成果報告書詳細
管理番号20150000000058
タイトル平成21年度-平成25年度成果報告書 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2015/3/31
報告書年度2009 - 2013
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大学院農学生命科学研究科
プロジェクト番号P09014
部署名新エネルギー部
和文要約件名:平成21年度-25年度成果報告書 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

セルロース系目的生産バイオマス(エネルギー植物)を原料とし、低コスト収穫・運搬・貯蔵技術を用いた周年供給システムと低環境負荷なアンモニア前処理技術を基本として、最適糖化酵素の取得と高度利用、膜を利用した糖化液濃縮、非遺伝子組換え酵母によるエタノール生産等の技術を組合せた大規模安定供給が可能なエタノール一貫生産システムの開発を行った。全体目標であるコスト80円/L、化石エネルギー収支2以上、GHG削減率50%以上を達成した。具体的な研究内容と実績は以下のとおりである。
1.エネルギー植物の生産システムの確立
各気候帯におけるエネルギー植物の周年供給システムを確立した。周年供給システム構築のため各気候帯で栽培・収穫・貯蔵モデルを検討し、熱帯におけるネピアグラス栽培が最も低コスト・高生産性であることを見出した。また、低投入持続的な栽培技術の確立、品種の選抜、最適な収穫技術の開発と貯蔵運搬技術、栽培候補地選定手法を確立した。さらに、インドネシア国ランプン州の生産候補地で大規模実証栽培を実施し、生産性50t/ha・年、原料コスト3円/kgの実現性について目途を付け、個別目標を達成した。
2.エタノール製造技術に関する研究開発
前処理技術では廃液や糖質成分ロスがない乾燥アンモニアガスを用いたプロセスを開発した。低圧ガス処理と気液混相処理を経る低圧二段法を確立し、糖化率80%の目標性能を維持したまま消費エネルギーを大幅に低減することができた。
酵素糖化技術では分離膜を利用した酵素回収再利用工程および糖濃縮工程を含む糖化プロセスを開発した。本糖化プロセスを前処理物に対して最適化を進め、目標である酵素回収率75%(活性ベース)、糖濃度15wt%、膜分離収率99%を達成した。また低コストな酵素生産プロセスの開発を実施し、ベンチスケールでの酵素生産プロセスの実証、また生産された酵素をベンチ実証試験に適用し、目標糖収量500g/kgバイオマスを達成できることを確認した。
発酵・濃縮・脱水技術では非遺伝子組換え酵母によるC5糖発酵プロセスを開発した。二段発酵技術ではC5発酵酵母の複合ストレス耐性酵母を取得した。バイオマス糖化液を用いてバイオエタノール生産を検討したところ、C6糖からの発酵収率95%、C5糖からの発酵収率85%の目標を達成した。C5・C6糖同時発酵技術では、自己遺伝子の活性化によりC5糖資化能を付与した。低圧二段アンモニア処理の糖化液からの発酵収率を上げるため、代謝シミュレータで抽出した複数の遺伝子を改良し発酵収率85%の目標を達成した。
蒸留・脱水技術の開発では、ベンチ実証プラントで加圧蒸留+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。この技術で3.4MJ/Lの低エネルギーで濃縮できること(エタノール濃度10%w/wから)を確認した。
3.ベンチ実証試験
開発した各要素技術をベンチ装置に適用してその性能がベンチ規模で実現することを検証した。バイオマスからのエタノール収量の目標250L/tを達成した。
4.一貫システムの最適化
エネルギー植物生産からエタノール製造の一貫工程のマテリアルバランスから20万kL/年規模で一貫プロセスのバランスシートを構築し最適化を図り、全体目標であるコスト80円/L、化石エネルギー収支2以上、GHG削減率50%以上を達成した。
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) Final Report

Using cellulosic energy crops as raw materials, we developed a year-round raw-material supply system. We established a cellulosic bioethanol supply system by combining technologies, such as dry ammonia pretreatment, enzyme screening and its high-degree application, sugar concentration using a membrane, and ethanol fermentation by non-genetically-modified yeast. The optimized integrated system achieved development targets: 80 yen/ethanol-L, with a fossil fuel energy ratio of >2, and a >50% reduction in the greenhouse gas emission.
According to analysis of the materials supply system in each climatic zone, in the tropical zone, Napiergrass cultivation had the highest productivity and the lowest cost. We also established a site evaluation procedure to identify lands suitable for this material-crop cultivation. We established a low-input and sustainable cultivation technology, an optimal harvesting technology, and a storage and transportation technology. We confirmed targets of productivity at 50 t/ha and of cost of 3 yen/kg in a large-scale cultivation test.
We also developed a raw material pretreatment process using dry ammonia gas. This process eliminated the loss of the sugar component. We established a novel low-pressure 2-stage process that significantly reduced energy consumption, while maintaining an 80% saccharification rate.
We also developed a saccharification process, including an enzyme recycling step and a sugar concentration step using membranes. We achieved our target values: >75% enzyme recovery based on activity and the sugar concentration >15 wt%. Furthermore, we developed a low-cost enzyme production process, and the resultant enzyme was applied to hydrolysis of the pretreated biomass.
We developed a xylose fermentation process by non-genetically-modified yeast. Stress-tolerant xylose-fermenting yeast cells were selected for the two-stage fermentation technology. Fermentation performance of this yeast strain was adequate: a 95% yield from C6 sugars and 85% from C5 sugars. To optimize the simultaneous C5+C6 fermentation, we generated xylose-fermenting yeasts by activating some endogenous genes. We manipulated several genes involved in the ethanol production and achieved an ethanol yield of 85%. The fermentation yield from a sugar solution reached 85%.
Moreover, we established a new process combining an organic membrane and pressurized distillation, which allows concentration of ethanol from 10% to 99.5% at the energy expenditure of 3.4 MJ/L.
We applied these conversion technologies to a demo-plant and confirmed that the techniques can be implemented on a bench scale. We achieved the desired yield of 250 L of ethanol per ton of biomass. This integrated process was optimized for factory design on a 200,000 kL/year scale by estimating construction cost and utility usage. Thus, it was confirmed that the cost target and the LC targets were achieved.
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