成果報告書詳細
管理番号20130000000744
タイトル*平成24年度中間年報 セルロース系エタノール革新的生産システム開発事業 バイオエタノール一貫生産システムに関する研究開発 セルロース系目的生産バイオマスの栽培から低環境負荷前処理技術に基づくエタノール製造プロセスまでの低コスト一貫生産システムの開発
公開日2014/9/27
報告書年度2012 - 2012
委託先名バイオエタノール革新技術研究組合 国立大学法人東京大学
プロジェクト番号P09014
部署名新エネルギー部
和文要約和文要約等以下本編抜粋:
1.研究開発の内容及び成果等
エネルギー植物生産システム開発では、熱帯(インドネシア)でネピアグラスの大規模実証栽培を行い、初年度の栽培データを取得し解析を行った。さらに、低投入持続的な栽培技術の有効性を評価した。育種については従来品種より低コストでセルロース系目的生産バイオマスを生産できる作物の育種を行うことを目的として、熱帯(インドネシア)において、ネピアグラスの選抜を行った。
収穫貯蔵運搬技術の開発では原料植物の乾燥・圧搾脱水試験の実施、簡易含水率測定方法の検討、中間集積所の施設内容検討、評価プログラムの作成とケーススタディの実施、収穫・運搬機械の改造及び収穫試験の実施、栽培候補地の選定評価手法の確立、原料植物の周年供給システムの構築を行った。
前処理技術の開発では、独自の処理方法を開発し、そのベンチ前処理製法を確立した。LC評価実施のための前提として、20万kL/y規模での原料受入工程及び粉砕・乾燥工程のプロセスプロット、機器選定、プロット規模の概算を実施した。
酵素糖化技術の開発では、まずバイオマス評価を行い、酵素糖化の高効率化と酵素コストの削減を目指して、バイオマス品種、部位、乾燥法、栄養条件、日照条件などの成分や糖化性への影響を評価した。
また酵素回収条件の最適化により約60%の酵素活性回収に成功した。固液分離、膜処理の最適化により糖回収率97%、糖濃度15%を達成した。酵素生産では、トリコデルマを用いて、90Lベンチスケールで、ラボと同等のセルラーゼ生産性を確認した。
さらに酵素コスト10円/L達成の3つの指針について、1)酵素生産コスト1,000円/kg以下、2)酵素添加量は酵素バイオマス重量比1/100以下で糖収量500g/gバイオマス以上についてはラボスケールで達成の目途がついた。最終年度は3)酵素回収率(75%標)を重点的に取り組む。
また酵素糖化ベンチ実証設備を使用して実証試験を計7回実施した(150kg前処理バイオマス/回)。自製酵素を用いてラボ同等の糖化率を得ることを達成した。糖濃度15%以上の糖液を発酵工程に提供した。
二段発酵技術については、C5発酵酵母の複合ストレス耐性酵母を取得し、バイオマス糖化液を用いて新二段階発酵法によるバイオエタノール生産試験を実施した。エリアンサス・ネピアグラス糖化液のラボ結果は、C6収率91%C5発酵収率90%以上を達成、ベンチ実証プラントにおいてもラボ試験再現性に目処を立てた。
蒸留・脱水技術の開発では、ベンチ実証プラントで採用した加圧蒸留+有機膜法によりバイオマス糖化液から99.5vol%のエタノール濃縮を達成した。またエネルギーを大幅に削減できる可能性のある新規な蒸留新技術の評価に着手した。
C5糖C6糖同時発酵技術においては、自己遺伝子の活性化によりキシロース資化能を付与した酵母のキシロースからのエタノール収率を向上させるため、代謝シミュレーターより抽出した
ボトルネックとなる遺伝子の改良を行ったが、エタノール収率の向上は認められなかった。そこで、補酵素、TCA回路等を導入し、代謝シミュレーターを改良し、新たに改良候補となる遺伝子を抽出した。また、低圧二段アンモニア処理エリアンサスの糖化液を用い、発酵性を評価したところ、キシロース消費、エタノール収率に合成培地と差はなく、本酵母は、バイオマス糖化液で利用可能であることを確認した。
一貫システム最適化に関しては、各工程のマテリアルバランスから計画値での20万kL/年商用規模で一貫プロセスのバランスシートを構築した。これらデータをLCA支援ツールに転移しLC評価を実施、 GHG削減率25%、エネルギー収支1.4の試算結果を得た。
英文要約Title : Development of an integrated system for the low-cost cellulosic bio-ethanol production from energy crops cultivation to conversion process based on environmentally-friendly pre-treatment technology (FY2009-FY2013) FY2012 Annual Report

We acquired growth data in the 1st year on the large-scale cultivation of Napier grass in Indonesia, evaluated the validity of sustainable production system, and made selection of Napier grass strains based on high yield and low cost.
We conducted the harvesting and drying tests of the raw materials, development of simple method for the water content measurement, the modification of the harvesting machines, the establishment of the evaluation program for the material flow, the evaluation method for the candidate plantation site.
We developed the original pre-treatment process, planned the process layout, and determined main equipment of raw material stock, cutting and drying area for the analysis of life-cycle analysis.
We evaluated the effects of biomass varieties, location, drying method, nutritional conditions, day light conditions on the component for reduction of enzyme cost and reaction efficiency.
In the study of recovery and concentration of enzyme, over 60% of cellulase was recycled by improved membrane system. The yield of sugar reached up to 97% and sugar concentration reached over 15%. We established the bench-scale production of enzyme by Trchoderma reesei.
Reduction of the production cost less than 1000 JPY/kg-enzyme and dose reduction of enzyme less than 1/100 (enzyme/biomass) have already been attained in laboratory scale. Establishment of the recycle system should be the focusing target in the final year of the project.
We have conducted demonstrations of enzymatic saccharification, membrane separation, and succeeded in producing enzyme in bench-scale. We also demonstrated saccharification reaction with use of the self-made enzyme. Sugar liquor was concentrated over 15 sugar % by membrane separation.
The laboratory fermentation results for sugar liquor addressed 91% C6 yield and 90% C5 yield or higher.
We addressed the ethanol concentration to 99.5vol% from the fermentation product by using the pressure distillation and the organic membrane equipment of the bench-scale plant.
To improve ethanol yield of the xylose-fermenting yeast, we modified the metabolic simulator that we have established and re-extracted the candidate genes for further improvement. We also evaluated the fermentation performance of the yeast by using a sugar liquor of Erianthus and found no difference in the ethanol yield and xylose consumption as compared to synthetic medium. This yeast was confirmed to be applicable to the sugar liquor.
For system optimization, material and energy balance of the entire system having 200,000 kL/year of bioethanol production capacity was established by integrating individual processes. Based on the LC analysis methodology, the bioethanol system was estimated 25% of GHG reduction in comparison with gasoline and net energy ratio (fuel energy produced vs. fossil energy used to produce the fuel) was 1.4.
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