成果報告書詳細
管理番号20150000000520
タイトル平成25年度-平成26年度成果報告書 バイオマスエネルギー技術研究開発 戦略的次世代バイオマスエネルギー利用技術開発事業 (次世代技術開発) 油糧微生物ラビリンチュラを利用したジェット燃料・船舶燃料生産の研究開発
公開日2015/9/1
報告書年度2013 - 2014
委託先名株式会社Biomaterial in Tokyo 国立大学法人宮崎大学
プロジェクト番号P10010
部署名新エネルギー部
和文要約 ラビリンチュラ類は増殖が速く多量の油脂を蓄積するため、石油代替燃料資源として注目を集めている。しかしながら、従属栄養性で増殖に多量の糖質を必要とするため、事業化には安価で安定供給可能な糖質の確保が問題となる。本研究開発では、食料と競合しないリグノセルロースバイオマス由来糖質を培地糖源として用いることとし、バイオマス糖化液中のC5糖(アラビノース、キシロース)を効率的に利用できる株の探索・分子育種を目標とした。同時に、バイオマス糖化液を用いた高密度培養方法の検討、抽出油脂の燃料適性評価を行うことによって、エネルギー収支・エネルギー回収率が高く、コスト競争力のある技術の開発を目指した。
 C5糖資化株の探索においては、日本の沿岸域の海水から2,500株のラビリンチュラ類をスクリーニングした結果、バイオマス糖化液に含まれるC5糖のキシロース、アラビノースを資化できる新規41株の分離に成功した。特に、C5糖資化能の高い3株においてバイオマス糖化液を用いた培養試験を行った結果、バイオマス糖化液中に含まれるC5糖を100%資化することが確認され、当初掲げた「バイオマス糖液に含まれるC5糖(アラビノース、キシロース)を95%以上の効率で資化できるラビリンチュラ株の取得」という目標を達成した。
 C5糖資化株の分子育種においては、C5糖資化能の付与・強化を目指し、異種生物由来のC5糖取込みタンパク質およびC5糖代謝酵素群の過剰発現を試みた。ラビリンチュラ類における既知の遺伝子組換え技術に従い、作製した遺伝子発現カセットを導入した結果、導入した目的遺伝子がゲノムDNA上に組込まれ、RNAへと転写されていることは確認できたものの、C5糖資化能が向上した株の取得には至らなかった。
 高密度培養方法の検討に関しては、2 L容ジャーファーメンター培養において、バイオマス糖化液とグルコース試薬の混合培地ではあるが、目標値を上回る数値【回収菌体密度81 g/L/6 days、投入糖当たりの菌体回収効率54%、乾燥菌体中の油脂含量46%】を達成した。また、2 L容ジャーでの試験データを基に30 L容ジャーファーメンターにおける培養試験を行った。グルコース試薬のみを炭素源として培養した結果、目標値には届かなかったものの、【培養日数6日程で回収菌体重量61 g/L、投入糖当たりの菌体回収率50%、乾燥菌体中の油脂含量63%】を得ることに成功した。この時、一日当たりの油脂生産量に関しては6.4 g/L/dayとなり、設定目標値からの換算値5.6 g/L/dayを上回っていた。
 ラビリンチュラ油脂は、石油製品を製造する製油所2次装置おいて、熱分解あるいは水素化分解で軽質化する必要のある沸点留分にあたる。本研究では、これまで検討例の無い熱分解に着目し、抽出油脂の熱分解挙動の解析を行った。抽出したラビリンチュラ油脂について熱分解GC-MSにて分解物を解析した結果、一定量の分解脱炭酸反応の進行が認められ、一部ジェット燃料・船舶燃料にあたる炭化水素の発生が確認された。一方で分解生成物の主成分は不飽和脂肪酸であり、なお水素化分解等を行う必要があることが示唆された。さらに、サンプルの脂肪酸組成によって分解脱炭酸反応の進行度合いに変化が生じる可能性を示唆するデータが得られた。また、ラビリンチュラ油脂の水素化分解時における水素消費量と水分発生量を推定するために、油脂のCHNO分析を行った結果、いずれのラビリンチュラ油脂も10%以上の酸素を含み、水素化分解によって多量の水が発生することが分かった。
英文要約Abstract

 Because thraustochytrids grow rapidly and accumulate lipids, they are being considered as a potential source of alternative fuels. However, as they are heterotrophs that require sugars to grow, securing a constant and cheap supply of sugars could be problematic. This project focused on using non-edible lignocellulosic biomass as the sugar source, and screening and molecular breeding strains capable of metabolizing the C5 sugars (arabinose and xylose) found in the biomass sugar solutions. High-density cultivation methods and evaluation of the thraustochytrid lipids for fuel use were also done to develop a high energy balance/recovery system that is cost competitive.
 In screening for strains that can metabolize C5 sugars, 41 new strains with C5 metabolizing ability were successfully isolated from 2,500 strains of thraustochytrids found along the coast of Japan. The goal of “obtaining a strain that metabolizes 95%+ of C5 sugars in biomass sugar solution” was achieved with 3 strains with particularly high C5 metabolism that consumed 100% of the C5 sugars when cultivated with biomass sugar solution.
 Attempts were also made to introduce and improve C5 metabolism in thraustochytrids. Foreign genes associated with C5 transporter proteins and C5 metabolism enzymes were integrated into the DNA using gene expression cassettes made from previously reported gene modification techniques. However, despite confirmation of RNA transcription, the modified strains did not show any increase in C5 metabolism.
 In evaluating high-density cultivation methods, cultivation in a 2L jar fermentor with a combination of biomass sugar solution and glucose resulted in 81 g/L/6 days cell density, 54% conversion of supplied sugars to cells, and lipid content of 46% in the dried recovered cells, exceeding the initial goals. Using these data as reference, trials were conducted with 30 L jar fermenters using glucose as the sole carbon source. Results at 61 g/L/6 days of cell recovery, 50% conversion, and 63% lipid content, were close to the target values. Lipids produced per day averaged 6.4 g/L, better than the original goal of 5.6 g/L.
 Thraustochytrid lipids would normally be found in a fraction that requires pyrolysis or hydrocracking in conventional petroleum refineries. This project focused on analyzing the effect of pyrolysis treatment as there were no previous data. Pyrolysis GC-MS analysis of the extracted lipids showed stable progression in decarboxylation with a portion of hydrocarbons being useable as jet and ship fuel. However, as the degraded product contained mainly unsaturated fatty acids, further processing was deemed necessary. Furthermore, the data suggested that the fatty acid composition of the sample affected the progression of decarboxylation. The CHNO analysis of thraustochytrid lipids to determine the hydrogen consumed and water released during hydrocracking showed oxygen content exceeding 10%, meaning large volumes of water was being produced during the process.
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