成果報告書詳細
管理番号20110000000319
タイトル平成19年度~平成20年度成果報告書 新エネルギー技術研究開発/新エネルギーベンチャー技術革新事業(バイオマス)/九州発ビレッジテクノロジー構築に向けた竹からのバイオエタノール変換の技術開発
公開日2011/5/17
報告書年度2007 - 2008
委託先名国立大学法人熊本大学 崇城大学
プロジェクト番号P10020
部署名研究開発推進部
和文要約 竹は地上で最も早く生長する植物で、リグノセルロース系バイオマスである。したがって、食糧と競合しないのでエタノール生産に適したバイオマスである。リグノセルロース系バイオマスは、セルロース、ヘミセルロース、リグニンなどから構成されており、主たる加水分解物はグルコースとキシロースである。
 そこで本研究では、竹の賦存量の調査や竹の前処理法、酵素的糖化、同時糖化・発酵およびグルコース・キシロース同時発酵できる酵母の育種を行った。
 竹の賦存量を調査した結果、竹林面積は10年間で約2倍に増加していた。特に九州でおおく繁茂しており、九州7県は国内のトップ15位までに入っていた。
 竹のホロセルロース、脂質、リグニン含量は、それぞれ67%、3%および30%であり、セルロースとヘミセルロースの比は約2:1であった。
前処理法として亜臨界水処理、微粉砕処理、希硫酸処理、膨軟化処理および濃硫酸糖化処理に関して検討した。200℃での亜臨界水処理ではヘミセルロースは過分解され、酵素糖化物にはグルコースしか検出されなかった。また、糖濃度が低かったために生成エタノール濃度は4 g/lであった。したがって、亜臨界水処理も含めた酵素糖化のための前処理法は、現時点では実用化は難しいと判断した。
しかし、濃硫酸糖化法では糖回収率は約60%で、グルコースだけでなくキシロースも検出された。陰イオン交換樹脂で酸糖分離した酸糖化液に栄養塩類を添加した後、回分発酵試験を行ったところ、24時間で発酵は終了し、約50 g/lのエタノールが生成されたが、キシロースは全く発酵されなかった。
ベンチスケールの濃硫酸糖化装置が試作され、本装置で粗粉砕した竹を濃硫酸糖化した。そして、擬似移動床で酸糖分離した後、110℃でオリゴ糖の加水分解処理を行った。その結果、糖の回収率は約80%に達した。この糖液を用いて連続発酵試験(30℃、pH 4、D=0.2 h-1)を行ったところ、グルコース濃度90 g/lに対して40 g/lのエタノールが生成された。しかし、やはりキシロースは全く発酵されなかった。
竹から燃料用エタノール製造するプロセスを実用化するために、硫酸の徹底した回収法、発酵醪に残存するキシロースの回収、さらにキシロース・グルコース同時発酵できる酵母の育種に関して検討した。
イオン交換膜を用いる電気透析法による硫酸の回収法について検討した。硫酸(4-18 wt%)とキシロース(3 wt%)を含む水溶液からの硫酸の分離と濃縮を、21室型電気透析セルを用いて検討した。透析セルに装着された分子量分画能300の陽イオン交換膜CMXと陰イオン交換膜AMXは、硫酸を約19 wt%まで濃縮することができた。硫酸濃度の増加とともに浸透圧が増大し、試料液側から濃縮液側への水の移動速度も増加するので、硫酸の濃縮効率は徐々に低下し、19 wt%が上限となった。初期硫酸濃度が13.5 wt%より低い条件下では、キシロースの顕著な移動を伴うことなく、試料側の硫酸をほぼ完全に濃縮側に移動させ濃縮することができた。
発酵モロミに残存するキシロースの利用を目的とした研究も行った。ホウ酸はcis-ポリオール化合物と選択的にエステルを形成するが、この現象を単糖の吸着剤の開発に適用した。ビニルフェニルホウ酸とジメタクリル酸ジエチレングリコール(またはジメタクリル酸トリエチレングリコール)を、希釈剤(多孔化剤)としての酢酸イソブチルの共存下で、懸濁重合法により重合した。得られた球状吸着剤は、平衡pH11.4において0.7 mmol/g のキシロースを吸着し、樹脂に吸着されたキシロースは1 N硫酸水溶液で溶離可能であった。
 次のような性質を持つ組み換え型サッカロミセス酵母を構築した、1)ヘテロタリズム、2)GXS1やHxt5またはHxt7輸送系によってキシロースを細胞内に取り込む、3)キシロース資化性、4)耐熱性や耐酸性。このような酵母を創製するために、最初に、loxP-TEFp-Kanmx-TEFt-loxP-TDH3p遺伝子構造を持つカセットベクターを構築した。グルコース存在下でもヘキソース輸送系タンパク質であるHxt5、Hxt7あるいはGXS1を発現させるためにそれら遺伝子をTDH3プロモーター下流に連結した。これらを併せ持つ酵母を標準的な掛け合わせによる遺伝交雑法で構築した。ホモタリズム酵母KF7Mから掛け合わせでヘテロタリズムに性質を変えた。生じたNAM29-1Aとキシロース取り込み系を持つ株とを掛け合わせ、両者の性質を併せ持つ株を構築した。その酵母でキシロース資化性を調べたところ、キシロース取り込み系を発現する酵母菌はキシロース培地での増殖が遅かった。キシロース培地での増殖が優れた株の発酵試験をYPDX培地(pH4.0)、温度35℃で行った。その結果、70g/lグルコースと30g/lキシロースを含むその培地でのエタノール収率は、24時間後で83%であった。
英文要約Bamboo is the fastest growing plant on the earth. Bamboo biomass is one of the lignocellulosic material and preferable for ethanol production, because of no competition with food demands. Lignocellulosic buimass is a complex mixture of cellulose, hemicellulose, lignin and small amounts of the other compounds. Glucose and xylose are the main product in hydroyzate of holocellulose by either chemical or enzymatic methods.
In this study, we research of the total bamboo biomass above ground in Japan. Then we evaluate pretreatment and enzyme additives of the lignocellulosic materials and simultaneous saccharification and fermentation. Finally we have developed the preferable Saccharomyces cerevisiae that can effectively co-ferment glucose and xylose.
Total bamboo biomass above ground was researched. The area has increased about twice than that of ten years ago, especially in southern part of Japan, Kyushu province. The seven prefectures in Kyushu province have bamboo biomass area within the top fifteen in Japan.
The contents of holocellulose, lipid and lignin of dried bamboo were approximately 67%, 3% and 30%, respectively. The ratio between the contents of cellulose and hemicellulose was about 2:1.
In spite of sub-critical water hydrolysis, pulverization, diluted acid treatment, softening processing, steam explosion treatment, and concentrated sulfuric acid hydrolysis were studied. Hemicellulose was degraded in the sub-critical water treatment at 200℃ and only glucose was detected in the enzyme-saccharified liquid. However, the glucose concentration was not increased by the enzymatic hydrolysis and the ethanol concentration was only 4 g/l after 24h-fermentation. Therefore, at least at present, it was not economic not only for the sub-critical water treatment followed by cellulase saccharification method but also for other methods employing cellulase saccharification after pretreatment.
However, by concentrated sulfuric acid hydrolysis, sugar recovery efficiency calculated from the content of holocellulose was approximately 60% and xylose was detected in the hydrolysate as well as glucose. After the separation of acid using anion exchange resin batch wisely, the acid hydrolysate with the addition of nutritive salts was subjected to batch ethanol fermentation. As a result, the fermentation finished in 24 h and about 50 g/l of ethanol was produced, however xylose could not be fermented at all.
A bench-scale equipment for concentrated sulfuric acid hydrolysis was constructed and the bamboo crushed roughly was hydrolyzed. The acid and sugar in the saccharified liquid were separated by an improved simulated moving bed. The oligo-saccharide contained in the sugar fraction was then hydrolyzed at 110℃. As a result, the recovery efficiency of sugar reached to approximately 80%. The hydrolyzed sugar liquid was subjected to a continuous fermentation using a flocculating yeast KF7. Glucose of 90 g/l was converted to about 40 g/l ethanol at 30℃, pH 4.0 and a dilution rate of 0.2 h-1. However, xylose was also not fermented at all in the continuous fermentation.
In order to commercialize this process for the production of fuel ethanol from bamboo, the problems, how to recover sulfuric acid; how to utilize xylose remained in the fermented mash; and how to ferment xylose and glucose simultaneously, were studied.
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