成果報告書詳細
管理番号20090000001082
タイトル平成18年度-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(転換要素技術開発) /水熱分解法と酵素分解法を組合せた農業残渣等のセルロース系バイオマスの低コスト糖化技術の開発
公開日2009/12/21
報告書年度2006 - 2008
委託先名三菱重工業株式会社
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
和文要約件名:平成18年度-平成20年度成果報告書 新エネルギー技術開発/バイオマスエネルギー高効率転換技術開発(転換要素技術開発) 「水熱分解法と酵素分解法を組合せた農業残渣等のセルロース系バイオマスの低コスト糖化技術の開発」 1.要素研究(再委託先) : (1) 農業系残渣を原料とした水熱分解基礎試験((独)産業技術総合研究所) 麦わら、稲ワラ、バガス等各種農業残渣の熱水流通式反応装置による水熱分解性評価により、水熱分解の基礎データを取得した。また、水熱分解残渣の酵素糖化性評価(北農研実施)を実施することにより、酵素分解に適した水熱分解条件の選定のための基礎データを取得した。 (2) 水熱分解物の酵素糖化試験,及び,生成糖の発酵性確認((独)農業・食品産業技術総合機構 北海道農業研究センター) 酵素選定と至適条件の検討により、水熱分解物に適した酵素分解条件を見出すことができた。また、水熱分解物の酵素分解の評価系を作成し、各種バイオマス(麦稈、稲ワラ、バガス)水熱分解物の酵素糖化性評価を行い、その結果をフィードバックすることにより最適な水熱分解条件の選定に寄与した。更に、水熱分解物の酵素糖化液について一般的酵母を用いた発酵性確認試験を行いそれぞれ阻害無くエタノールが得られることを確認した。 (3) 原料・水熱分解物・糖液の評価(新日本石油株式会社) バイオマス、水熱分解物の構成成分の分析方法を検討し、妥当性が高い分析方法を選定した。また、各種バイオマス、水熱分解物、及び、酵素糖化液の分析を実施し、発酵阻害となり得る不純物等の評価を行った。また、糖化率が異なる2種の麦稈およびその水熱残渣のリグニン量およびその芳香核構造を解析したが、糖化率との相関は認められなかった。 (4) 水熱分解メカニズムの解明(国立大学法人 熊本大学) 広範な濃度下における単糖(グルコース及びキシロース)の水熱分解試験を行い、それらの熱安定性を実験的に調査し、単糖の二次分解挙動の解明及び反応速度データを取得した。また、麦稈、稲ワラなどのバイオマスの水熱処理過程におけるリグニンの分解挙動の主反応経路を推定した。 2.装置化研究(三菱重工業株式会社) : (1) ベンチ試験 連続水熱分解を模擬した反応ベンチ試験装置を用いた試験により、目標の糖収率(平均87%)が得られることを原理的に確認した。更に、各種のベンチ試験からプロセス/装置設計データを取得し、セルロース系バイオマスの連続水熱分解パイロット試験装置を設計/製作した。 (2) パイロット試験 パイロット試験装置の連続運転により、その装置の実効性を検証することができた。また、同試験にて、稲ワラから90%以上の高収率でグルコース(C6糖)が回収できることを確認した。一方、キシロース(C5糖)収率は目標収率に到達しなかったが、C5糖収率向上のための課題を明らかにすることにより、目標とする平均糖収率87%の達成の目処を得ることが出来た。更に、酵素糖化時間は24h以内を達成し、C6糖濃度も目標値をほぼ達成できることを確認した。 (3) 実用性の評価 試験から得られたプロセス性能データを元に経済性試算を実施した結果、今後、ベンチ試験並みの性能向上を図ることで目標のエタノール製造原価は十分達成可能との目処を得た。
英文要約Title: Development of New Energy Technology / Development of Technology for High-Efficiency Biomass Energy Conversion Project (development of conversion element technology) “Development of saccharifying the cellulosic biomass process using an agricultural residue combining the hydrothermal treatment with enzymatic hydrolysis at low cost” (FY2006 - FY2008) Final Report 1. Fundamental Research (1)Basic data for hydrothermal treatment were obtained by evaluation for agricultural residues such as wheat/rice straws and bagasse by use of HCW-flow reactor. Also, basic data for selecting hydrothermal treatment conditions appropriate for enzymatic hydrolysis were obtained by evaluating enzymatic saccharification capability of hydrothermal treatment residue. (2)Enzyme selection and examination of optimum conditions enabled us to find conditions of enzymatic hydrolysis suitable for hydrothermal treatment products. Also, creation of an evaluation system for enzymatic hydrolysis of hydrothermal treatment products to evaluate enzymatic saccharification capability of various biomasses hydrothermal treatment products, and feedback of such results contributed in selecting optimum conditions for hydrothermal treatment. Also, fermentation verification tests using common yeast were done with an enzyme-saccharified solution of hydrothermal treatment products, and ethanol was produced without problems. (3)By examining analysis methods for components of biomass and hydrothermal treatment products, precise analysis methods were selected. Impurities possibly interfering with fermentation were evaluated by conducting analysis of various biomasses, hydrothermal treatment products and enzyme-saccharified solutions. When analysing 2 types of wheat straws of different saccharification rates, lignin amount of hydrothermal residue and aromatic nucleus structure, no relation was found with these rates. (4)Hydrothermal treatment tests of monosaccharides (glucose/xylose) were done in diversified concentrations to study experimentally their thermal stability, and the secondary decomposition behavior of monosaccharides was clarified, and kinetics data were obtained. Main reaction path of lignin decomposition behavior of wheat/rice straws was also estimated in hydrothermal treatment process. 2. Process Research (1)Using bench test equipment simulating continuous hydrothermal treatment reaction, availability of target sugar yield (87% AVG) was proved in principle. Also by acquiring process/equipment design data from various bench test equipment, continuous hydrothermal treatment pilot test apparatus for cellulosic biomass was designed and manufactured. (2)The system effectiveness was confirmed by continuous operation of the pilot test apparatus. Glucose recovery from rice straw in high yields of 90% or more was proved as well. Meanwhile, xylose yield did not reach the target. By clarifying problems in improving xylose yield, however, we saw possibility of achieving target 87% AVG. And also, enzymatic hydrolysis time in 24 hours was achieved, and glucose concentration roughly achieved target value. (3)A feasibility study was carried out based on process performance data obtained from test results. It demonstrated possibility of achieving target ethanol production cost by improving process performance to the equivalent of the bench test result.
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