成果報告書詳細
管理番号20090000001132
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)/キノコ廃菌床の高効率糖化発酵技術の開発
公開日2010/2/10
報告書年度2006 - 2008
委託先名株式会社雪国まいたけ
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
和文要約平成18年度-平成20年度成果報告書 「新エネルギー技術等研究開発/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)/キノコ廃菌床の高効率糖化発酵技術開発」
キノコ産業で大量に排出されるキノコ廃菌床の高効率エタノール変換技術を開発するため、マイタケ廃菌床の最適保管条件の検討、ボール攪拌型併行複発酵法の開発、及び湿式粉砕条件の検討を行った。
マイタケ廃菌床の保管によりセルラーゼ糖化率を高めうることが分かっているので、その最適条件を検討したところ、50%酸素濃度下で廃菌床を保管することにより、保管期間が通常酸素濃度下で3ヶ月間かかるところを2ヶ月間で良く、保管処理期間を1ヶ月間短縮できることを明らかにした。
高効率エタノール変換技術として、ボール攪拌型併行複発酵法を開発し、その際用いるボール径は3mm以上、入れるボール量はボールと液面より高くならないようにする等が適していることを明らかにした。また、保管した廃菌床のセルラーゼ糖化には、セルラーゼ成分のうちBGL Iの比率を増加させると促進されることが分かった。さらに、ボール攪拌型併行複発酵の廃菌床糖化液中には発酵を阻害する物質がほとんど含まれていないことを確かめた。
これらの知見を基に、24Lの発酵タンクを備えたボール攪拌型併行複発酵装置を作成し、併行複発酵を行なったところ、ボール攪拌により酵母細胞が破壊されることによる発酵阻害が確認された。そこで、発酵阻害を緩和できる運転条件の検討を行い、ボール径は25mm、2時間静置後1時間攪拌の間欠攪拌、酵母量は10g/L、培養温度は30℃、酵母栄養源の添加で発酵阻害を緩和できることを明らかにした。これらから得られた知見を基にボール攪拌型併行複発酵を行なったところ、廃菌床濃度10%、ボール径20mmのときにエタノール収率82%、同じく20%にて25mmのとき73%が得られた。
次に、ボール攪拌型併行複発酵法と原理が似ている湿式粉砕法(ビーズミル、ディスクミル、湿式ボールミル)による廃菌床のエタノール変換を検討した。ビーズミルやディスクミルによる湿式粉砕処理を行なうには廃菌床と水を混ぜることでスラリー化させる必要があり、それを行なったところ、廃菌床スラリーは高粘度で流動しにくく、湿式粉砕処理が困難なことから、流動化する方法を検討した。その結果、セルラーゼ等の酵素を湿式粉砕処理前に加えることで粘度を低下させうることが分かり、湿式粉砕処理を可能にした。これにより、廃菌床のビーズミル処理で70%以上のグルコース収率が得られることが明らかになった。しかしながら、最も高いグルコース収率が得られる湿式粉砕法は、流動化のための酵素を加えないで廃菌床を湿式ボールミルにより2時間処理したときで、そのときのグルコース収率は82%であった。その際、消費エネルギーは、目標値であるエタノール収率80%以上でビーズミル処理法による前処理工程で消費される376MJ/hより少ない324MJ/hであった。
以上の結果を元に、マイタケ廃菌床のエタノール変換プロセスフローを構築し、それを基にエネルギー収支を計算したところ、保管処理のみを行なってエタノール変換させるプロセスが、保管処理後に湿式粉砕処理してからエタノール変換させるプロセスよりも有利であることが分かった。
英文要約Title : Development of Technology for High Efficiency Biomass Energy Conversion / Development of Elemental Technology for Bio-energy Conversion / Development of High Efficient Saccharification and Fermentation Technologies for Spent Mushroom Culture Medium (FY2006-FY2008) Final Report
In order to development the highly efficient ethanol conversion technologies for spent mushroom culture medium which produced from mushroom industries, we investigated the optimum conditions for storage of the spent Maitake culture medium, development the “Ball-Vibrating Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF) system”, and conditions of wet milling.
Because it is known that the storage of spent Maitake culture medium enhances the cellulase saccharification of spent culture medium, we studied optimum conditions for the storage. As a result, we clarified the storage of spent culture medium under 50% oxygen air condition reduced storage period for 1 month from storage under the normal oxygen air condition which required for 3 months storage.
To development the “Ball-Vibrating SSF system” which is highly efficient ethanol conversion technology, we studied several conditions under the laboratory level. As a result, we found some conditions such as ball diameter (over 3mm) and liquid level (near top of ball layer). And an adding of BGL I which was one of the cellulase components was observed to enhance saccharification of the stored spent culture medium. Moreover, we found out that there were little fermentation inhibitors on ethanol production in the saccharified spent culture medium.
On the base of these results, we developed the Ball-Vibrating SSF reactor equipped with 24L vessel for fermentation and performed SSF. We recognized the fermentation inhibition caused by the disruption of yeast cells. To relieve the inhibition, we investigated the effect of various operating conditions. As a result, we clarified that the inhibition was relieved by using balls with 25mm balls, intermittent ball vibration which alternates 2h stationary culture and 1h vibrating culture, 10g/L yeast, cultivation at 30℃, and adding nutrients for yeasts. And we also found that the ethanol productivity of baker's yeast was slightly higher than that of brewing yeast (Shochu strain) under the ball vibration. Therefore, by using these operational conditions of the Ball-Vibrating SSF reactor, we obtained an ethanol conversion rate of 82 and 73 % at 10% solid with 20mm balls and 20 % solid with 25mm balls respectively.
Next, we studied optimum conditions of wet milling (bead mill, disk mill, and wet ball milling) which is similar to the Ball-Vibrating SSF system to the ethanol conversion of spent culture medium. However it was necessary to slurry the spent culture medium before wet milling, this slurry was difficult to wet milling due to its high viscosity. Therefore we studied liquidity method. As a result, adding enzymes such as cellulases to the slurry before wet milling lead to be lowering its viscosity and allowed wet milling. By using this liquidity method, we observed a glucose conversion rate of over 70% was obtained with bead milling. The maximum conversion rate of 82% was obtained with wet ball milling for 2h without fluidization, and its energy consumption was also under the target value.
From above result, we constructed ethanol conversion process flows of spent culture medium. When we calculated energy balance based on these ethanol conversion process flows, we found that the process employed only storage as pretreatment was superior to the process employed wet milling after storage.
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