成果報告書詳細
管理番号20160000000119
タイトル平成21年度ー平成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 早生樹からのメカノケミカルパルピング前処理によるエタノール一貫生産システムの開発
公開日2016/5/20
報告書年度2009 - 2013
委託先名王子ホールディングス株式会社 独立行政法人産業技術総合研究所 新日鉄住金エンジニアリング株式会社
プロジェクト番号P09014
部署名新エネルギー部
和文要約木質系バイオマスからのエタノール製造プロセスについて基盤技術として、原料栽培、前処理、糖化、発酵、蒸留についての要素技術の開発、建設した原料1トン/日のパイロットプラントを用いて構築したエタノール製造一貫プロセスの実証試験を行い、エネルギー収支、環境負荷、経済性の評価を行った。原料栽培に関しては事業植林樹種について網羅的に調査した。Eucalyptus globulusのオーストラリア試験栽培では2.5年目に植栽密度3倍の条件でMean annual incrementは13〔t/ha/年〕であり、通常植栽の栽培期間データから栽培期間を長くすることにより目標達成可能であることが示唆された。前処理に関しては高い酵素糖化率を与えるために最も重要な前処理物の特性は比表面積と細孔径であることを明らかにし、本事業のパルプ化技術を応用したメカノケミカルパルピング前処理法の妥当性を示した。薬剤を加えた加熱処理とレファイナーによる機械パルプ化の組合せで、投入エネルギーが6MJ/kg以下、酵素糖化率を80%以上とできる条件を見いだした。糖化に関してはセルラーゼ生産糸状菌Talaromyces cellulolyticus の形質転換系、遺伝子抑制技術を新たに確立し、これを用いて、β-キシロシダーゼ活性の増強、および転写因子CreAの遺伝子破壊によるセルラーゼ生産性の向上に成功した。発酵に関してはSaccharomyces cerevisiae において、DNAマイクロアレイ解析、メタボローム解析を行い、キシロース発酵における遺伝子発現、物質代謝の特性を明らかにすると共に、補酵素依存性改変、トランスポーター遺伝子の発現、ペントースリン酸経路関連酵素遺伝子の高発現により、キシロース発酵能の向上を実現した。また高温性酵母Issatchenkia orientalisにセルフクローニング技術によりC5糖からのエタノール発酵能を付与することに成功、本酵母から耐酸性・耐塩性に関わる遺伝子を取得した。蒸留に関しては2塔式酵素回収型実証プラントに自己熱再生システムを導入し、模擬液を用いた性能確認により開発目標値を達成し、その後実液での連続運転にも成功し、実機化の目途をつけた。パイロットプラントでは当初、雑菌のコンタミによる影響により連続運転試験データの取得が困難であったが、複数の抗菌剤の使用により、データの取得が可能となった。その結果、原料としてチップを用いた試験において前処理歩留りは低下したが、酵素糖化率を96.8%まで高めることができ、C6糖由来エタノール収量は240〔L/原料-t〕であった。また、プロセスフローの見直しにより、エタノール生産性を維持したまま、使用酵素量を大幅に削減できる見込みとなった。2.5年生ユーカリ全木破砕物を原料とした試験では糖含量が木部のみからなるチップより劣り、より低いエタノール収量となった。雑菌の発生については、抗菌剤を使用しない運転を行うとともに、設備の各箇所に残留する雑菌数の状況調査と洗浄効果を設備各部で検証し、対策が必要な設備を特定した。パイロットプラントデータをベースに実機規模の(1,000 t/日)の設備の試設計を行いエネルギー評価と経済性評価を行った。原料木の栽培からエタノール変換工程までの一貫プロセスにおける経済性・GHG評価のための解析手法とツールを開発し、パイロットプラント運転試験のデータを用いて解析・評価を行って、開発目標を達成できるモデルケースを提示した。
英文要約Comprehensive bioethanol production was developed. This R&D includes basic studies on raw material production, pretreatment, simultaneous saccharification co-fermentation and self-heat recuperation for distillation. A comprehensive evaluations including energy balance, environment load and production cost were made using a 1 ton/day pilot plant. Large-scale production of biomass was investigated based on the existing plantation technology. In Australia, 2.5years’ Eucalyptus globulus test plantation indicated 13 t/ha/year productions. With this and the past plantation data suggest plantation period prolongation should give the objective biomass production. Efficient pretreatment for enzymatic saccharification of woody biomass will be achieved by applying mechanical pulping. Woody biomass is fibrillated into nanofiber, which shows a high enzymatic accessibility, by mechanochemical pretreatment. A combination of chemical and mechanical treatment technology have been developed. For saccharification, the transformation system for Talaromyces cellulolyticus, has been established, and productivity enhancement for cellulase and β-xylosidase was achieved with genetic engineering. For fermentation, we developed a recombinant yeast strain. In Saccharomyces cerevisiae, the properties of gene expression and metabolism in xylose fermentation have been characterized, and xylose fermentation was improved by expressions of related genes. Xylose fermentation ability was provided to Issatchenkia orientalis, and a gene which gives acid and salinity resistance was isolated from this yeast. What our project team achieved on the ethanol distillation with self-heat recuperation was installation of a twin-column enzyme recovery type into the pilot plant, where performance of model solution achieved its development target values, continuous operations with actual solution were successful, and possibility of its commercialization was assured. In a pilot plant, for an initial several tests, the bacteria contamination made it difficult to obtain the proper data. Cocktail use of antibiotics suppressed the harmful influence of the contamination. As a result, the test using wood chips gave 96.8% of sasccharification yield. The ethanol production from C6 sugar of this test showed 240 L/t from row material. The test using whole wood material from test plantation gave less ethanol production, because the rate of sugar in the row material is less in wood chips. As to contamination with bacteria, we studied the number of remaining bacteria and effect of cleaning at every part of the equipment in the facility while operating without any antibiotics, which identified all the equipment that requires improving. For the evaluation of economic efficiencies and GHG emission in the comprehensive ethanol production system, analytical methods and tools have been developed. A model case to achieve target values was presented based on the evaluation with the data obtained from the pilot-plant operations.
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