成果報告書詳細
管理番号20130000000840
タイトル平成17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) 木質バイオマスからの高効率バイオエタノール生産システムの研究開発
公開日2014/8/28
報告書年度2005 - 2012
委託先名国立大学法人京都大学 国立大学法人鳥取大学 日本化学機械製造株式会社 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
和文要約酵素糖化・発酵によりリグノセルロースをバイオ燃料へ変換するためには、リグニンにより被覆された植物細胞壁多糖を露出させる前処理と、前処理物を高効率で糖化・発酵するプロセスの開発が必要である。本プロジェクトでは、木質バイオマスからバイオエタノールを高効率で生産する目的で、マイクロ波による新規な前処理法、前処理装置を開発した。また、エタノール発酵細菌ザイモバクター・パルマ、ザイモモナス・モビリスをゲノム情報に基づく代謝工学的な手法を用いて育種し、機能強化した組換え菌を用いた高速糖化発酵技術の研究開発を実施し、最終的に同時糖化並行発酵(SSCF)を用いたバイオエタノール一貫生産プロセスを開発した。本プロジェクトでは、バイオエタノールを生産するベンチプラントを建設し、このプラントを用いてSSCFにより早生樹ユーカリ グロビユラスからバイオエタノールを、生成濃度5%以上、生産性1g/L/H以上、醗酵収率90%以上で生産した。生産したバイオエタノールは蒸留し、輸送用燃料およびプロピレン生産原料として十分高い品質をもつことを実証した。
第二世代バイオエタノール生産では、高効率な糖化前処理法の開発は必須である。本研究は、スギ材の白色腐朽菌処理とマイクロ波オルガノソルボリシスから開始し、東南アジアにおけるバイオエタノール生産のコスト優位性に着目して、ユーカリを原料としたマイクロ波水溶液反応前処理システムに移行した。設備コスト低減のため、1.5kwのマグネトロンを8ポートもつ超低コストマイクロ波反応装置を開発した。酵素糖化効率化のために、多糖分解酵素カクテルをスクリーニングした。また、セルラーゼの前処理バイオマスへの非生産的吸着を軽減する添加剤を適用した。
高効率なSSCFプロセスを開発するため、エタノール高速発酵細菌を育種した。SSCFに最適な菌としてザイモモナスBC01を分離した。この菌は、高い耐酸性、耐糖能と発酵阻害耐性をもち、SSCF条件((C35度以上、pH5以下))でも発酵する。BC01BC01株に--ベータ-グルコシダーゼ遺伝子を導入することによりセロオリゴ糖からエタノールを生産できる組換え株を育種し、この組換え株を用いてマイクロ波処理ユーカリのSSCFにより高効率でエタノールを生産した。また、ザイモモナスBC01C01株に大腸菌由来のキシロース代謝酵素遺伝子群を導入して発現させることにより、C5・C6糖同時並行発酵性を付与した。キシロース代謝遺伝子を組み込んだザイモモナスBC01は、ヘミセルロース由来のキシロースを含む前処理可溶液からエタノールを生産した。また、マイクロ波処理可溶液とパルプのSSCFによりエタノールを高効率で生産した。
バイオエタノール生産のため、ザイモモナスBC01の発酵耐性を強化するとともに、糖化やSSCFの残滓リグニンから発酵阻害物質吸着体を開発した。この吸着体は、糖の過分解物であるフルフラールや5-HMFリグニン分解物などの発酵阻害物質を吸着除去した。また、この阻害物質吸着剤をベンチスケールのバイオエタノール生産に適用し、5% 以上の濃度でエタノールを生産し、その性能を実証した。この吸着除去プロセスでは、購入物や廃棄物がなく、吸着体は再生可能であり、可溶液中の有機物である阻害物質も吸着・燃焼されるので、廃液処理の負荷も軽減される。
以上の実験データに基づくエネルギーバランスとコストの定量評価から、開発したプロセスの高いバイオエタノール生産性が実証された。
英文要約 For production of bioethanol from lignoncellulosics including woody biomass, pretreatments exposing plant cell wall polysaccharides and subsequent saccharification and fermentation processes with high efficiency are necessary. In this project, we developed novel microwave reactors and pretreatments for production of bioethanol from woody biomass. Ethanologenic bacteria, Zymobacter palmae and Zymomonas mobilis were bread using metabolic engineering based on genomic information, and applied to the bioethanol producing system using the microwave pretreatments and SSCF. A bench-scale plant was constructed, and bioethanol was produced at ethanol concentration over 5%, productivity over 1g/liter/hr and fermentation yield over 90%. The bioethanol produced was distilled, and its high quality as a transportation fuel and raw feedstock for propylene production was demonstrated.
The research was started from conversion of Japanese cedar wood with pretreatments with white rot fungi and microwave organosolvolysis, and then shifted to microwave reactions of E. globulus in aqueous media without use of the biological treatment, in view of an economical advantage of the bioethanol production in Southeast Asian countries. To reduce the cost for pretreatment system, a new ultra-low cost microwave reactor was developed. For enzymatic saccharification, cocktails of cellulolytic and hemiccllulolytic enzymes were screened, and applied together with additives decreasing non-productive binding of cellulase on the pretreated biomass.
Molecular breeding of ethanologenic bacteria capable of producing ethanol by SSCF process was conducted. Zm. mobilis BC01 strain was newly isolated as the most suitable strain for SSCF. The strain exhibiting tolerance to low pH, higher concentration of sugars and inhibitors could ferment under SSCF condition (at over 35degree, at lower pH5.0). Zm. mobilis BC01 strain capable of producing ethanol from cellooligosaccharides was bred by introduction of bacterial beta-glucosidase gene. The engineered strain performed SSF of MW-pretreated eucalyptus pulp. Zm. mobilis BC01 carrying genes encoding xylose catabolic enzymes from E. coli was suitable to co-ferment a black liquor containing xylose from hemicellulose. The genetically engineered Zm. mobilis BC01 exhibited high productivity of bioethanol on SSCF of the MW-pretreated Eucalyptus wood.
For bioethanol production, Zm. mobilis BC01 was bread to increase tolerance for fermentation inhibitors. At the same time, we developed a self-sufficient adsorptive removal system of fermentation inhibitors by developing adsorbent for inhibitors from residual lignin. Using the adsorbent, bioethanol was successfully produced at the ethanol concentration over 5 wt% in the bench-scale plant.
Quantitative estimation of energy balance and production cost based on the experimental data proved the high productivity of the newly developed bioethanol production processes.
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