成果報告書詳細
管理番号20100000001599
タイトル平成18年度-平成21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) 都市型バイオマス資源からの高効率二段発酵による燃料用エタノール製造技術の研究開発
公開日2010/9/9
報告書年度2006 - 2009
委託先名熊本大学大学院、崇城大学
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー技術開発部
和文要約県庁所在地や大都市では人口増加が予想され、生ごみは都市型バイオマス資源と捉えられる。本プロジェクトでは事業系や家庭系生ごみからの燃料用エタノール生産技術の開発、および耐酸性・耐熱性で乳酸をエタノールに変換できる酵母株の育種を行った。まず生ごみ表面に乳酸菌を散布することにより鮮度保持が達成でき、しかもグルコース回収率も85%に向上した。鮮度保持した生協残飯を粉砕し、水で希釈して酵素糖化後、固液分離した糖液の連続発酵では約23 g/l/hの生産性を達成できた。しかし、固液分離によりグルコース回収率は57%に低下した。一方、固液分離残渣と蒸留廃液の湿式高温メタン発酵では、最大有機物負荷6 g/l/dを達成した(第1世代技術)。
 第1世代技術の問題点を改善するため、鮮度保持生ごみを希釈することなく酵素糖化後、固液分離せずに同時糖化発酵し、蒸留残渣を乾式メタン発酵した(第2世代技術)。その結果、鮮度保持した生協残飯を用いた5回の繰返し同時糖化・発酵により、エタノール濃度44-46 g/l、生産性18 g/l/hが得られた。さらに長期間の連続式同時糖化発酵試験を35°C、D=0.3 h-1の条件で行った結果、エタノール濃度41 g/l、発酵収率80%、生産性12 g/l/hを達成した。またC/N比20の蒸留残渣の乾式メタン発酵により、有機物負荷4 g/kg/d、バイオガス発生量800 ml/g-VTSを達成した。本結果のエネルギー収支計算では、生ごみのエネルギーの84%がエタノールとメタンに変換され、元素分析値に基づく熱量計算からのエネルギー回収率は90%であった。
 そこで、湿潤混合生ごみ(事業系生ごみ:家庭系生ごみ=100:75)1 tonからのエタノール製造プラントのエネルギー収支計算を行い、第2世代技術はエネルギー完結型プロセスと示唆された。全国の生ごみからの燃料用エタノール製造量は年間約70万klと推定され、500万トン強のCO2が削減できることが分かった。
 酵母株の育種では、掛け合わせができる耐熱性実用酵母KF7-5CとKF7-4Bを作製した。実験室酵母との掛け合わせと構築株•子孫との重複戻し交配で掛け合わせの優れた株を得た。株内掛け合わせからも優れた株を得た。そのひとつから得たKFG4-6BDは35°C、pH3.0で1.1世代時間と耐熱性と耐酸性を併せ持っていた。形質転換能の優れたNAM34-4Cも構築した。
 乳酸脱水素酵素(LDH)の熱力学的、生化学的特性の優れたRhodobacter sphaeroidesやLactobacillus caseiからFMN型LDH遺伝子をクローン化し、精製酵素の特性を調査した。酵母に内在するLDHであるフラボシトクロムb2 (CYB2)の欠損は、ミトコンドリア局在化シグナルを付加して発現させたR. sphaeroidesのLDHにより相補できた。乳酸取込み系のJEN1遺伝子を構成的に発現するカセットベクターを用いて、グルコース存在下で乳酸を取り込める酵母株を育種した。しかし、LDH JEN1二重組換え株はL−乳酸からエタノールをほとんど生産しなかった。構築株はCYB2遺伝子の強いL-乳酸資化性を示したので、JEN1 CYB2二重変異株を作成して発酵試験を行った結果、乳酸に対するエタノール収率は3%であり、D-乳酸資化性の方が優れていた。そこでD-LDH活性を高めたDLD3 JEN1株の発酵試験の結果、pH3.0、温度35°Cで20 g/lのD, L-乳酸から収率35%でエタノールが生産された。
英文要約In this project we examined fuel ethanol production using garbage from manufacturers and houses, and developed new yeast strains exhibiting high acid tolerance and capacity to convert lactic acid to ethanol. Canteen garbage was preserved fresh for days by spreading lactic acid bacterium, which was ground, diluted with water, and hydrolyzed with enzymes to glucose. After solid materials were separated, the fluid was subjected to a continuous fermentation, resulting in the productivity of 23 g/l/h. On the other hand, the separated solid materials and residues from distilling process were treated by thermophilic anaerobic digestion, yielding the maximal organic matter loading capacity of 6 g/l/d (the first generation technology).
Next we developed a simultaneous saccharification and fermentation (SSF) of preserved garbage without dilution and separation of solid, followed by a dry methane fermentation process (second generation technology). The repeated-SSF process and a long-term continuous-SSF process were shown to achieve ethanol productivity of 18 and 12 g/l/h, respectively. Dry methane fermentation of distillation residues with C/N ratio of 20 achieved a loading rate of 4 g-VTS/kg/d and bio-gas yield of 800 ml/g-VTS. Energy balance and elemental analysis indicated that cumulative energy recovery to ethanol and methane was 84 and 90%, respectively. Calculation of energy balance of ethanol production process using mixed wet garbage from manufacturers and houses (100:75) indicated that annual output of garbage in Japan would produce 700,000 kl-ethanol/y, contributing to reduction of CO2 emission of more than 5,000,000 tons/y.
Employing genetic breeding of yeast strains, two industrial yeast strains which are heterothallic and thermo-tolerant were obtained. By crossing the offspring of these strains and laboratory strains, we obtained a series of strains that have excellent mating and spore forming capacity. A diploid from these offspring exhibited a high growth rate at 35°C in pH3.0 with a generation time of 1.1 h. A progeny with good transformation efficiency was also obtained.
Evaluation of thermodynamic and biochemical characteristics for lactate dehydrogenases (LDHs) showed that FMN-dependent L-LDHs from bacteria such as Rhodobacter sphaeroides and Lactobacillus casei are good candidates for replacing yeast L-LDH (flavocytochrome b2) encoded by CYB2 gene. In fact, R. sphaeroides L-LDH can functionally replace flavocytochrome b2 in yeast, only when a matrix targeting signal was fused with the bacterial L-LDH. For constructing strains capable of utilizing lactate to form ethanol in the presence of glucose, the JEN1 gene encoding lactate transporter was made constitutive. However, bacterial LDHs seemed to be non-functional in their native forms. On the other hand, D-lactate could be assimilated by JEN1 DLD3 strain expressing D-LDH, which was used for ethanol fermentation in media containing 20 g/l D, L-lactate at 35oC, pH 3.0 at the yield of 35%.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る