分子進化による高機能化(分解活性・耐久性・発現量向上)を行い、他の各種セルラーゼとのカクテル効果を最適化し、酵母の糖化能を向上させた。高濃度に仕込んだバイオマスを効率的に発酵するシステムを開発し、エタノールの高濃度化に成功した。2Lアンカー翼式発酵槽へのスケールアップに成功し、低濃度酵素存在下での89%以上のエタノール収率を達成することができた。リグノセルロース系バイオマスの発酵液からの酵母の回収、菌体の再利用による繰返し発酵技術の開発を行った。
3)エタノール回収工程
チェンジトレイを搭載したモロミ塔とドライ真空ポンプを搭載した二重管式充填・棚段塔型HIDiC塔から成るベンチプラントを開発し、一貫システムの中に設計・製作した。標準型HIDiCベンチシステムは消費エネルギーの目標値(< 4 MJ/L-EtOH)および蒸留濃縮条件(< 90 wt% EtOH)を達成し、大型化に適した2塔式HIDiCベンチシステムも目標消費エネルギー値および濃縮条件をほぼ達成した.
4) 残渣処理と排水処理
嫌気処理と好気処理の組合せをベースとしたシステムを検討し、ディッチ式のバイオリアクタが低コスト処理を可能にすると判断し、固定床式嫌気好気ディッチシステムを考案した。硫酸蒸煮ネピアグラスを対象とした場合,硫酸濃度3%以下において,嫌気処理時のHRT:0.67日,好気処理時のHRT:1日で良好な処理水質が得られることが確認された。高度処理については,凝集沈殿処理とフェントン処理を組み合わせることで,有機物濃度,色度の低い処理水質を得られることが確認された。
5)システム最適化
各工程のフローダイアグラムを作成し、現状と目標の能力変数値を決めることで,原料からエタノール製造,廃棄物処理までの物質収支を作成した。これより,初期費用,運転費用,使用エネルギーを評価した。
英文要約1) Development of biomass processing by hydrothermal pretreatment
Operating conditions of hydrothermal pretreatment was examined. Novel pretreatment system by a combination of compression and steam was developed, which facilitated enzyme digestibility of cellulose and hemicellulose. High recovery of cellulose and hemicellulose has been achieved from high solid content.
2) Development of CBP
More than 600 industrial yeast strains were tested for growth at 38 -C, fermentation ability of both sugars, tolerance for fermentation inhibitors, ploidy, and sensitivity to antibiotics to select several strains suitable for CBP. A marker recycling system available for genetic modification of diploid yeast was developed. 25 vectors that could integrate multiple genes stably into different sites of chromosomes were constructed, which were worked on the selected yeast strains as well as laboratory yeast. Recombinant strains displaying cellulolytic enzymes on the cell surface were developed with the CBP strain. To increase the efficiency of converting cellulosic biomass to fermentable sugars, improvement of the catalytic activity of cellulolytic enzymes was achieved through evolutionary engineering. Display of cellulases on the yeast cell surface afforded high yield ethanol production from high-solid material. Fermentation ability of the recombinant yeast was successfully maintained during a ten-cycle repeated batch fermentation.
3) Development of an energy-saving ethanol-concentration/dehydration system
A bench plant consisting of a change-trayed mash column followed by a double-tube HIDiC packed & trayed column and a dry vacuum pump installed between the HIDiC stripping and rectifying section has successfully been developed within the total system for the actual proof of CBP process. The single-column standard HIDiC bench plant was successfully operated only by a dry vacuum pump without any heat duty. The total energy consumed by this system could be kept below the target value. The total energy consumed by the two-column compressor-free HIDiC bench plant appropriate for a large commercial scale plant amounted to 4.59 MJ/L-EtOH satisfying the target value of this system.
4) Beneficial use of residues and development of effluent treatment technique
The fixed-bed anaerobic-aerobic ditch design was the most suitable system that can provide high performance at low cost. Napier grass, which was pre-treated by steaming with dilute sulfuric acid, HRTs of 0.67 days and 1.0 day in anaerobic and aerobic reactors, respectively, were found to be adequate to obtain high-quality effluent. Advanced treatment of coagulation followed by Fenton reaction was found to be effective to remove recalcitrant colored materials.
5) Process evaluation
The total system flow was constructed based on the performance of the process developed. The mass balance and energy balance was established with the system flow, and the cost estimation was conducted with the merit of consolidated bioprocessing.
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