廃棄物最終処分場廃止基準の調査評価方法 · 2005-05-08 · 序(研究の目的と前提) 一般廃棄物及び産業廃棄物最終処分場の廃止基準が平成10
ホワイトバイオによる廃グリセロール からのポリマー原料生...
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ホワイトバイオによる廃グリセロールからのポリマー原料生産
プロセスの開発
筑波大学 生命環境系
教授 中島敏明
世界のBDF生産 2,900万トン (2014)(日本植物油協会HPより)
原料油脂の10%生成
低炭素社会の確立のために・・・バイオマス燃料
バイオディーゼル燃料(BDF)=軽油の代替燃料
メタノール脂肪酸メチルエステル(BDF)
グリセロール植物油脂(トリグリセリド)
NaOH
300万トン
焼却すると・・・・430万トンのCO2
1,3-propanediol(1,3-PD)
ポリマー原料(ポリトリメチレンテレフタレートやポリ3-ヒドロキシプロピオン酸、ポリウレタン等)
市場規模 約 650億円 (2021)https://www.marketsandmarkets.com
・従来法(石油原料)
プロピレン→アクロレイン→ 3-HP(アルデヒド)→1,3PD
・ホワイトバイオ(バイオマス利用)
グルコース→グリセロール→ 1,3PD
グルコースからの生産(食糧との競合、一次生産品の利用)
BDF廃棄グリセロールからの生産(廃棄物の利用と石油代替→二重の効果)
Citrobacter braakii TB-96株◦ TB-96株・ 以前、当研究室のプロジェクトで行った約400Lパイロットプラントスケールでの廃グリセロールからのエタノール生産試験で発生したコンタミ菌
・ 非滅菌条件で優占化、1,3-プロパンジオール(1,3-PD)を生産
TB-96株は、1,3-PD生産において実用上優位
研究開始時の生産性:約32g/L 72時間
検討課題(JST ALCA)
1)生産の最適化濃度を1.5-2倍(50-60gL)とするか生産時間を30-50%短縮(1.5-2日)する
(0.91g/L/Hourを2倍以上に)→培養条件の最適化・固定化菌体・連続発酵
2)代謝解析・育種ドラフトゲノム解析とアノテーション代謝経路の解明・ポイントの明確化→ゲノム解析・in silico 解析・代謝物の解析・メタボローム
3)コスト計算と総合評価本菌株の生産性の目標値を具体的な数値として算出
→各種パラメーターの設定と数値解析
1)生産の最適化
・前培養条件の検討
・浮遊菌体バッチ培養 逐次添加連続フィード
・固定化菌体繰り返しバッチ培養培地成分の低コスト化連続培養
連続フィードの検討
0
5
10
15
20
25
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30
40
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70
0 6 12 18 24 30 36 42 48
OD
580
Co
ncen
trati
on
(g
/l)
Time (h)
連続フィード
0
5
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15
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25
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10
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60
70
0 6 12 18 24 30 36 42 48
OD
580
Co
ncen
trati
on
(g
/l)
Time (h)
逐次添加
12時間で30g/L ・ 24時間で50g/L
前培養
固定化培養 本培養30℃, 18 h
培地全量交換
固定化担体として不織布を使用
培地を新しい培地と全量交換し、培養を繰り返し行う (繰り返しバッチ培養)
30℃, 9 h 30℃10-24 h
不織布
繰り返しバッチ培養
固定化菌体
純グリセロール
0
20
40
60
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Co
nc
en
tra
tio
n (
g/L
)
Time (h)
Glycerol 1,3-PD
繰り返しバッチ培養
生産量 23.2 g/L
生産速度 2.8 g/L/h 3.9 g/L/h
廃グリセロール
Crude GlycerolPure Glycerol
0
20
40
60
0 10 20 30 40 50
Co
nc
en
tra
tio
n (
g/L
)
0
20
40
60
0 10 20 30 40 50 60
Time (h)
Glycerol
1,3-PD
Glycerol
1,3-PD
繰り返しバッチ培養
生産量 22.7 g/L
生産速度 1.9→3.0 g/L/h
収率: 0.5 g/g glycerol
05
101520253035404550
0 12 24 36 48 60 72 84 96
Co
ncen
trati
on
(g
/l)
Time (h)
Crude Glycerol
Glycerol 1,3-PD Lactate Formate
0
10
20
30
40
50
0 6 12 18 24 30
Co
ncen
trati
on
(g
/l)
Time (h)
Pure Glycerol
生産量: 25.2 g/L
生産速度: 2.1 g/L/Hour
収率: 0.59 g/g glycerol
培地成分の低コスト化酵母エキスを25g/L→10g/Lに削減
生産量: 15.1 g/L (66%)
生産速度: 2.5 g/L/Hour (80%)
収率: 0.54 g/g glycerol
(培地コスト 40%)
約 50 ml/Hourで送・廃液700ml/14Hour
本培養培地量 700 ml
Batch Medium
(g/l)
Yeast
extract10
Glycerol50,
100
連続発酵(低コスト培地)
0
10
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30
40
50
0 6 12 18 24 30 36 42 48
Co
ncen
trati
on
(g
/l)
Time (h)
Glycerol 50 g/l
Glycerol 1,3-PD Lactate Formate
0
10
20
30
40
50
0 6 12 18 24 30 36 42 48
Co
ncen
trati
on
(g
/l)
Time (h)
Glycerol 100 g/l
連続発酵(低コスト培地)
生産量: 19.8 g/L
収率: 0.40 g/g glycerol
生産量: 25.8 g/L
収率: 0.26 g/g glycerol
・生産性は安定・生産量・収率に課題・条件検討(流速・培地) 変異株の使用(後述)
ドラフトゲノム解析アノテーション代謝経路の解明・ポイントの明確化
遺伝子破壊系の構築遺伝子破壊
破壊株による生産(バッチ培養)
2)代謝解析・育種
Glycerol
Pyruvate D-lactate
Acetyl-CoA
3-Hydroxypropione
aldehyde
1,3-Propanediol
TCA
cycle
NADH
NAD+
ATP, NAD+ ADP, NADH
2ADP
NAD+
2ATP
NADH NADH NAD+
Ethanol
NADH NAD+
Formate
Acetate
ATP ADP
NADH
NAD+
Succinate
NADH
NAD+
Dihydroxyacetonephosphate
取得済
代謝系の抽出と変異株取得
・乳酸生成系の破壊 (ldh)・ギ酸生成系の破壊 (pfl)
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60
Co
nc
en
tra
tio
n (
g/l
)
Time (h)
ΔldhΔpfl
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20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60
Co
nc
en
tra
tio
n (
g/l
)
Time (h)
Δldh
0
20
40
60
80
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0 10 20 30 40 50 60
Co
nc
en
tra
tio
n (
g/l
)
Time (h)
Control
Glycerol 1,3-PD Lactate Formate
副産物の抑制・生産性の向上
破壊株による生産(バッチ培養)
生産量: 74.2 g/L
生産速度: 2.0 g/L/Hour
収率: 0.65 g/g
コスト試算
参考Molel, E., Phillips, H., and Smith, A., 1,3-Propanediol from Crude Glycerol, Senior
Design Reports (CBE) 74, Department of Chemical & Biomolecular Engineering,
University of Pennsylvania 2015.
注:PDO=1,3-PD発酵槽15,000L, 運転時間8,000時間/年 1,3-PDの精製純度を99.98%として算定1,3-PD市場価格は110~240円/kg(純度99~99.5%)
既存プロセスとの比較
引用:須藤正夫,「21世紀初の超大型ポリマーPTT」,「工業材料」(日刊工業新聞社),2002年6月号,
http://cmcre.com/archives/764/
上記出典:マルチクライアント調査「1,3-PDO,PTTの製造,用途および経済性」より作成;シーエムシー出版,2000年8月完了)
C3ポリマー原料の生産Target1 1,3-プロパンジオール(1,3-PD)
→ポリトリメチレンテレフタレートTarget2 3-ヒドロキシプロピオン酸(3-HP)
→ポリ-3-ヒドロキシプロピオン酸→アクリル酸→ポリアクリル酸
・従来法(石油原料)
プロピレン→アクロレイン→ 3-HP(アルデヒド)→1,3PD
アクリル酸・ホワイトバイオ(バイオマス利用)グリセロール→ 1,3PD → 3HP →アクリル酸
グルコースからの生産(食糧との競合、一次生産品の利用)
BDF廃棄グリセロールからの生産(廃棄物の利用と石油代替→二重の効果)
世界生産量500万トン(2013)日本触媒IR資料より
構想:細菌と酵母のコラボレーション
Citrobacter braakiiTB-96株
Candida rugosa
BDF廃グリセロール
1,3-PD
3-HP
BDF廃グリセロールもOKコンタミ耐性!パイロットスケール実証済?
休止菌体反応が可能100%の変換効率(C4で実証済み)
細菌
酵母
嫌気
好気
ホワイトバイオによる3-HP(→アクリル酸)生産のブレークスルー
通気の必要(嫌気・好気2段階反応)
提供できる技術
現状
• TB-96株(野生株)
• Δldh株
• Δpfl株
• ΔldhΔpfl株
今後
• 他の破壊株・増強株・その他変異株
• 誘導体生産法・生産株
(共同出願希望)
成果有体物(筑波大学)
産学連携の経歴
パナック工業(株)2014年度~酵素による光学用ポリエステルフィルムのコート層の剥離に関する研究
東亞合成(株) 2012~2015年度バイオ化成品生産性向上遺伝子取得法の確立に関する研究
ハイファ・ケミカルLtd.(イスラエル) 2010~2011年度Microbial degradation of novel biodegradable polyurethanes(新規生分解性ポリウレタンの微生物分解に関する研究)
東京瓦斯(株) 2007~2009年度発酵に関する共同研究
三菱化学(株) 2007~2008ポリマーの微生物分解又は酵素分解に関する研究
(有)エス・ジー・ラボラトリ 2006(単年度)新規リゾビウム属細菌が生産するカタラーゼの精製
フクイバイオケミカル(株) 2006(単年度)チロシナーゼ活性を阻害する作用を有する物質の精製
筑波大学 国際産学連携本部
技術移転マネージャー 永井明彦
TEL 029-859 - 1498
FAX 029-859 - 1693
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