成果報告書詳細
管理番号20100000001696
タイトル*平成19年度中間年報 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)/メカノケミカルパルピング前処理によるエタノール生産技術開発
公開日2010/9/30
報告書年度2007 - 2007
委託先名独立行政法人産業技術総合研究所
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1. 研究開発の内容及び成果等
木質系バイオマスからの次世代型エタノール製造プロセスとして、前処理した木質を成分分離することなくそのままワンバッチ式で糖化・発酵できるシンプルで高効率なエタノール生産技術の開発を目標に、木質バイオマスの糖化発酵のためのナノ空間形成法前処理技術の開発および木質バイオマス原料に適した並行複発酵微生物の開発を行う。本事業は独立行政法人産業技術総合研究所で実施する。なお五炭糖発酵酵素に関する研究については京都大学に再委託する。
木質系バイオマスでは、セルロース、ヘミセルロースおよびリグニンが互いに複雑に絡み合いネットワーク構造を形成し、それぞれが部分的に化学結合してより強固な構造体となっている。セルロースの糖化は硫酸で加水分解する方法が先行して開発されており、その方法には希硫酸法と濃硫酸法がある。硫酸法では成分分離および中和処理が必要で、コストアップの要因となっている。更に、硫酸加水分解では過分解により高い糖収率が望めない。従って、これからの製造技術としては、木質を非硫酸法で前処理後、酵素により糖化する技術にシフトすることが必須であると考えられる。
そこで本提案では、湿式粉砕法(湿式メカノケミカル処理)をベースとしたナノ空間形成法により、湿式状態で木質に粉砕エネルギーを印可させることにより添加媒体と木質成分を相互作用させ、木質組織構造をゆるめると同時にセルロースフィブリルをナノレベルで解離させて、酵素反応性を著しく高める前処理を行う。それと連続した糖化・発酵工程では、エタノール発酵する酵母に糖化酵素タンパク質を生産させ細胞外に分泌させることで、糖化に必要なコストを大幅に低下させることを目標にした研究開発を行う。さらに、遺伝子操作により酵母にペントース発酵能を持たせ、エタノール収率の向上を実現する。
英文要約Title:High efficiency Bioenergy conversion project/Development of preparatory basic bioenergy technologies/Research and development for one-batch bioethanol production (FY2006-FY2008) FY2007 Annual Report
This research project is aiming at developing the new-generation process for bioethanol production, which provides simultaneous enzymatic saccharification and fermentation of woody biomass in one-batch. Novel pretreatment has been conducted to improve the enzymatic accessibility of wood substrates by wet-milling process, which is available to fibrillate effectively the cell wall structure and generate nano-scale space. After short time dry-milling of wood, the enzymatic saccharification yield reached to 73% in Eucalyptus and 71% in Douglas fir by wet-state ball-milling process. Autoclave treatment at 135°C for 4h under 0.25 MPa before the wet-milling has been effective for improvement of the enzymatic saccharification, showing that the enzymatic saccharification yield of cellulose reached to 65% in Eucalyptus and 75% in Douglas fir. To reduce the treatment time and cost, wet-state disk-milling process has been conducted. The enzymatic saccharification yield increased with increasing the number of passing through disk-mill with 5% water suspension of the wood powder. The treating time and cost in the disk-milling process was found to be less than one-tenth of the ball-milling process. To minimize the enzyme cost, introduction and expression of cellulase genes into ethanol fermenting yeast (Saccharomyces cerevisiae) has been studied. The cellulase genes of Trichoderma reesei, the most common source of commercial cellulase, were obtained from total RNA of this fungus by RT-PCR procedure. The genes were introduced into S. cerevisiae, and their expression was confirmed. Enzyme secretion from genetically engineered S. cerevisiae was enhanced when we substituted the original signal sequence of S. cerevisiae (alpha-factor) for the signal sequence of T. reesei. S. cerevisiae is efficient to produce ethanol from glucose but not from xylose. Therefore, we have initially performed gene transformation of wild type xylose reductase (XR) and xylitol dehydrogenase (XDH) of Pichia stipitis. The excretion of xylitol has been solely ascribed to the difference in cofactor preferences of the two enzymes, which supposedly generates a shortage of NAD+ necessary for the XDH reaction. Therefore, the introduction of NADP+ dependent XDH or NADH dependent XR is expected to prevent this excretion by maintaining the intercellular redox balance. We have made a success to construct a novel NADP+ dependent XDH [pPGK-XDH (ARSdR)] and a novel NADH dependent XR by means of protein engineering. The NAD+ dependent XDH activity of the recombinant yeasts that were transformed with the gene encoding the protein engineered XDH (with NADP+) of P. stipitis were very low, NADP+ dependent XDH activity of the recombinant yeasts exceeded compared with the wild type and the recombinant yeasts transformed with the genes encoding wild type XDH. The genetically engineered diploid yeast with XR, NADP+ dependent XDH and XK showed high xylose conversion efficiency to ethanol.
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