JP2006180782A - バイオディーゼル廃液からの水素およびエタノールの製造方法、並びに当該方法を行なうためのキット - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 バイオディーゼル廃液を含む原料液は、原料液タンク7からポンプ8によって、原料液流入孔5を通って発酵槽2に供給される。発酵槽2内の原料液は、細菌固定化多孔質担体4に固定化されたエンテロバクター(Enterobacter)属細菌によって発酵され水素およびエタノールを生産する。エタノールを含む発酵液は、原料液の供給に伴い発酵液流出孔6を通って発酵槽2外へと流出し回収される。一方、発酵生産された水素ガスを含む気体成分は、排気口9を通って発酵槽2外へと排出され、ガス回収槽10において回収されるようになっている。発酵槽2内の温度は発酵槽の外側面を覆うように設けられた恒温ジャケット3内を循環する恒温水によって、一定に保たれている。
【選択図】 図2
Description
上記反応式に示す生成物のうち、脂肪酸メチルエステルについては、既述のごとくバイオディーゼル燃料として有効に利用可能であるが、その残渣のグリセロールについては特に用途が無く、廃棄されているのが現状である。
福田 秀樹、「クリーンエネルギー(バイオディーゼル燃料)」日本農芸化学会シンポジウム:2002.3、p358 吉川 浩ら、「超臨界メタノールによる植物油からのバイオディーゼル燃料の製造」高圧討論会講演要旨集、VOL.42nd、p109(2001) 渡辺 嘉ら、「固定相型バイオリアクターを用いた廃食用油のバイオディーゼル燃料への連続変換」、酵素工学研究会講演会講演要旨集、VOL.46th、p42(2001) FUKUDA H, KONDO A, NODA H,"Biodiesel Fuel Production by Transesterification of Oils" J Biosci Bioeng, VOL. 92, NO.5, p405-416(2001) SAKA S, KUSDIANA D,「超臨界メタノールを利用した植物油廃棄物からバイオディーゼル燃料の生産」、資源処理技術、VOL.47、NO.2、p95−102 谷生 重晴ら、「Enterobacter aerogenes の発酵水素発生と利用基質について」、醗酵工学会誌、第67巻、第1号、p29−34、1989 Y.Nakashimada, M.A.Racman, T. kakizono, N. Nishio,"Hydrogen production of Enterobacter aerogenes altered by extracellular and intracellular redox states" International Jounal of Hydorogen Energy 27(2002),1399-1405
本発明にかかる水素およびエタノールの製造方法(以下「本発明の製造方法」という。)は、原料液として、油脂をメチルエステル化して得られる生成物からメチルエステルを除去して得られるバイオディーゼル廃液を含むものを用い、少なくとも表面に微生物を固定可能な担体が存在する条件下で、エンテロバクター(Enterobacter)属細菌によって発酵させる発酵工程を含むことを特徴としている。以下、構成ごとに分けて具体的に説明する。
本発明の製造方法の原料液を構成するバイオディーゼル廃液は、バイオディーゼル燃料を製造する際に副生成物として得られるグリセロールを多量に含むものである。バイオディーゼル燃料の製造原理は、既述の式Iに示す反応式に示すようにして行なわれる。より具体的には、油脂(別名:トリグリセリド、トリアシルグリセロール)とメタノールとが化学反応(メチルエステル化)によりメチルエステルおよびグリセロールが生成する。この生成したメチルエステルがバイオディーゼル燃料であり、この反応液からメチルエステル(バイオディーゼル燃料)を除去したものがバイオディーゼル廃液である。
本発明の製造方法に用いる上記原料液は、上記バイオディーゼル廃液が含まれていれば特に限定されるものではなく、バイオディーゼル廃液そのものを原料液として用いても良く、また適宜、水等の溶媒を添加し原料液として用いてもよい。上記溶媒の添加率(換言すれば希釈率)は特に限定されるものではなく、後に行なうエンテロバクター(Enterobacter)属細菌による発酵工程に用いる原料液として好適なものとなるように適宜検討の上、決定すればよい。
本発明の製造方法における発酵工程に用いる微生物は、通性嫌気性細菌のエンテロバクター(Enterobacter)属細菌である。エンテロバクター(Enterobacter)属細菌のグリセロールの代謝経路について図1に示す。エンテロバクター(Enterobacter)属細菌は、ブドウ糖などの解糖系で得られた余剰なNADHを2,3−ブタンジオール、エタノール、乳酸および酢酸などに配分することにより還元当量のバランスを保つ、いわゆる混合有機酸発酵を行なって生育する。この中で水素(図1中、H2)は、以下の経路によって生成される。(1)エタノール(図1中、Ethanol)および酢酸(図1中、Acetate)生成の中間生成物であるピルビン酸(図1中、Pyruvate)がアセチルCoA(図1中、Acetyl-CoA)へと代謝される際に、ピルビン酸−ギ酸リアーゼによりギ酸(図1中、Formate)が生成される。(2)当該ギ酸(図1中、Formate)からヒドロゲナーゼの作用により水素(図1中、H2)が生成される。
本発明にかかる製造方法は、既述の原料液を、少なくとも表面に微生物を固定可能な担体、より好ましくは多孔質担体の存在下で、上記エンテロバクター(Enterobacter)属細菌によって発酵させる発酵工程を含んでいる。かかる発酵工程は、エンテロバクター(Enterobacter)属細菌が原料液から水素およびエタノールを発酵生産する工程である。その発酵条件としては、エンテロバクター(Enterobacter)属細菌が水素およびエタノールを発酵生産する条件として好ましい条件であれば特に限定されるものではなく、その発酵方法は連続培養であっても回分培養(バッチ培養)であってもよい。回分培養は、発酵槽に原料と微生物を仕込み発酵終了後に発酵液を抜き出すという培養方法であり、連続培養は微生物を固定化等により発酵槽の中に閉じ込め、原料の流入と発酵液の流出を連続的に行なう培養方法である。連続培養は、長期間連続的に発酵することにより、発酵槽の単位体積あたりの生産性が回分培養に比して高いというメリットがあるためにより好ましいといえる。
本発明にかかる製造方法は、上記発酵工程のほかに、エンテロバクター(Enterobacter)属細菌を予め増殖させておく前培養工程、多孔質担体に予めエンテロバクター(Enterobacter)属細菌を固定化しておく固定化工程、生成した水素またはエタノールを精製する精製工程、生成した水素またはエタノールをガスクロマトグラフィー等で分析する工程、バイオディーゼル燃料の製造工程等の工程が含まれていてもよい。
本発明にかかるキットは、上記本発明にかかる水素およびエタノールの製造方法を行なうためのキットであって、少なくともその表面に微生物を固定可能な担体、およびエンテロバクター(Enterobacter)属細菌が含まれることを特徴としている。
各種エンテロバクター(Enterobacter)属細菌についてグルコースからの水素生産能を比較検討することにした。
エンテロバクター・アエロゲネス(Enterobacter aerogenes IFO802)
エンテロバクター・アエロゲネス(Enterobacter aerogenes JCM1235)
エンテロバクター・アエロゲネス(Enterobacter aerogenes HU101)
エンテロバクター・ゲルゴビエ(Enterobacter gergoviae JCM1234)
エンテロバクター・クロアカエ(Enterobacter cloacae JCM1232)
エンテロバクター・サカザキ(Enterobacter sakazakii JCM1233)
エンテロバクター・アスブリエ(Enterobacter asburiae JCM6051)
エンテロバクター・カンセロゲヌス(Enterobacter cancerogenus JCM3943)
エンテロバクター・アグロメランス(Enterobacter agglomerans JCM1236)
エンテロバクター・アムンルゲヌス(Enterobacter amnlgenus JCM1237)
エンテロバクター・インテルメドラス(Enterobacter intermedlus JCM1238)
(培地・培養方法)
表1に示す培地を用いた。表1に示す培地成分は全て和光純薬工業株式会社から購入したものを使用した。
水素の生産量の測定は、ガスクロマトグラフィー(株式会社島津製作所製、GC8A)にて行なった。具体的には、『Nishio N, Eguchi SY, Kawashima H, Nagai S. “Mutual conversion between H2 plus CO2 and formate by a formate-utilizing methanogen.”J Ferment Technol, 1983; 61(6):557-61』の記載に準じて行なった。
表2に結果を示す。なお表2には、グルコースの消費量(mM)、水素生成量(H2(mM))、および水素収率(H2収率(mol/mol-glucose))を示した。水素収率(H2収率(mol/mol-glucose))とは、グルコース1モルから得られる水素のモル数である。
(培地・培養方法)
表1におけるグルコースを各種炭素源(フルクトース、ガラクトース、ソルビトール、マンニトール、グリセロール)に置き換えた各培地を作製した。
上記実施例1において、高い水素生産能を示したエンテロバクター・アエロゲネス(Enterobacter aerogenes HU101)を用いた。
エタノールの測定は、HPLCを用いて行なった。なお測定方法は、Fukuzaki S, Chang Y-J, Nishio N, Nagai S.”Characteristics of granular metanogenic sludge grown on lactate in a UASB reactor” J Ferment Bioeng, 1991;72(6):465-72 の記載に準じた。
各発酵液から回収した水素およびエタノールの収率を表3に示す。
(菌株)
上記実施例1において、高い水素生産能を示したエンテロバクター・アエロゲネス(Enterobacter aerogenes HU101)を用いた。
表1に示す培地のグルコースをグリセロールに置き換えた培地を用いた。なお、グリセロール濃度は、5.0(g/l)、10(g/l)、25(g/l)、50(g/l)となるように調整した。
37℃、静置条件で回分培養を行なった。
水素の測定は実施例1に記載の方法と同様にした。
表4には、各種グリセロール濃度の培地を用いた場合の、炭素源であるグリセロールが完全に消費されるまでに生産した全水素(H2)量、全エタノール(Ethanol)量、全乳酸(Lactate)量、全酢酸(Acetate)量、全1,3−プロパンジオール(1,3-Propanediol)量、全ギ酸(Formate)量から計算した炭素源(グリセロール)当りの収率を示した。なお表4中の「Consumption time(hr)」は、炭素源であるグリセロールが完全に消費されるまでの時間を示す。
(菌株)
エンテロバクター・アエロゲネス(Enterobacter aerogenes HU101)を用いた。
表1に示す培地からYeast extract(酵母抽出物)およびTrypton(カゼイン酵素分解物)を除き、グルコースをグリセロールに置き換え、さらにNaClを0(%)、0.5(%)、1(%)、3(%)となるように調整した培地をそれぞれ用いた。
表5に結果を示す。表5には水素生産量(H2 (mM))、および残存グリセロール濃度((Residual Glycerol(mM))を示した。
(菌株)
エンテロバクター・アエロゲネス(Enterobacter aerogenes HU101)を用いた。
表1に示す培地からYeast extract(酵母抽出物)およびTrypton(カゼイン酵素分解物)を除き、グルコースをグリセロールに置き換え、さらに(NH4)2SO4を0.1(g/l)、1(g/l)、5(g/l)、10(g/l)となるように調整した培地をそれぞれ用いた。
表6に結果を示す。表6には水素生産量(H2 (mM))、および残存グリセロール濃度((Residual Glycerol(mM))を示した。
(菌株)
エンテロバクター・アエロゲネス(Enterobacter aerogenes HU101)を用いた。
表1に示す培地からYeast extract(酵母抽出物)およびTrypton(カゼイン酵素分解物)を除き、グルコースをグリセロールに置き換え、さらにMgSO4・7H2Oを0.25(g/l)、0.5(g/l)、1(g/l)となるように調整した培地をそれぞれ用いた。
表7に結果を示す。表7には水素生産量(H2 (mM))、および残存グリセロール濃度((Residual Glycerol(mM))を示した。
(菌株)
エンテロバクター・アエロゲネス(Enterobacter aerogenes HU101)を用いた。
以下表8に示す組成のバイオディーゼル廃液に、表1に示す成分のうちグルコースを除く成分を加えて調製した原料液(以下、「複合原料液」という)、または表1に示す成分のうちグルコース、Trypton(カゼイン酵素消化物)、およびYeast extract(酵母抽出物)を除く成分を加えて調製した原料液(以下、「合成原料液」という)を培地として用いた。
37℃、静置条件で回分培養を行なった。
上記実施例に準じて行なった。
表9には、各種グリセロール濃度の培地を用いた場合の、炭素源であるグリセロールが完全に消費されるまでに生産した全水素(H2)量、全エタノール(Ethanol)量、全乳酸(Lactate)量、全酢酸(Acetate)量、全1,3−プロパンジオール(1,3-Propanediol)量、全ギ酸(Formate)量から計算した炭素源(グリセロール)当りの収率を示した。なお表8中の「Consumption time(hr)」は、炭素源であるグリセロールが完全に消費されるまでの時間を示す。
(菌株)
エンテロバクター・アエロゲネス(Enterobacter aerogenes HU101)を用いた。
連続培養装置は、自作のガラス製カラム型リアクター(直径2.7cm×高さ17cm、容量60ml)。その概略は図2に示すとおりである。
実施例7において調製した複合原料液(グリセロール濃度10g/l)、または表1に示す培地のグルコースをグリセロール(グリセロール濃度10g/l)に置き換えた培地(以下、「グリセロール原料液」という)を用いた。
培養温度37℃で連続培養を行なった。また培養液の希釈率は0.1h−1〜1.6h−1の間で適宜変更して各々試験を行なった。
上記実施例に準じて行なった。
図4に複合原料液を原料とし、発泡錬石を導入して培養を行なった場合の結果を示した。図4(a)は水素生産速度(mmol/l/h)を示し、図4(b)は各種成分の濃度(mM)を示した。
2 発酵槽
3 恒温ジャケット
3a 恒温水流出孔
3b 恒温水流入孔
3c 恒温水槽
4 細菌固定化多孔質担体
5 原料液流入孔
6 発酵液流出孔
7 原料液タンク
8 ポンプ
9 排気口
10 ガス回収槽
Claims (10)
- 原料液として、油脂をメチルエステル化して得られる生成物からメチルエステルを除去して得られるバイオディーゼル廃液を含むものを用い、
少なくともその表面に微生物を固定可能な担体が存在する条件下で、エンテロバクター(Enterobacter)属細菌によって発酵させる発酵工程を含むことを特徴とする水素およびエタノールの製造方法。 - 上記エンテロバクター(Enterobacter)属細菌が、エンテロバクター・アエロゲネス(Enterobacter aerogenes)、エンテロバクター・ゲルゴビエ(Enterobacter gergoviae)、エンテロバクター・クロアカエ(Enterobacter cloacae)、およびエンテロバクター・サカザキ(Enterobacter sakazakii)からなる細菌群から選ばれる少なくとも1つ以上の細菌であることを特徴とする請求項1に記載の水素およびエタノールの製造方法。
- 上記エンテロバクター(Enterobacter)属細菌が、エンテロバクター・アエロゲネス(Enterobacter aerogenes)HU101であることを特徴とする請求項1または2に記載の水素およびエタノールの製造方法。
- 上記担体が、多孔質であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の水素およびエタノールの製造方法。
- 上記担体が、粒子状であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の水素およびエタノールの製造方法。
- 上記担体の平均粒子径が、3mm以上、20mm以下であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の水素およびエタノールの製造方法。
- 上記担体が、貫通孔を有する多孔質担体であることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の水素およびエタノールの製造方法。
- 上記発酵工程が、連続培養により行なわれることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の水素およびエタノールの製造方法。
- 上記原料液が、酵母抽出物およびカゼイン酵素分解物を含むことを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1項に記載の水素およびエタノールの製造方法。
- 請求項1ないし9のいずれか1項に記載の水素およびエタノールの製造方法を行なうためのキットであって、
少なくともその表面に微生物を固定可能な担体、
およびエンテロバクター(Enterobacter)属細菌が含まれることを特徴とするキット。
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