成果報告書詳細
管理番号20090000000325
タイトル平成20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2009/9/3
報告書年度2008 - 2008
委託先名日清製粉株式会社
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー技術開発部 バイオマスグループ
和文要約木質系バイオマスを原料とするエタノール生産システムを構築するためには、優れた前処理、糖化、発酵プロセスを統合的に研究することが求められる。京都大学・鳥取大学・トヨタ自動車・日本化学機械製造・日清製粉は共同で、旧来の前処理法とは異なる我が国独自のマイクロ波ソルボリシス法と選択的白色腐朽菌処理法を用いるスギ材などの木質バイオマスの前処理工程、特性に合ったセルラーゼを用いた糖化工程、我が国独自のエタノール発酵菌であるZymobacter・Zymomonasを分子育種して用いる発酵工程からなる、原料の調製からエタノール生産に至る統合システムの完成を目指した研究開発を実施してきた。日清製粉では前処理工程を担当し、山林での木材腐朽処理の実証試験に種菌を供給するための白色腐朽菌の高効率大量培養方法の開発・検討、また屋外での木材腐朽処理における種菌の条件検討を実施してきており、さらに平成20年度の以下の成果をもって開発担当分野を全うして共同研究者に引き継ぐことで研究開発を終了した。平成20年度はこれまでに得られた条件を元に、山林での屋外培養試験のための種菌の供給を行い、トヨタ自動車所有の三重県の山林での実証試験を実施した。また、種菌供給のための製造条件を検討するために、高密度培養可能な撹拌式の高粘度対応型液体培養装置(ジャーファメンター)による培養を行なった。これまでのマイヤーでの液体培養による種菌製造検討では、フスマ、低級小麦粉を用いた液体培地が安価でかつ、生育状態も良好であり、培地濃度は高い方が腐朽効果もより高いものとなっていた。しかし、酸素供給速度の面からフスマ濃度2%以上では通常の振とう培養では対応できない。そこで微粉砕フスマ濃度を5%とした培地で、雑菌抵抗性試験で有効であった酸を用いてpHを4.5に制御し、ジャー培養試験を実施した。その結果、培養に伴って酸消費量が高まっており白色腐朽菌が酸を資化している事が予測された。そこで、プレート培養による炭素源資化性試験を行なったところ、酸の資化が確認された。これによりジャー培養では、酸資化速度の計測により培養中の増殖速度の指標が計測可能となった。また、ジャー培養では酸の消費までに100時間以上の時間が掛かっていることから、カタボライトリプレッションが起こっていることが示唆された。 カタボライトリプレッションの検討のために、フスマの構成糖であるグルコース、アラビノース、キシロースを混合しN 源として微粉砕フスマを加えた糖資化性検討培地を作成し、培養試験を実施した。40日間の培養期間でグルコースは3g/L消費されたが、アラビノース、キシロースは全く消費されなかった。また、ジャー培養中の糖濃度推移を計測したところ、培養開始時にはほとんど存在しない水溶性の単糖は白色腐朽菌による不溶性画分の分解によって培養液中に生成している事が判明した。一方、各水溶性糖の分解生成速度と資化の速度は、糖の種類によって異なっていた。また、試験管による生育速度試験ではアラビノース>キシロース>グルコースの順に生長が早い事が判っている。これらの結果から、本菌株はグルコースに対して消費優先が存在し、ジャー培養での100時間以上の酸消費開始までの遅延原因となり、フスマでの効率的培養にはカタボライトリプレッションの解除が必要である事が判明した。さらに、微粉砕したフスマの培養開始濃度を1%に下げた条件でジャー培養を行なったところ、酸を資化せずに培養が終了した。一方、培養終了時の菌糸の形状はビーズ状であり、腐朽試験の種菌として用いるには理想的な形状であると考えられた。
英文要約Title: Title: Development of Elemental Technology for Bioenergy Conversion: High Efficiency Bioenergy Conversion Project. Development of Bioethanol Production Process from Woody Biomass Based on High Efficient Solvolysis and Ethanologenic Bacteria (FY2008) Final Report. In order to develop efficient techniques for enzymatic saccharification of woody biomass, which can facilitate the effective utilization of the biomass, we investigated the optimal conditions for the wood decomposition mediated by white-rot fungi. In previous studies, we identified and examined highly efficient techniques for mass culture of white-rot fungi and used these techniques to prepare the inocula to be used in an outdoor experiment for assessing the treatment methods for wood decay; the experiment was to be conducted in a forest in the following year. In addition, we used the inocula to evaluate the optimal conditions for the treatment of outdoor-wood decay.:In FY 2008, the inocula were prepared using the optimal conditions determined at that time, and we used these conditions to perform the abovementioned outdoor experiment in a forest in Mie Prefecture, which is owned by the Toyota Motors Corporation. In addition, we examined the optimal conditions for obtaining the inocula by culturing the organisms in stirrer-culture apparatus for highly viscous liquids (jar fermentor), which can be used for high-density cultures. :To examine the occurrence of catabolite repression, we performed a culture experiment using a medium that was designed to facilitate examination of the sugar-assimilation ability; the medium contained glucose, arabinose, and xylose, and finely milled bran was used as a nitrogen source. During the 40-day culture period, 3 g/L of glucose was consumed, while arabinose and xylose were not consumed. :We measured the changes in sugar concentration during the jar culture and confirmed the presence of water-soluble monosaccharides in the medium; these water-soluble monosaccharides were almost nonexistent at the start of the culture. The sugars were generated by the white-rot-fungi-mediated degradation of the insoluble fraction. The degradation and generation rates and the assimilation rate of the water-soluble sugars differed according to the type of sugar. In vitro experiments confirmed that the highest growth rates were obtained for arabinose, which was followed by xylose and glucose. On the basis of these results, we showed that this particular fungus preferentially consumed glucose, delaying the initiation of acid consumption in the jar culture by more than 100 hours; the removal of catabolite repression was necessary for efficient culture with bran. :In a jar culture with an initial finely-milled-bran concentration of 1%, the culture was completed without acid assimilation. At the end of the culture, the hyphae of the fungi were bead-shaped, which was thought to be an ideal shape for the inocula in the decay test.
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