JP2008541738A - バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロールを用いた1,3−プロパンジオールの産生方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、生化学工学の分野に関する。特に、バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロールを用いた1,3-プロパンジオールの産生方法を提供する。
バイオディーゼルは再生可能なエネルギー源の一つで、図1に示すとおり、調理油などの植物油、動物脂肪、または廃油から作られる。
(1)化学的方法、現在は主に工業において用いられ、酸性または塩基性触媒存在下でのエステル交換により、植物油または動物油のグリセロール基をメタノールまたはエタノールなどの低炭素アルコールで置換して対応する脂肪酸メチルエステルまたは脂肪酸エチルエステルを生成する(Ma F, Hanna M A. Biodiesel production: a review. Bioresource Technology, 1999, 70:1-15(非特許文献1))。
(2)生物学的方法、エステル交換反応を触媒するために生物酵素または細胞を用い、対応する脂肪酸メチルエステルまたは脂肪酸エチルエステルを生成する(Ma F, Hanna M A. Biodiesel production: a review. Bioresource Technology, 1999, 70:1-15(非特許文献1))。
(3)超臨界法、エステル交換反応をいかなる触媒も用いずに超臨界溶媒系で実施する。(Saka S, Kusdiana D. Biodiesel fuel from rapeseed oil as prepared in supercritical methanol. Fuel, 2001, 80(2):225-231(非特許文献2); Kusdiana D, Saka S. Kinetics of transesterification in rapeseed oil to biodiesel fuel as treated in supercritical methanol. Fuel, 2001, 80(5):693-698(非特許文献3); Miao Xiao-ling, Wu Qing-yu, Exploitation of biomass renewable energy sources of microalgae. Renewable Energy, 2003, No.3:13-16(非特許文献4))。
1)腸内細菌を用いる嫌気性条件下での発酵によるグリセロールの1,3-プロパンジオールへの変換(USP5254467(特許文献1)、EP0373230A1(特許文献2))。
2)クレブシエラ属(Klebsiella)などの嫌気性菌を用いる嫌気性条件下での発酵による1,3-プロパンジオールの産生(Ruch et al. Regulation of glycerol catabolism in Klebsiella aerogenes. J Bacteriol. 1974, 119(1):50-56(非特許文献5); Streekstra et al. Overflow metabolism during anaeric growth of Klebsiella pneumoniae NCTC418 on glycerol and dihydroxyacetone in chemostat culture. Arch Microbiol. 1987, 147:268-275(非特許文献6); Zeng et al. Pathway analysis of glycerol fermentation by Klebsiella pneumoniae: Regulation of reducing equivalent balance and product formation. Enzyme Microbiol Technol. 1993, 15:770-779(非特許文献7))。
3)クレブシエラ属を用いる微好気性条件下での発酵による1,3-プロパンジオールの産生(Wang Jian-feng et al, Study on microaerobic conversion of glycerol to 1,3-propanediol by Klebsielle pneumoniae. Modern Chemical Industry, 2001, 21(5):28-31(非特許文献8). Xiu Zhi-long et al, A method of producing of 1,3-propanediol by fermentation using microbes under microaerobic condition, 中国特許公開番号(Chinese Patent Publication No.):CN1348007(特許文献3))。
4)クレブシエラ属を用いる嫌気性条件下での発酵による1,3-プロパンジオールおよび2,3-ブタンジオールの産生(Biebl et al. Fermentation of glycerol to 1,3-propanediol and 2,3-butanediol. Appl Microbiol Biotechnol, 1998, 50:24-29(非特許文献9))。
本発明は、バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロールを直接用いることによる1,3-プロパンジオールの産生方法であって、グリセロールの単離・精製の費用を節約し、コストを有効に削減する方法を提供する。この方法はバイオディーゼルおよび1,3-プロパンジオールの統合生産において有用である。
(a)バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロールを含む種培地に、1,3-プロパンジオール産生細菌株を接種する段階、
(b)バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロールを含む発酵培地に、種培養物を加えて発酵させる段階、ならびに
(c)1,3-プロパンジオールを単離および精製する段階
を含む。
本発明は、バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロールを直接用いた1,3-プロパンジオールの産生方法を提供する。本発明の方法に従い、1,3-プロパンジオールを産生するために、バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロールをいかなるそれ以上の処理もせずに直接用いることができる。粗製グリセロールは化学的方法、生物学的方法、または超臨界法を用いたバイオディーゼル生産からの副産物でありうる。
(a)一般に用いられる肺炎桿菌、酪酸菌、およびクロストリジウム-パストゥリアヌムからなる群より選択される1,3-プロパンジオール産生細菌株を、粗製グリセロールを含む種培地に接種して、好ましくは30℃から37℃で16から20時間培養する段階;
(b)粗製グリセロールを含む発酵培地に種培養物を加えて、好ましくは嫌気性または好気性条件下、30℃から37℃で発酵させ;流加発酵中、粗製グリセロールまたは粗製グリセロールとグルコースの混合物(グリセロール対グルコースの濃度比は5〜10:1である)を供給し、かつ発酵ブロス中のグリセロール濃度を10から40g/Lの範囲に維持し;かつpHを、好ましくは3から4Mのアルカリ溶液またはアンモニアにより、6.8から8.0の範囲に制御する段階;ならびに
(c)発酵後、1,3-プロパンジオールを脱塩、蒸留、および減圧精留により単離および精製し、その間に2,3-ブタンジオール、乳酸、酢酸、エタノール、またはコハク酸などの他の副産物を回収する段階。
本明細書において用いられる「バイオディーゼル」なる用語は、植物油、動物脂肪、および廃油から作られる再生可能なエネルギー源を意味する。
本発明は、下記の実施例によってさらに例示することになる。下記の実施例において、グリセロールはバイオディーゼル生産中に生成される副産物である粗製グリセロールである。酵母抽出物はWenzhou Jinju Condiment Companyから購入した。K2HPO4はChanghsha Yutai Industry Companyから購入した。KH2PO4はChangsha Gaosheng Techniqure Chemical Companyから購入した。MgSO4はTianjin Changle Chemical Companyから購入した。(NH4)2SO4はSinopec Baling Branch Companyから購入した。泡止め剤はChemical Plant of Zhejiang Universityから購入した。グルコースはShijiazhuang Huaying UnionGlucose Companyから購入した。他の試薬はVAS Chemical Company (China)から購入した。
(1)流加発酵中の発酵および供給のための基質:バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロール。
(2)菌株:Institute of Microbiology, Chinese Academy of Scienceから購入した肺炎桿菌(ACCC10082)。
(3)培地:
(3)培養:
A. 種培養:バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロール20g/Lを含む種培地(培地100mlを含む500mlフラスコ)に肺炎桿菌を接種し、好気性条件下、30℃、150rpmで20時間インキュベートした。
B. 発酵:作業容積4Lの5L発酵槽(Biostat B, Germany)を37℃での発酵に用いた。pH6.8に維持するためにKOHを用いた。バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロール30g/Lを含む発酵培地に種培養物を接種した。流加発酵中、グルコースおよびバイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロールを供給し、ここでグリセロール対グルコースの濃度比は8:1であり、発酵ブロス中のグリセロール濃度を30g/Lに維持するために流速を調節した。発酵を0.2vvm窒素通気による嫌気性条件下で行った。
(4)結果:
発酵後、発酵ブロス中の1,3-プロパンジオール濃度は44g/lに達した。1,3-プロパンジオールのモル収率は0.45で、生産性は0.8g/l/hであった。(発酵生成物の測定法はLiu, Dehua et al., Substrate inhibition in fermentation of 1,3-propandiol and countermeasures to it, Modern Chemical Industry, 2002 (7):34-38に記載された。)
(1)流加発酵中の発酵および供給のための基質:バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロール。
(2)菌株および培地は実施例1のものと同じであった。
(3)培養:
A. 種培養:肺炎桿菌をバイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロール20g/Lを含む種培地(培地100mlを含む500mlフラスコ)に接種し、好気性条件下、37℃、150rpmで16時間インキュベートした。
B. 発酵:作業容積4Lの5L発酵槽を37℃での発酵に用いた。pH8.0に維持するためにKOHを用いた。種溶液をバイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロール30g/Lを含む発酵培地に接種した。流加発酵中、グルコースおよびバイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロールを供給し、ここでグリセロール対グルコースの濃度比は10:1であり、発酵ブロス中のグリセロール濃度を30g/Lに維持するために流速を調節した。発酵開始後32時間は、発酵を0.2vvm窒素通気による嫌気性条件下で行った。32時間後、発酵を0.2vvm空気通気による好気性条件下で行った。
(4)結果:
発酵後、発酵ブロス中の1,3-プロパンジオール濃度は64g/lに達した。1,3-プロパンジオールのモル収率は0.51で、生産性は0.95g/l/hであった。
(1)流加発酵中の発酵および供給のための基質:バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロール。
(2)菌株および培地は実施例1のものと同じであった。
(3)培養:
A. 種培養:肺炎桿菌をバイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロール20g/Lを含む種培地(溶液100mlを含む500mlフラスコ)に接種し、好気性条件下、30℃、150rpmで16時間インキュベートした。
B. 発酵:作業容積40Lの50L発酵槽(Biostat B, Germany)を37℃での発酵に用いた。pH7.0に維持するためにKOHを用いた。種溶液をバイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロール10g/Lを含む発酵培地に接種した。流加発酵中、グルコースおよびバイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロールを供給し、ここでグリセロール対グルコースの濃度比は10:1であり、発酵ブロス中のグリセロール濃度を最初の10〜16時間は10g/L、16時間経過後は30g/Lに維持するために流速を制御した。発酵中、0.5vvm空気を通気した。
(4)結果:
発酵後、発酵ブロス中の1,3-プロパンジオール濃度は67g/lであった。1,3-プロパンジオールのモル収率は0.59で、生産性は1g/l/hであった。
(1)流加発酵中の発酵および供給のための基質:バイオディーゼル生産中の副産物である粗製グリセロール。
(2)菌株および培地は実施例1のものと同じであった。
(3)培養:
A. 種培養:バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロール20g/Lを含む種培地(溶液100mlを含む500mlフラスコ)に肺炎桿菌を接種し、好気性条件下、30℃、150rpmで16時間インキュベートした。
B. 発酵:作業容積350Lの500L発酵槽を37℃での発酵に用いた。pH7.0に維持するためにKOHを用いた。バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロール20g/Lを含む発酵培地に種培養物を接種した。流加発酵中、グルコースおよびバイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロールを供給し、ここでグリセロール対グルコースの濃度比は10:1であり、発酵ブロス中のグリセロール濃度を最初の10〜16時間は10g/L、16時間経過後は30g/Lに維持するために流速を制御した。発酵中、0.5vvm空気を通気した。
(4)結果:
発酵後、発酵ブロス中の1,3-プロパンジオール濃度は63.2g/lであった。1,3-プロパンジオールのモル収率は0.60で、生産性は1.1g/l/hであった。
Claims (17)
- バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロールを用いた1,3-プロパンジオールの産生方法であって、下記の段階を含む方法:
(a)バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロールを含む種培地に、1,3-プロパンジオール産生細菌株を接種する段階、
(b)バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロールを含む発酵培地に、種培養物を加えて発酵させる段階、ならびに
(c)1,3-プロパンジオールを単離および精製する段階。 - バイオディーゼル生産からの粗製グリセロールが、バイオディーゼル生産中に生成される副産物である粗製グリセロールであることを特徴とする、請求項1記載の方法。
- 段階(a)における1,3-プロパンジオール産生細菌株が肺炎桿菌(Klebsiella pneumoniae)、酪酸菌(Clostridium butyricum)、およびクロストリジウム-パストゥリアヌム(Clostridium pasteurianum)からなる群より選択されることを特徴とする、請求項1記載の方法。
- 段階(a)において、細菌株を30℃から37℃で16から20時間培養することを特徴とする、請求項3記載の方法。
- 段階(b)における発酵培地が、バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロールを10から30g/L含むことを特徴とする、請求項1記載の方法。
- 段階(b)における発酵中のpHを6.8から8.0の範囲に維持することを特徴とする、請求項1記載の方法。
- 3から4Mのアルカリ溶液またはアンモニアを用いてpHを維持することを特徴とする、請求項6記載の方法。
- 段階(b)における発酵を嫌気性または好気性条件下、30℃から37℃で実施することを特徴とする、請求項1記載の方法。
- 段階(b)において、バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロール、または粗製グリセロールとグルコースの混合物を供給し、かつ発酵ブロス中のグリセロール濃度を10から40g/Lに維持することを特徴とする、請求項1記載の方法。
- 混合物中のグルコースとグリセロールの濃度比が5〜10:1であることを特徴とする、請求項9記載の方法。
- 1,3-プロパンジオールを脱塩、蒸留、および減圧精留(vacuum rectification)により単離および精製することを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一項記載の方法。
- 同時生成物である2,3-ブタンジオール、乳酸、酢酸、エタノール、またはコハク酸を生成することを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一項記載の方法。
- バイオディーゼル生産において生成される副産物である粗製グリセロールを、いかなるそれ以上の処理もせずに、流加発酵中の供給基質として供給することを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一項記載の方法。
- 1,3-プロパンジオールを発酵産生するための基質粗製グリセロールが、化学的方法、生物学的方法、または超臨界法によるバイオディーゼル生産において生成される副産物で、それ以上処理されていない、粗製グリセロールであることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一項記載の方法。
- バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロールを、1,3-プロパンジオールを発酵産生するための基質として用いることを特徴とし、下記の段階を含む、請求項1〜10のいずれか一項記載の方法:
(a)肺炎桿菌、酪酸菌、およびクロストリジウム-パストゥリアヌムからなる群より選択される菌株を、バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロールを含む種培地に接種して、30℃から37℃で16時間から20時間インキュベートする段階、
(b)バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロールを含む発酵培地に、種培養物を加えて、嫌気性または好気性発酵のために30℃から37℃でインキュベートし、ここで粗製グリセロールまたは粗製グリセロールとグルコースの混合物を供給し、かつ発酵ブロス中のグリセロール濃度を10〜40g/Lに維持し、ここで混合物中のグルコース対グリセロールの濃度比は5〜10:1であり、かつ3から4Mのアルカリ溶液またはアンモニアを用いてpHを6.8から8.0の範囲に維持する段階、ならびに
(c)発酵後、1,3-プロパンジオールを脱塩、蒸留、および減圧精留により単離および精製し、かつ好ましくは2,3-ブチレングリコール、乳酸、酢酸、エタノール、またはコハク酸などの他の副産物を得る段階。 - バイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロールを流加発酵中の供給基質として供給することを特徴とする、請求項15記載の方法。
- 1,3-プロパンジオールを産生するための発酵基質が、化学的方法、生物学的方法、または超臨界法によるバイオディーゼル生産からの副産物である粗製グリセロールであることを特徴とする、請求項15記載の方法。
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