成果報告書詳細
管理番号20110000001065
タイトル平成21年度~平成22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) 亜硫酸脱リグニン法を基礎技術とした木質バイオマスからの合理的エタノール生産プロセスの構築
公開日2011/6/29
報告書年度2009 - 2010
委託先名コスモ石油株式会社 国立大学法人九州大学 日本製紙ケミカル株式会社 国立大学法人東京大学
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約 木質バイオマスは、亜硫酸脱リグニン法を基礎とした成分分離法により単糖やリグニンなどから成る木材抽出糖液(SSL:Spent Sulfite Liquor)とセルロース成分(不溶性画分)に分離できる。ここで得られるSSL中の単糖およびセルロース成分はともにエタノール生産の原料として利用できる。本研究は、木質バイオマスからの燃料用エタノールを生産するための合理的プロセスを構築することを目指し、亜硫酸脱リグニン法の反応条件の最適化とSSLの発酵阻害対策により発酵阻害性を低減した高糖濃度SSLと酵素糖化に適したセルロース成分の生産技術を開発することを目的とした。     亜硫酸脱リグニン法の反応条件の検討に関しては、加水分解反応(蒸解)に用いるアニオンに注目して反応の基礎解析を行った。その結果、塩酸や硫酸の強酸と比較して、亜硫酸による加水分解では過分解反応が抑えられ効率的に単糖が得られていることを明らかにした。また、多連蒸解釜実験装置(マルチダイジェスター)を反応器として用いて、反応条件の緩和に伴いSSL中の単糖濃度が上昇する傾向を見出した。この単糖濃度が高まった弱蒸解条件で得られたセルロース成分については、熱アルカリ処理することにより酵素糖化性を大きく向上できることを見出した。     SSLの発酵阻害対策に関しては、発酵阻害物質の解析と発酵阻害対策技術の構築を行った。発酵阻害物質に関しては、SSL向けにマトリックス支援レーザー脱離イオン化~飛行時間型質量分析装置(MALDI-TOF-MS)などの分析条件を最適化し、多変量解析により発酵阻害物質候補の成分データを抽出した。この候補物質については、高分解能質量分析装置などの分析データを併せて化学構造式を推定した。また、発酵阻害対策に関しては、発酵阻害性の評価試験法を構築し、各種反応条件で得られたSSLの発酵阻害性に関するデータを蓄積した。その結果、弱蒸解条件で得られたSSLについて減圧濃縮とpH調整を行うことにより、発酵阻害性を低減できることを見出し、糖消費率と発酵収率を向上した。     本研究の成果から発酵阻害性を低減した高糖濃度SSLと酵素糖化に適したセルロース成分を同時に得られる木質バイオマスの反応条件を見出し、木質バイオマスの前処理技術として亜硫酸脱リグニン法の優位性を明らかにした。
英文要約Title: New Energy Technology Development. Development of Technology for High-efficiency Conversion of Biomass and Other Energy (Development of Preparatory Basic Bioenergy Technologies). Development of Cost-effective, Socially-conscious Woody-biomass-to-ethanol Production Process Based on Sulfite Delignification Method (FY2009-FY2010) Final Report
By a refinery method based on the sulfite delignification process, woody biomass can be separated into a wood carbohydrate extract fraction (SSL: Spent Sulfite Liquor) consisting of monosaccharides and lignin, and, cellulose fraction (undissolved residue). Both monosaccharides in SSL and cellulose fraction can be used as material for ethanol production. In order to construct a reasonable and rational process for the production of fuel ethanol from woody biomass, this research aimed to develop a technology for the production of cellulose with high efficiency for enzymatic saccharification and monosaccharide-enriched SSL by the optimization of the sulfite delignification process with less production of fermentation inhibitors. In order to examine the reaction condition of sulfite delignification process, basic analysis of the carbohydrate behavior toward the sulfite-hydrolysis was conducted with special attention to the role of anion (conjugate base) of the acid used for the hydrolysis. Compared with strong acid such as hydrochloric acid and sulfuric acid, sulfurous acid was found to be very effective to suppress the over-degradation of produced monosaccharides. By the use of specially designed multi-vessel reactor (multidigester), it was found that the concentration of monosaccharides in SSL increased by the employment of weaker reaction condition. By a simple hot-alkali treatment, the cellulose fraction obtained by the weak reaction condition can be converted to cellulose with high efficiency for enzymatic saccharification. As measures to deal with the fermentation inhibition, the chemical analysis of inhibitors and the construction of technologies to suppress the fermentation inhibition were conducted. As to the analysis of inhibitors, the possible inhibitors list was made by the multivariate analysis of the data obtained by MALDI-TOF-MS specially optimized for the analysis of SSL. Some of the compounds from the list were subjected to high-resolution MS analysis and their chemical structure was estimated. In order to develop the measures against fermentation inhibition, evaluation test method of fermentation inhibition was constructed, and, inhibition data were collected for SSLs obtained under different reaction conditions. Based on these data, it was found that the fermentation inhibition of SSL obtained by the weak reaction condition could be decreased by the concentration under reduced pressure and pH adjustment. This finding contributed to the increased monosaccharide consumption and fermentation yield. Based on the results obtained by this project research, we could establish the reaction condition which is suitable for the production of cellulose with high efficiency for enzymatic saccharification and monosaccharide-enriched SSL, and thus, we successfully demonstrated the advantage of sulfite delignification process as the bio-refinery method of woody biomass.
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