JP2000060585A - Production of ethanol by culture conversion of carbon dioxide into biomass - Google Patents
Production of ethanol by culture conversion of carbon dioxide into biomassInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この出願の発明は、CO2 の
培養バイオマス変換によるエタノールの生産方法に関す
るものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、火
力発電所等からの排気ガスからのCO2 の選択的固定
と、この固定されたCO2 から、より効率的に、実用性
の高いシステムとしてエタノールを生産することのでき
る、CO2 の培養バイオマス変換による新しいエタノー
ルの生産方法に関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing ethanol by converting CO 2 culture biomass. More specifically, the invention of this application is to selectively fix CO 2 from exhaust gas from a thermal power plant and to produce ethanol from this fixed CO 2 more efficiently and as a highly practical system. The present invention relates to a new method for producing ethanol by converting CO 2 culture biomass that can be used.
【0002】[0002]
【従来の技術と発明の課題】地球環境問題の一つとし
て、CO2 (二酸化炭素)による地球温暖化への対処が
世界的に大きな課題となり、1996年に開催された京
都会議では、わが国としてもCO2 排出量の6%カット
を約束していることから、この目標実現のための方策が
焦眉の技術課題になっている。2. Description of the Related Art As one of global environmental problems, coping with global warming by CO 2 (carbon dioxide) has become a major issue worldwide, and at the Kyoto Conference held in 1996, Japan Since they also promise to cut CO 2 emissions by 6%, measures to achieve this target have become an urgent technical issue.
【0003】CO2 の削減については、これまでにも様
々なアプローチが提案され、具体的な研究開発が進めら
れてきているところであるが、CO2 排出の大きな排出
源となっている火力発電所をはじめとする各種プラント
から排出されるCO2 を効率的に回収することは、これ
までの技術では、実用的に容易ではない。このような状
況において、CO2 の回収とその再利用のための技術と
して、この出願の発明者らが提案しているバイオマス変
換技術が注目されている。この技術は、火力発電所等か
ら排出される排気ガスを通気して藍色細菌(藍藻)を光
合成増殖させてCO2 を固定して培養バイオマスへ変換
し、次にこの培養バイオマスからD−グルコース粗抽出
液を取得し、さらにD−グルコース粗抽出液を酵素発酵
させてエタノールを産生させるというものであって、排
出CO2 の回収により燃料用等としても有用なエタノー
ルを取得することを特徴としている。CO2の再エネル
ギー資源化を図ることを可能としているものである。Regarding CO 2 reduction, various approaches have been proposed so far, and specific research and development have been underway, but thermal power plants have become a large emission source of CO 2 emissions. It is not practically easy to collect CO 2 emitted from various plants including the above-mentioned by the conventional technology. Under such circumstances, the biomass conversion technology proposed by the inventors of the present application has been attracting attention as a technology for recovering and recycling CO 2 . In this technology, exhaust gas emitted from a thermal power plant or the like is ventilated to photosynthetically grow cyanobacteria (cyanobacteria) to fix CO 2 and convert it into cultured biomass, and then the cultured biomass is converted into D-glucose. A crude extract is obtained, and further ethanol is produced by enzymatically fermenting the crude D-glucose extract, which is characterized by obtaining ethanol useful as a fuel or the like by collecting exhausted CO 2. There is. This makes it possible to convert CO 2 into a re-energy resource.
【0004】図1は、この技術の構成例を示したもので
あって、より具体的には次のプロセスを経由してエタノ
ールを生産することを特徴としている(Energy Vol.2
2,No. 2/3,pp 353−356,1997;En
ergy Convers. Magnt Vol.38,Suppl.pp.S523
−S528,1997)。
<1>Synechococcus leopoliensisの光合成増殖によ
り、CO2 を固定するバイオマス変換
<2>バイオマスの酸可溶化加水分解、中和、脱塩処理
によるD−グルコース粗抽出液の取得
<3>バイオマス抽出物としてのD−グルコース粗抽出
液の酵母(yeast);Saccharomyces cerevisiaeによる発
酵でのエタノールの生産
発明者らが提案しているたとえば以上のようなCO2 の
培養バイオマス変換による固定と、エタノール再エネル
ギー資源化の方法は、火力発電所等からの排気ガスの屋
外開放池(Outdoor Open Pond) への通気による藍色細菌
の光合成増殖と、酵母による反応等の温和な操作条件と
比較的小さな設備負担、そして効率的なエタノール生産
等の特徴をもつものとして今後の展開が期待されている
ものである。FIG. 1 shows an example of the configuration of this technique, and more specifically, it is characterized by producing ethanol through the following process (Energy Vol. 2).
2, No. 2/3, pp 353-356, 1997; En
Energy Convers. Magnt Vol.38, Suppl.pp. S523
-S528, 1997). <1> Biomass conversion that fixes CO 2 by photosynthetic growth of Synechococcus leopoliensis <2> Acid solubilization of biomass Hydrolysis, neutralization, desalination to obtain crude D-glucose extract <3> As biomass extract Yeast of crude D-glucose extract of :; Production of ethanol by fermentation with Saccharomyces cerevisiae Proposed by the inventors, for example, fixation by conversion of culture biomass of CO 2 as described above and conversion to ethanol re-energy resource The method is for photosynthetic growth of cyanobacteria by ventilating exhaust gas from a thermal power plant to an outdoor open pond, mild operation conditions such as reaction by yeast, and relatively small equipment burden, and It is expected to be developed in the future as having characteristics such as efficient ethanol production.
【0005】ただ、このCO2 培養バイオマス変換とエ
タノール生産の技術については、より実用性の高い方法
とするためにはさらに検討すべき課題があった。その一
つは、藍色細菌の光合成増殖のための培地の構成に数多
くの成分の調製が必要であって、しかも屋外開放池にお
ける培養のためには培地構成をできるだけ少ない成分と
して雑菌汚染リスクを低減し、液深がより大きく、した
がって光照射面積がより小さくて済む大規模開放池とす
ることが求められることであり、また次には、バイオマ
スのD−グルコース産生効率をより高め、これをもって
エタノールの生産能力をさらに高めることが望まれてい
たことである。[0005] However, the technology for converting CO 2 culture biomass and ethanol production had further problems to be investigated in order to make the method more practical. One of them is that the composition of the medium for the photosynthetic growth of cyanobacteria requires the preparation of many components, and for cultivation in an open outdoor pond, the medium composition should be as few components as possible to reduce the risk of contamination by bacteria. There is a need for a large-scale open pond that can be reduced and have a larger liquid depth, and thus a smaller light irradiation area, and next, the D-glucose production efficiency of biomass can be further increased. It was desired to further increase the ethanol production capacity.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】そこで、この出願の発明
は、以上のとおりの課題を解決するためになされたもの
であって、CO2 のバイオマスへの変換と、その後のバ
イオマスからのD−グルコース粗抽出液の取得並びにD
−グルコース粗抽出液からのエタノールの産生を経由す
るエタノールの生産方法において、異なる3種の無機
塩、もしくはこれを主成分とする最少培地によりCO2
含有ガスの通気下に藍色細菌を培養してCO2 のバイオ
マス変換を行うことを特徴とするCO2 の培養バイオマ
ス変換によるエタノールの生産方法を提供する。Therefore, the invention of this application was made in order to solve the problems as described above, and it is the conversion of CO 2 into biomass and the subsequent D-from biomass. Acquisition of crude glucose extract and D
In a method for producing ethanol via production of ethanol from a crude glucose extract, CO 2 is produced by using three different inorganic salts or a minimal medium containing the inorganic salts as a main component.
A method of ethanol production by the culture biomass conversion of CO 2, characterized in that by culturing the cyanobacteria open to air containing gas performs biomass conversion CO 2.
【0007】また、この出願の発明は、前記方法におい
て、屋外開放池を用いてCO2 を藍色細菌のバイオマス
に変換すること、そして、バイオマスを酸可溶化加水分
解してD−グルコース粗抽出液を取得することや、酵母
による発酵でD−グルコース粗抽出液からエタノールを
産生させること、CO2 含有ガスが排気ガスであること
を特徴とする方法をも提供する。Further, the invention of this application is the above method, wherein CO 2 is converted into biomass of cyanobacteria by using an outdoor open pond, and the biomass is acid-solubilized and hydrolyzed to perform crude D-glucose extraction. There is also provided a method characterized in that a liquid is obtained, ethanol is produced from a crude D-glucose extract by fermentation with yeast, and the CO 2 -containing gas is exhaust gas.
【0008】[0008]
【発明の実施の形態】この出願の発明は、前記のとおり
の特徴を有するものであるが、以下にさらに詳しく発明
の実施の形態について説明する。まず、この出願の発明
のCO2 バイオマス変換によるエタノールの生産方法に
おいては、前記の図1に沿ってのプロセスと同様に、
<1>CO2 のバイオマスへの固定化変換
<2>バイオマスからのD−グルコース粗抽出液の取得
<3>D−グルコース粗抽出液からのエタノールの生産
のプロセスとして構成される。そして、この出願の発明
の<1>CO2 のバイオマス変換に際しては、前記のと
おり、異なる3種の無機塩、もしくはこれを主成分とす
る最少培地によりCO2 含有ガスの通気下に藍色細菌を
培養してCO2 のバイオマス変換を行うことを大きな特
徴としている。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The invention of this application has the characteristics as described above, and the embodiments of the invention will be described in more detail below. First, in the method for producing ethanol by CO 2 biomass conversion of the invention of this application, in the same manner as the process along the above-mentioned FIG. 1, <1> CO 2 is immobilized and converted to biomass <2> Biomass is converted from biomass. Acquisition of D-glucose crude extract <3> Configured as a process of ethanol production from D-glucose crude extract. In the <1> CO 2 biomass conversion of the invention of this application, as described above, three different kinds of inorganic salts or a minimal medium containing the same as the main component is used to indigo a cyanobacteria under aeration of a CO 2 -containing gas. The major feature is that CO 2 is converted into biomass by culturing.
【0009】そして、この発明では、CO2 の藍色細菌
バイオマスへの変換が屋外開放池を用いて行うことが可
能とされることも大きな特徴である。この屋外開放池で
の培養を可能とする立地条件、通気条件、高液深化につ
いての設計および操作の指針がこの発明により提供され
るのである。この場合の藍色細菌(藍藻)としては、発
明者らがすでに提案しているSynechococcus leopoliens
is(Anacystis nidulans IAMM6,Synechococcus
PCC6301)が好ましい代表的なものとしてある。
もちろんこれ以外のものについても当然に考慮されるこ
とになる。The present invention is also characterized in that CO 2 can be converted into cyanobacterial biomass using an outdoor open pond. The present invention provides guidelines for designing and operating conditions such as location conditions, aeration conditions, and deepening of the liquid that enable cultivation in the outdoor open pond. Synechococcus leopoliens, which the inventors have already proposed, is the cyanobacteria in this case.
is (Anacystis nidulans IAMM6, Synechococcus
PCC6301) is a preferred representative.
Of course, other things will naturally be considered.
【0010】CO2 の固定によるバイオマス変換は、C
O2 含有ガス、たとえば火力発電所や焼却炉、化学プラ
ント等からの排気ガスを通気させての光合成増殖として
行うことになる。より好ましくは、排ガスおよび圧搾空
気の混合ガス吹込みによる気泡攪乱流動式高液深培養と
する。培養は、常温〜50℃程度で、屋外開放池での培
養としては季節変化にともなう常温として、あるいはわ
ずかに加温した条件として実施することが考慮される。
吹込みガスのCO2 の濃度やガス流量については特に制
限はないが、たとえば空気およびその他成分を含めた全
量の1〜15vol%程度とすることが考慮される。ガ
ス流量は、気泡攪乱流動式高液深培養を行うために、好
ましくは空塔基準のガス線濃度が12〜15m/hとな
ることを考慮する。Biomass conversion by fixing CO 2 is C
O 2 -containing gas, for example, exhaust gas from a thermal power plant, an incinerator, a chemical plant, or the like is aerated to perform photosynthetic growth. More preferably, it is a bubble-disturbed flow high-depth culture by blowing a mixed gas of exhaust gas and compressed air. It is considered that the culturing is carried out at room temperature to about 50 ° C., and the culturing in an outdoor open pond is carried out at room temperature accompanying seasonal changes or under slightly heated conditions.
The concentration of CO 2 in the blown gas and the gas flow rate are not particularly limited, but it is considered to be about 1 to 15 vol% of the total amount including air and other components, for example. Considering that the gas flow rate is preferably 12 to 15 m / h, the gas line concentration based on the superficial column is preferably 12 to 15 m in order to carry out bubble submerged flow type deep liquid culture.
【0011】光合成のための光は、バイオリアクター太
陽光またはランプによる光照射により与えられるが、屋
外開放池においては太陽光の効率的利用が考慮される。
太陽光を利用した屋外開放池の立地条件は特に制限はな
く、火力発電所や焼却炉、化学プラント等のCO2 排出
源に付設できればどこでも良く、植物栽培用の土地の
他、荒地、非農耕地、沼地などの活用が考えられる。屋
外開放池におけるCO2固定反応の活性は日照時間に大
きく依存する。このため、屋外開放池の好ましき立地条
件として日照時間が9時間程度である温帯または亜熱帯
が考慮される。屋外開放池をCO2 排出源に付設するた
めには、計画実施可能なできるだけ小さい光照射面積の
確保が大切であり、これを可能とすれば液深をできるだ
け大きく設定することが望ましいが、この発明の屋外培
養技術では、排ガスを同伴した圧搾空気による気泡攪乱
流動式培養を行うことにより高液深化を達成している。The light for photosynthesis is provided by light irradiation from a bioreactor sunlight or a lamp, but in an open outdoor pond, efficient use of sunlight is considered.
There are no particular restrictions on the location of outdoor open ponds using sunlight, and any location that can be attached to a CO 2 emission source such as a thermal power plant, an incinerator, or a chemical plant can be used. Utilization of land and marshes is possible. The activity of CO 2 fixation reaction in an open outdoor pond is highly dependent on the duration of sunshine. For this reason, the temperate zone or the subtropical zone where the sunshine duration is about 9 hours is considered as a preferable location condition for the outdoor open pond. In order to attach an outdoor open pond to a CO 2 emission source, it is important to secure a light irradiation area that is as small as possible for planned implementation. If this is possible, it is desirable to set the liquid depth as large as possible. In the outdoor culture technique of the invention, a deep liquid depth is achieved by performing bubble disturbed flow culture with compressed air accompanied by exhaust gas.
【0012】培養のための培地は、この発明において
は、3種の異なる無機塩、もしくはこれを主成分とする
最少培地とする。この場合の無機塩としては、たとえ
ば、K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn等の金属カチオ
ンの塩であって、同一の金属カチオンであってもアニオ
ンの異なるものであれば異なる無機塩の一種として使用
される。同一のアニオンの場合も同様である。アニオン
としては、たとえばNO3 - 、HPO4 2- 、SO4 2- 等
である。In the present invention, the medium for culturing is
Is composed of 3 different inorganic salts or the main component
Use the minimum medium. As the inorganic salt in this case,
For example, metal cations such as K, Na, Mg, Ca, Fe and Mn.
Salt of anion and the same metal cation
Used as a kind of different inorganic salt if different
To be done. The same applies to the same anion. Anion
For example, NO3 -, HPOFour 2-, SOFour 2-etc
Is.
【0013】培地を構成する3種の異なる塩としては、
たとえば、
KNO3 /K2 HPO4 /MgSO4 ・7H2 O
KNO3 /Na2 HPO4 ・12H2 O/MgSO4 ・
7H2 O
K2 HPO4 /MgSO4 ・7H2 O/NaNO3
等が例示される。より好ましくは、金属としてはK、M
gを必須成分とするもので、各々異なるアニオン(酸成
分)のものとの無機塩である。The three different salts that make up the medium include
For example, KNO 3 / K 2 HPO 4 / MgSO 4 · 7H 2 O KNO 3 / Na 2 HPO 4 · 12H 2 O / MgSO 4 ·
7H 2 O K 2 HPO 4 / MgSO 4 .7H 2 O / NaNO 3 and the like are exemplified. More preferably, the metal is K or M
g is an essential component and is an inorganic salt with different anions (acid components).
【0014】培地を構成する3種の無機塩の濃度として
は、全体として、1.46〜1.50g/dm3 、この
発明の最少培地を構成する。3種の異なる無機塩のみか
らなる最少培地においてCO2 の固定によるバイオマス
変換が可能であることはこの発明においてはじめて提示
されることであるが、実施上は、この3種の無機塩を主
成分とし、これにさらに微量の他の無機塩を加えてもよ
い。このいずれの場合においても、最少培地としての3
種の異なる無機塩の構成が明らかにされたことで、無機
塩の量を抑えて、雑菌の汚染リスクを低減することが可
能となる。たとえば、微量成分としては、CaCl2 ・
2H2O、FeSO4 ・7H2 O、MnSO4 ・7H2
O等が挙げられる。The concentration of the three kinds of inorganic salts constituting the medium is 1.46 to 1.50 g / dm 3 as a whole, which constitutes the minimum medium of the present invention. The fact that biomass conversion is possible by fixing CO 2 in a minimal medium consisting of only three different inorganic salts is first presented in this invention, but in practice, these three inorganic salts are the main components. In addition, a trace amount of another inorganic salt may be further added. In each of these cases, 3 as the minimum medium
By clarifying the composition of inorganic salts of different species, it becomes possible to reduce the amount of inorganic salts and reduce the risk of contamination by various bacteria. For example, as a trace component, CaCl 2 ·
2H 2 O, FeSO 4 · 7H 2 O, MnSO 4 · 7H 2
O etc. are mentioned.
【0015】より具体的に例示すれば、この発明におい
ては、<A>異なる3種の無機塩、たとえば
KNO3 /K2 HPO4 /MgSO4 ・7H2 O
<B>異なる3種の無機塩、たとえば
KNO3 /Na2 HPO4 ・12H2 O/MgSO4 ・
7H2 O
と、最小の微量成分、たとえば
CaCl2 ・2H2 O/FeSO4 ・7H2 O/MnS
O4 ・7H2 O
の組合わせ等が示される。微量成分は、全体として、
0.92g/dm3 以下で十分であり、従来よりよく用
いられている培地であるMDMよりも1/100以下と
極めて少ない量にすることができ、しかも無機塩全体と
しては、1.46〜1.50g/dm3 を好ましい量と
しMDMの90%以下としている。これらのこの発明の
培地においては、従来よく用いられているZn,Cuカ
チオン塩は全く必要としていない。More specifically, in the present invention, <A> three different inorganic salts, for example, KNO 3 / K 2 HPO 4 / MgSO 4 · 7H 2 O <B> three different inorganic salts. , For example, KNO 3 / Na 2 HPO 4 · 12H 2 O / MgSO 4 ·
7H 2 O and the smallest trace components, eg CaCl 2 .2H 2 O / FeSO 4 .7H 2 O / MnS
A combination of O 4 .7H 2 O, etc. is shown. Trace components, as a whole,
0.92 g / dm 3 or less is sufficient, and the amount can be made extremely smaller than 1/100 or less than that of MDM which is a medium which has been often used conventionally, and the total inorganic salt is 1.46 to A preferable amount is 1.50 g / dm 3 and 90% or less of MDM. These culture media of the present invention do not require Zn and Cu cation salts which have been often used conventionally.
【0016】この発明の特徴である最少培地についてさ
らに説明すると、たとえば後述の実施例においてはM3
およびCSの培地が用いられており、これらは、従来の
MDM(Modified Detmer Medium)とは本質的に異なるも
のである。公知技術のMDM(Modified Detmer Medium)
は
使用目的:広範囲の藍色細菌光合成増殖用
のための培地で、新たに分離した藍色細菌の保存、増殖
用の培地候補としては打って付けであるが、糖質が揃う
(MDMには糖は含まれていないが藍色細菌が死滅する
と細胞分解物から糖が生成するため)と細菌汚染も起こ
り易くなるために屋外開放池培養用の培地としては不適
と判断されるものである。なお、この培地ではCO2 が
乾燥固体重量に取り込まれる速度(CUR)は極めて高
く、液深0.02〜0.0742mとした光合成ではカ
ルチャー単位体積当たり0.00619〜0.0706
g/(dm3 ・h)に達する。The minimum medium, which is a feature of the present invention, will be further described. For example, M3 is used in Examples described later.
And CS medium have been used, which are essentially different from conventional MDM (Modified Detmer Medium). Known technology MDM (Modified Detmer Medium)
Is intended for use as a medium for a wide range of cyanobacterial photosynthetic growth. It is perfect as a medium candidate for the storage and growth of newly isolated cyanobacteria, but it has sugars (for MDM Although it does not contain sugar, it is judged as unsuitable as a medium for outdoor open pond culture, because sugar is produced from cell lysates when cyanobacteria are killed) and bacterial contamination easily occurs. In this medium, the rate at which CO 2 is taken into the dry solid weight (CUR) is extremely high, and 0.00619 to 0.0706 per culture unit volume in photosynthesis with a liquid depth of 0.02 to 0.0742 m.
Reach g / (dm 3 · h).
【0017】一方、この発明のM3培地(Minimal 3 c
omponents Medium)は
使用目的:藍色細菌240時間光合成反応(活性:MD
M中の活性の1/3程度)
のための最少培地であり公知技術には無い極めて成分数
の少ない培地である。この液は微量成分を全く含まない
ために雑菌汚染は起こりにくく屋外培養向きである。ま
た、屋外培養の培地交換インターバルは24−60時間
程度で、上記240時間という時間制限は十分な時間間
隔であり培養操作上何も問題は起こらない。また、24
0時間毎に開放池に微量成分(CS培地記載のもの)を
投与すれば藍色細菌240時間光合成は半永久的に継続
可能となる。On the other hand, the M3 medium of the present invention (Minimal 3 c
omponents Medium) is used for: cyanobacteria 240 hours photosynthetic reaction (activity: MD
It is a minimum medium for about 1/3 of the activity in M) and has a very small number of components that are not known in the art. Since this solution does not contain trace components at all, it is suitable for outdoor cultivation because it is unlikely to contaminate bacteria. Further, the medium exchange interval for outdoor culture is about 24 to 60 hours, and the above-mentioned time limit of 240 hours is a sufficient time interval and no problem occurs in the culture operation. Also, 24
If a trace component (described in CS medium) is administered to the open pond every 0 hours, the cyanobacteria 240 hours photosynthesis can be continued semipermanently.
【0018】また、この発明のCS培地(Cyanobacteria
l Synthetic Minimal Medium) は
使用目的:藍色細菌光合成反応(活性MDM中の活性と
同程度)
のための最少培地であり、MDM中の活性と同程度の活
性を長期に亘って維持でき、かつ、公知技術には無い成
分数および微量成分使用量の極めて少ない培地である。Further, the CS medium of the present invention (Cyanobacteria
l Synthetic Minimal Medium) is the minimum medium for the purpose of use: cyanobacterial photosynthesis reaction (similar to the activity in active MDM), and can maintain the activity similar to that in MDM for a long time, and The medium has a very small number of components and a very small amount of trace components, which are not known in the art.
【0019】MDMは、多種類藍色細菌用、多目的用途
のために、必要と思われる微量成分は欠かさず列記した
栄養液であるが、CS培地は、藍色細菌Synechococcus
leopoliensis用、屋外開放池用光合成のために、不必要
な微量成分はでき得る限り除外し、必要最小限の微量成
分数、含量により構成されている。この相違点は強調さ
れてよい。[0019] MDM is a nutrient solution listed for all kinds of cyanobacteria and for multipurpose use without failing to contain necessary trace components, but CS medium is a cyanobacteria Synechococcus
For photosynthesis for leopoliensis and outdoor open ponds, unnecessary trace components are excluded as much as possible, and it is composed of the minimum necessary trace component number and content. This difference may be emphasized.
【0020】CO2 を固定化した培養バイオマスは、こ
の発明では、次に酸可溶化加水分解してD−グルコース
を産生させる。この際の加水分解については、濃度が1
〜6mol/dm3 の鉱酸、より好ましくはHCl(塩
酸)を用い、10〜60g/dm3 バイオマス(塩酸水
溶液)に対して40〜90℃の温度において行うことが
考慮される。これにより最大量のD−グルコース産生が
可能となる。In the present invention, the CO 2 -immobilized culture biomass is then acid-solubilized and hydrolyzed to produce D-glucose. Regarding the hydrolysis at this time, the concentration is 1
It is considered to be carried out at a temperature of 40 to 90 ° C. for 10 to 60 g / dm 3 biomass (hydrochloric acid aqueous solution) using ˜6 mol / dm 3 mineral acid, more preferably HCl (hydrochloric acid). This allows the maximum amount of D-glucose production.
【0021】次いで、加水分解によるD−グルコース産
生の後にはアルカリ中和と脱塩が行われる。その後、こ
の発明の方法においては、バイオマス抽出物としてのD
−グルコースの酵母による発酵でエタノールが生産され
る。酵母としては、 Saccharomyces cerevisiae IFO
2347(Institute for Fermentation(Osaka, Japa
n))が好ましい代表例として示される。好気性培養を、
常温〜40℃程度の温度において行うことが考慮され
る。Next, after the production of D-glucose by hydrolysis, alkali neutralization and desalting are carried out. Then, in the method of the present invention, D as a biomass extract was used.
-Fermentation of glucose with yeast produces ethanol. As yeast, Saccharomyces cerevisiae IFO
2347 (Institute for Fermentation (Osaka, Japa
n)) is shown as a preferred representative. Aerobic culture
It is considered to be performed at a temperature of room temperature to 40 ° C.
【0022】この発明の酵母によるエタノール発酵法で
はエタノールの産生効率はより大きなものとなる。すな
わち、この発明により調製される藍色細菌バイオマス由
来のD−グルコース糖抽出液には、D−グルコース以外
にもエタノールへの変換可能な発酵原料が含まれている
ため、エタノールの収量は市販のD−グルコースを発酵
原料とした場合よりも高くなる。また、D−グルコース
粗抽出液には酵母のエタノール耐性を高める作用もある
ために、高濃度エタノール発酵用の原料としてD−グル
コース糖抽出液を使用することが考慮される。In the ethanol fermentation method using the yeast of the present invention, the production efficiency of ethanol becomes higher. That is, since the D-glucose sugar extract derived from cyanobacterial biomass prepared by the present invention contains a fermentation raw material that can be converted into ethanol in addition to D-glucose, the yield of ethanol is commercially available. It is higher than when D-glucose is used as the fermentation raw material. Further, since the crude D-glucose extract also has an effect of increasing the ethanol tolerance of yeast, it is considered to use the D-glucose sugar extract as a raw material for high-concentration ethanol fermentation.
【0023】そこで、以下に実施例を示し、さらに詳し
くこの発明の方法について説明する。Therefore, the method of the present invention will be described in more detail with reference to the following examples.
【0024】[0024]
【実施例】表1の各々の培地を用いてCO2 の固定によ
るバイオマス変換を行った。Synechococcus leopoliens
is(Anacystis nidulans IAMM−6)(Microbialand
Microalgal Research Center University of Tokyo)のp
hotobioreactor による光合成培養を、CO2 6%−空
気の混合ガスを通気させながら行った。ガス流速は1
2.0m/hとした。10klx のfluorescent lampを
用いて光照射した。[Example] Biomass conversion was carried out by fixing CO 2 using each of the media shown in Table 1. Synechococcus leopoliens
is (Anacystis nidulans IAMM-6) (Microbialand
Microalgal Research Center University of Tokyo)
Photosynthetic culture with hotobioreactor was performed while aeration of a mixed gas of CO 2 6% -air. Gas flow rate is 1
It was 2.0 m / h. Light was irradiated using a 10 kl x fluorescent lamp.
【0025】[0025]
【表1】 [Table 1]
【0026】培地MDMは公知(A.Watanabe, J.Gen .A
ppl.Microbiol.6,283(1960))のものであ
り、M3培地はこの発明の最少培地(3種の無機塩)
で、CS培地は、この発明の微量成分を加えた最少培地
である。総量はMDMが1.62g/dm3 、M3培地
が1.50g/dm3 、CS培地が1.46g/dm3
であり、M3培地、CS培地はMDMの92.6%、9
0.1%程度低い総量となっている。The medium MDM is known (A. Watanabe, J. Gen. A.
ppl.Microbiol.6,283 (1960)), and the M3 medium is the minimum medium of the present invention (three inorganic salts).
Then, the CS medium is the minimum medium to which the trace components of the present invention are added. The total amount MDM is 1.62g / dm 3, M3 medium 1.50g / dm 3, CS medium 1.46g / dm 3
And M3 medium and CS medium were 92.6% of MDM and 9%.
The total amount is about 0.1% lower.
【0027】無機塩成分数はMDMが11種であるのに
対し、M3が3種、CSが8種にまで極端に低下してお
り、硝酸塩、リン酸塩、マグネシウム塩以外の微量成分
数および微量成分総量は、MDMが8種125mg/d
m3 であるのに対し、M3培地が0種0mg/dm3 、
CS培地が5種0.918mg/dm3 と圧倒的に低減
化されており、M3培地に微量成分を補足したCS培地
の微量成分総量はCS培地総量の0.63%程度の微小
量でありMDMの微量成分総量の0.1%にも達してい
ない正に“微量成分”となっており、また、金属カチオ
ンの数もMSMが8種であるのに対し、M3培地が2
種、CS培地が6種と画期的な低減化を達成している。The number of inorganic salt components was 11 for MDM, while it was extremely reduced to 3 for M3 and 8 for CS. The number of trace components other than nitrates, phosphates, and magnesium salts and The total amount of trace components is 8 kinds of MDM 125 mg / d
m 3 medium, while M3 medium is 0 species 0 mg / dm 3 ,
The CS medium is overwhelmingly reduced to 5 kinds of 0.918 mg / dm 3, and the total amount of the minor components of the CS medium obtained by supplementing the M3 medium with the minor components is about 0.63% of the total amount of the CS medium. It is a "minor component", which is less than 0.1% of the total amount of minor components of MDM, and the number of metal cations is 8 in MSM, while 2 in M3 medium.
The number of seeds and CS medium has reached a breakthrough of 6 types.
【0028】このように、M3培地およびCS培地は、
藍色細菌の光合成増殖のために、必要不可欠な成分(た
だしCO2 以外)だけで構成し各成分を必要量だけ含む
栄養液である。図2は、培地M3の場合の前記のS.leop
oliensisの増殖を示したものであり、図中の Passageは
M3培地だけを用いた植え継ぎの回数すなわち継代数を
示す。この発明の最少培地によっても確かに2回の継代
数である240時間以上に亘ってCO2 固定の光合成増
殖が活性を低下させることなく可能であることがわか
る。Thus, M3 medium and CS medium are
It is a nutrient solution that is composed of only essential components (but not CO 2 ) for the photosynthetic growth of cyanobacteria and contains the required amount of each component. FIG. 2 shows the above S. leop in the case of the medium M3.
It shows the proliferation of oliensis, and Passage in the figure shows the number of subcultures using only M3 medium, that is, the number of passages. It can be seen that even with the minimal medium of the present invention, CO 2 -fixed photosynthetic growth can be performed without lowering the activity for 240 hours or more, which is the second passage number.
【0029】表2は、MDM培地と、M3およびCS培
地の各々の場合のCO2 固定化能を示したものであり、
表2からも、この発明のM3およびCS培地によって確
実にCO2 固定化が行われていることがわかる。MDM
培地に比べてM3培地では細胞によるCO2 の摂取速度
であるCO2 uptake rate(CUR)やバイオマス増殖
量Xf は低いものの、この発明のCS培地ではMDMに
比較し得る程度のCO 2 固定が達成できることがわか
る。Table 2 shows MDM medium, M3 and CS medium.
CO in each case of the ground2It shows the immobilization ability,
From Table 2, it can be confirmed by the M3 and CS medium of the present invention.
Indeed CO2It can be seen that immobilization is being performed. MDM
Compared to the medium, CO in the M3 medium depends on the cells2Intake rate
Is CO2 uptake rate (CUR) and biomass growth
Quantity XfAlthough it is low, in the CS medium of this invention, MDM
Comparable CO 2Do you know that fixation can be achieved?
It
【0030】[0030]
【表2】 [Table 2]
【0031】なお、表2におけるμは、バイオマスの比
増殖速度を、Ynoa/x は、バイオマスによる硝酸イオン
の収量を示している。この発明のM3およびCS培地の
硝酸イオンの収量はMDMより高いことがわかる。図3
は、この発明の培地M3およびCSにおける雑菌汚染に
ついての評価結果を示したものである。この図3より大
腸菌(E.coli)(炭素源、0.311g/dm3 D−gl
ucose)の増殖(X)はほとんどなく、優れた汚染リスク
の低減効果をもつものであることがわかる。一方、公知
の培地MDMの場合には、時間経過とともに大腸菌は著
しく増殖し、たとえば10時間経過後には、M3および
CS培地の場合の3倍にまで増殖してしまうことが確認
されている。In Table 2, μ indicates the specific growth rate of biomass, and Y noa / x indicates the yield of nitrate ion by the biomass. It can be seen that the nitrate ion yield of M3 and CS medium of the present invention is higher than that of MDM. Figure 3
Shows the evaluation results of contamination of various bacteria in the media M3 and CS of the present invention. From this FIG. 3, E. coli (carbon source, 0.311 g / dm 3 D-gl
It can be seen that there is almost no growth (X) of ucose) and that it has an excellent effect of reducing the risk of contamination. On the other hand, it has been confirmed that in the case of the known medium MDM, Escherichia coli remarkably grows over time, and after 10 hours, for example, grows up to 3 times as much as in the case of M3 and CS medium.
【0032】このことからも、この発明の培地によれ
ば、CO2 固定によるバイオマス増殖は、雑菌汚染によ
るリスクが極めて少なく、屋外の開放池においても有効
に使用されることがわかる。屋外開放池でのバイオマス
増殖が有効であることは、たとえば図4に示したpHコ
ントロールなしでの、9時間照明および24時間照明の
各々の場合のCS培地での結果によっても支持される。
いずれの場合にも増殖が停止する120時間目において
ほぼ同様のバイオマス増殖(Xf )が認められるからで
ある。From this, it can be seen that the culture medium of the present invention has an extremely low risk of biomass growth by CO 2 fixation due to contamination of various bacteria and can be effectively used even in an open pond outdoors. The effectiveness of biomass growth in outdoor open ponds is also supported, for example, by the results shown in Figure 4 with CS medium without pH control and under 9-hour and 24-hour illumination, respectively.
This is because, in any case, almost the same biomass growth (X f ) is observed at 120 hours after the growth has stopped.
【0033】また、図5は、CS培地において、pHが
7.8になるようにpHコントロールを行い、1日当り
の照明時間を変化させた場合の結果を示したものであっ
て、わずか6時間の照明だけでもかなりの増殖効果が認
められる。図6は、1日当りの照明時間と操作日数との
関係でCURを示したものである。CO2 消費速度CU
Rの最大値は日照時間9時間の時に得られており、この
発明の屋外開放池の立地条件としては、温帯、亜熱帯が
好ましいことがわかる。Further, FIG. 5 shows the results when the pH was controlled in the CS medium so that the pH was 7.8 and the lighting time per day was changed. Even with just the lighting, a considerable proliferation effect is recognized. FIG. 6 shows the CUR in relation to the lighting time per day and the number of operating days. CO 2 consumption rate CU
The maximum value of R is obtained when the sunshine duration is 9 hours, and it is understood that the location conditions of the outdoor open pond of the present invention are preferably temperate and subtropical.
【0034】以上の結果からも、この発明の培地におい
ては、屋外開放池でのバイオマス増殖が有効に実施され
ることがわかる。さらにまた、図7は、この発明の培地
でのバイオマス増殖について、細胞濃度(Xf )と培養
液深(HL )との関係を示したものであって、0.4m
の液深においても約0.4g/dm3 の濃度を示してお
り、気泡攪乱流動式高液深培養法の導入により従来より
報告例の多いクロレラ用屋外開放池よりも液深を2倍以
上大きく、したがって光照射面積を小さくすることがで
きることがわかる。From the above results, it can be seen that the medium of the present invention can effectively grow biomass in an open outdoor pond. Furthermore, FIG. 7 shows the relationship between the cell concentration (X f ) and the culture solution depth ( HL ) for biomass growth in the medium of the present invention, which is 0.4 m.
It has a concentration of approximately 0.4 g / dm 3 even at a liquid depth of more than two times, and the liquid depth is more than double that of the open-air pond for chlorella that has been reported in many cases by the introduction of the bubble-disturbed flow high-depth culture method. It can be seen that the light irradiation area can be made large and therefore the light irradiation area can be made small.
【0035】次に、培養により得られたバイオマスに対
し、3mol/dm3 HCl(50g/dm3 バイオマ
ス−HCl水溶液)を加えて、80℃の温度で20分間
処理してバイオマス可溶化、加水分解により糖化を行っ
た。3mol/dm3 のNaOHを用いて中和し、カチ
オン変換樹脂およびアニオン変換樹脂を用いて脱塩処理
した。Next, 3 mol / dm 3 HCl (50 g / dm 3 biomass-HCl aqueous solution) was added to the biomass obtained by the culture, and the mixture was treated at a temperature of 80 ° C. for 20 minutes to solubilize and hydrolyze the biomass. Was saccharified by. It was neutralized with 3 mol / dm 3 of NaOH and desalted with a cation conversion resin and an anion conversion resin.
【0036】この操作によって、その割合として、バイ
オマス乾燥重量1g当り、0.501gのD−グルコー
スを産生させることができた。極めて高い収率でD−グ
ルコースを得た。次いで、 Saccharomyces cerevisiae
IFO2347を用いて、30℃の温度において好気培
養を行い、エタノールを生産せた。By this operation, 0.501 g of D-glucose could be produced per 1 g of dry weight of biomass. D-glucose was obtained in a very high yield. Then Saccharomyces cerevisiae
Using IFO2347, aerobic culture was performed at a temperature of 30 ° C. to produce ethanol.
【0037】図8は、酵母細胞濃度(X)と産生させた
エタノール濃度(Cp )との関係を示した図である。図
9は、対数増殖期の酵母に対し酵母にとっては比較的濃
度の高いエタノールを添加し、エタノールが酵母の比増
殖速度に及ぼす影響を検討した実験の結果を示してい
る。横軸が添加後のエタノール濃度、縦軸が添加後の比
増殖速度(μ)を示し、図中の直線と横軸との交点が酵
母の増殖を停止させる時のエタノール濃度でありエタノ
ール耐性の大きさを判断する値を示す。いずれの図にお
いても controlは酵母の培養用の炭素源として市販の純
化されたD−グルコースを用いた場合のD−グルコース
からエタノールへの変換を示している。また、 biomass
extractは炭素源として藍色細菌由来D−グルコース粗
抽出液を用いた場合の粗抽出液中D−グルコースからエ
タノールへの変換を示している。図8および図9より、
この発明例による場合には、エタノール生産はより効率
的になり、エタノール耐性を向上させる(図9)ことが
できることがわかる。FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the yeast cell concentration (X) and the produced ethanol concentration (C p ). FIG. 9 shows the results of an experiment in which ethanol having a relatively high concentration for yeast was added to yeast in the logarithmic growth phase, and the effect of ethanol on the specific growth rate of yeast was examined. The horizontal axis shows the ethanol concentration after addition, the vertical axis shows the specific growth rate (μ) after addition, and the intersection of the straight line and the horizontal axis in the figure is the ethanol concentration at the time when the yeast growth is stopped. Indicates the value used to judge the size. In all the figures, control indicates the conversion of D-glucose to ethanol when using commercially available purified D-glucose as a carbon source for yeast culture. Also, biomass
Extract indicates the conversion of D-glucose in the crude extract into ethanol when the crude D-glucose extract derived from cyanobacteria was used as the carbon source. From FIGS. 8 and 9,
It can be seen that according to the example of the present invention, ethanol production becomes more efficient and ethanol tolerance can be improved (FIG. 9).
【0038】以上の例によれば、たとえばバイオマスと
してのサトウキビの耕地面積の約1/25程度の屋外開
放池面積でのバイオマス変換で、同量の燃料エタノール
の生産が可能になる。According to the above example, the same amount of fuel ethanol can be produced by converting the biomass in the open open pond area of about 1/25 of the cultivated area of sugar cane as biomass.
【0039】[0039]
【発明の効果】以上詳しく説明したとおり、この出願の
発明によって、効率的で、生産性の高いCO2 バイオマ
ス変換によるエタノール生産が可能となり、実用性の高
い方法が提供されることになる。より具体的にも、この
発明の培地によるバイオマス変換で、屋外開放池での効
率的で、雑菌汚染を抑えたバイオマス変換が可能とさ
れ、しかもD−グルコースの産生、エタノール生産もそ
の生産性が向上することになる。火力発電所等から排出
されるCO2 の回収による燃料エタノールへの再エネル
ギー資源化が図られる。INDUSTRIAL APPLICABILITY As described in detail above, the invention of the present application enables efficient and highly productive production of ethanol by CO 2 biomass conversion, and provides a highly practical method. More specifically, the biomass conversion using the culture medium of the present invention enables efficient biomass conversion in an open outdoor pond and suppression of contamination of various bacteria, and further, the productivity of D-glucose production and ethanol production is also high. Will be improved. By recovering CO 2 emitted from a thermal power plant or the like, the fuel ethanol can be recycled as an energy resource.
【図1】CO2 のバイオマス変換とエタノール生産のプ
ロセスを示したブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a process of CO 2 biomass conversion and ethanol production.
【図2】この発明のM3培地でのバイオマス増殖の例を
経時的に示した図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of biomass growth in the M3 medium of the present invention over time.
【図3】大腸菌の増殖を、この発明の培地M3とCSと
の場合について経時的に示した図である。FIG. 3 is a diagram showing the growth of Escherichia coli over time in the case of the medium M3 and CS of the present invention.
【図4】この発明のCS培地でのバイオマス変換を1日
当りの照明時間の変更の場合として経時的に示した図で
ある。FIG. 4 is a view showing biomass conversion in the CS medium of the present invention with time as a case of changing the illumination time per day.
【図5】図4と同様に照明時間への依存性を示した図で
ある。FIG. 5 is a diagram showing the dependency on illumination time, as in FIG.
【図6】CURと照明時間および操作時間との関係を示
した図である。FIG. 6 is a diagram showing a relationship between CUR and illumination time and operation time.
【図7】cell濃度と液深との関係を示した図である。FIG. 7 is a diagram showing the relationship between cell concentration and liquid depth.
【図8】エタノール生産時の細胞濃度(X)と産生エタ
ノール濃度(Cp )との関係を示した図である。FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the cell concentration (X) and the produced ethanol concentration (C p ) during ethanol production.
【図9】エタノール生産時のエタノール濃度と増殖速度
(μ)との関係を示した図である。FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the ethanol concentration and the growth rate (μ) during ethanol production.
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) (C12P 19/00 C12R 1:01) Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) (C12P 19/00 C12R 1:01)
Claims (5)
のバイオマスからのD−グルコース粗抽出液の取得並び
にD−グルコース粗抽出液からのエタノールの産生を経
由するエタノールの生産方法において、異なる3種の無
機塩、もしくはこれを主成分とする最少培地によりCO
2 含有ガスの通気下に藍色細菌を培養してCO2 のバイ
オマス変換を行うことを特徴とするCO2 の培養バイオ
マス変換によるエタノールの生産方法。1. A method for producing ethanol by converting CO 2 into biomass and then obtaining a crude D-glucose extract from the biomass and producing ethanol from the crude D-glucose extract is different in 3 Inorganic salts of the species or CO
A method for producing ethanol by converting CO 2 culture biomass, comprising culturing cyanobacteria under aeration of a gas containing 2 to convert CO 2 into biomass.
バイオマスに変換する請求項1のエタノールの生産方
法。2. The method for producing ethanol according to claim 1, wherein CO 2 is converted into a cyanobacterial biomass using an outdoor open pond.
グルコース粗抽出液を取得する請求項1または2のエタ
ノールの生産方法。3. D- by acid-solubilizing and hydrolyzing biomass
The method for producing ethanol according to claim 1 or 2, wherein a crude glucose extract is obtained.
液からエタノールを産生させる請求項1ないし3のいず
れかのエタノールの生産方法。4. The method for producing ethanol according to claim 1, wherein ethanol is produced from the crude D-glucose extract by fermentation with yeast.
1ないし4のいずれかのエタノールの生産方法。5. The method for producing ethanol according to claim 1, wherein the CO 2 -containing gas is exhaust gas.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10233336A JP2000060585A (en) | 1998-08-19 | 1998-08-19 | Production of ethanol by culture conversion of carbon dioxide into biomass |
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Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2000060585A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005533632A (en) * | 2002-05-13 | 2005-11-10 | グリーンフューエル テクノロジーズ コーポレイション | Photobioreactor and process for biomass production and mitigation of pollutants in fuel gas |
ES2262432A1 (en) * | 2005-05-11 | 2006-11-16 | Consejo Superior Investig. Cientificas | Method of fixing carbon dioxide using a culture of cyanobacteria |
WO2009093367A1 (en) * | 2008-01-21 | 2009-07-30 | Mikio Kuzuu | Ethanol production process |
-
1998
- 1998-08-19 JP JP10233336A patent/JP2000060585A/en active Pending
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