JP2015144578A

JP2015144578A - バイオマスを原料とした有用物質生産に用いる微生物の培養方法

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Publication number: JP2015144578A
Application number: JP2014018408A
Authority: JP
Inventors: 林　俊介; Shunsuke Hayashi; 俊介林; 典子吉良; Noriko Kira; 伸介増成; Shinsuke Masunari
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2014-02-03
Filing date: 2014-02-03
Publication date: 2015-08-13

Abstract

【解決手段】第１発明は、バイオマスを原料とした有用物質生産に用いる微生物の培養において、微生物の栄養源として食品廃棄物または家畜糞堆積物を用いることを特徴とする微生物培養方法である。第２発明は、バイオマスを原料とした有用物質生産に用いる微生物の培養において、微生物の栄養源として、食品廃棄物または家畜糞堆積物を所要量の水で処理し生じた含水混合物を固液分離して得られた水相を用いることを特徴とする微生物培養方法である。【効果】本発明による微生物培養方法を種菌の培養に適用することにより、種菌の生産コストを低下させることができる。その結果、バイオマスを原料とした有用物質生産のコストの低下させることができる。【選択図】なし

Description

本発明は、バイオマスを原料として用いて有用物質を生産する方法において、微生物の栄養源として食品廃棄物または家畜糞堆積物を利用して微生物培養を行う方法に関する。

化石資源の枯渇や地球温暖化といった問題に対する解決策の一つとして、バイオマス資源の利活用が注目されている。バイオマス資源は直接燃焼して利用するだけでなく、植物油を用いた軽油代替、エタノール発酵によるガソリン代替、メタン発酵による天然ガス代替、乳酸発酵によるプラスチック代替など、生物学的な変換にも利用されており、最近では藻類からの有用物質生産も検討されている。このように微生物による発酵は複雑な反応を1つの反応場で行うことができる点で産業上有望な手法である。

微生物を用いた有用物質生産において、まず種菌を調製する必要がある。微生物は十分な栄養と成育に適した条件を満たすことで増殖するが、初期にある程度の菌体量を用いて反応を開始することで、物質生産を迅速に行うことができる。

種菌の培養に必要な栄養源は、微生物の種類により異なるが、通常は必要最低限の量で賄うことができ、かつ栄養源の原料としてできるだけ安価な物質を用いている。例えば糖蜜やコーンスティープリカーといった、品質がある程度一定である原料を用いて安定的に種菌を生産し、必要な栄養源の必要な量が閾値を下回らない程度の量で使用されている。

通常、有用物質を生産する発酵時には菌体量が多いほど反応が進行し易い。種培養で得たフレッシュな菌体を用いるだけでなく、使用済みの菌体の再利用も行われるが、いずれにしても菌体は永続的に使用できるわけではなく、いずれかの時期に菌体を調製する必要がある。

特許文献１には、種菌に必要な栄養源を安価に確保するために種菌調製段階および有用物質生産段階に使用する栄養源を、藻類の加水分解処理物を培地に添加することにより賄うという方法が記載されている。

しかし、この方法では、酵母などの従属栄養生物の場合は必要な栄養源を加える必要がある。また、藻類による大量の有用物質生産は実現しておらず、そのため藻類の加水分解処理物を安定的に確保することは困難である。

一方、特許文献２には、木質系バイオマスから得られた糖を微生物によって発酵させてエタノールを製造する方法において、微生物の栄養源として、おから、茶粕、コーヒー粕のような食品系廃棄物を加熱処理して得られたものを用いるエタノールの製造方法が記載されている。

このとき、エタノール発酵に用いられる酵母は好気条件下で活発に増殖し、エタノールの生産は嫌気雰囲気で多く進行するといった違いがあり、特許文献２ではエタノール製造時について記載されているが、種培養時における栄養源の添加による前培養コストの低下については言及されていない。

特開2011−229439号公報特開2005−117942号公報

上述したように、微生物を用いて有用物質を生産する場合、種菌を準備する必要があり、種菌の培養には安定的な組成でかつ安価な栄養源が要求される。またバイオマスから変換した有用物質の生産コスト低下を達成するのは、種菌の培養時のコスト低下が必要である。

本発明は、上記課題を解決すべくなされたもので、第１発明は、バイオマスを原料とした有用物質生産に用いる微生物の培養において、微生物の栄養源として食品廃棄物または家畜糞堆積物を用いることを特徴とする微生物培養方法である。

第２発明は、バイオマスを原料とした有用物質生産に用いる微生物の培養において、微生物の栄養源として、食品廃棄物または家畜糞堆積物を所要量の水で処理し生じた含水混合物を固液分離して得られた水相を用いることを特徴とする微生物培養方法である。

第２発明において、食品廃棄物または家畜糞堆積物を所要量の水で処理した後、固液分離の前に、含水混合物の攪拌処理、粉砕/摩砕処理、加熱処理、加圧処理および酸/アルカリ処理のうち少なくとも1つの処理を行うことが好ましい。

第１および第２発明において、好ましい食品廃棄物は油粕であり、好ましい家畜糞堆積物は牛糞堆積物または鶏糞堆積物である。本発明による微生物培養方法は、好ましくは種菌の調製段階に適用されるが、有用物質生産段階にも適用できる。

種菌の培養には、培地原料の安定的な組成が求められる。その理由としては、栄養源の必要量を若干上回る量で培養を行うことでコスト低減効果を達成できること、さらに生産される有用物質は食品や薬品などある程度の品質を求められることが挙げられる。一方、バイオ燃料や石油代替製品の生産においては、種菌の調製には培地原料の安定的な組成はそれほど求められない。したがって、培地組成にばらつきがあり、栄養源の必要量を大幅に上回る可能性があるような、品質にむらがある原料であってもコストが低ければ用いることができる。

本発明は、このような観点から、品質が安定していないが安価に入手できる食品廃棄物または家畜糞堆積物を微生物の栄養源として用いて種培養を行う方法に至ったものである。

特許文献１に記載された方法では、藻類の加水分解処理物などのような、藻類本来の用途を終えた廃棄物系バイオマスを微生物の栄養源として用いる。これは藻類に限定したバイオマス資源の循環モデルの１つであり、必要な有機および無機塩類すべてを回収することができ、かつ蓄積物による阻害効果が起こらない場合には有効な方法であるが、酵母などの従属栄養生物では必要な栄養源を加える必要がある。また、藻類による大量の有用物質生産は実現しておらず、他の廃棄物系バイオマスにおいても安定的な量の確保が問題となる。

これに対し、本発明で用いる食品廃棄物または家畜糞堆積物は、大量に流通しており、安定的な入手と共にある程度の品質も保証されている。また、食品廃棄物または家畜糞堆積物は有機成分やミネラル、ビタミンなどを含むので、微生物の栄養源として好適である。

本発明において、食品廃棄物とは、食品の製造・加工・流通・消費などの際に廃棄される食品であり、製造や加工の段階で発生する廃棄物や，流通の段階で発生する売れ残り，消費の段階で発生する調理屑や食べ残しなどである。好ましい食品廃棄物は油粕である。

本発明において、家畜糞堆積物とは、牛、馬、豚、羊、山羊、鶏などの家畜の糞を堆積したものである。好ましい家畜糞堆積物は牛糞堆積物または鶏糞堆積物である。家畜糞堆積物は通常は堆肥として用いられるが、これを本発明方法に利用することができる。

微生物の培養時には、好気条件下での培養や温度調節等の目的で攪拌を行うが、食品廃棄物または家畜糞堆積物を固液分離し、または食品廃棄物または家畜糞堆積物を水で処理し生じた含水混合物を固液分離し、得られた水相を微生物の栄養源として用いることもできる。

食品廃棄物または家畜糞堆積物の水処理では、微生物の培養を行う際の操作の容易性から、食品廃棄物または家畜糞堆積物に対し水１：１〜１：１００、好ましくは１：１０〜１：５０の重量割合で両者を混合し、含水混合物を調製する。

固液分離操作は、特に限定しないが、サイズ除去、遠心分離、沈降、膜処理などが例として挙げられる。

より多くの栄養分を回収する目的で、食品廃棄物または家畜糞堆積物を所要量の水で処理した後、固液分離の前に、含水混合物の攪拌処理、粉砕/摩砕処理、加熱処理、加圧処理および酸/アルカリ処理のうち少なくとも1つの処理を行うことが好ましい。含水混合物の攪拌処理、粉砕/摩砕処理、加熱処理、加圧処理および酸/アルカリ処理は、定法に従って行って良い。

本発明による微生物培養方法において、微生物は真正細菌、古細菌、真核生物（藻類、原生生物、菌類、粘菌）であってよく、菌類としては酵母、カビが例示される。これらはいずれも公知のものであってよい。

本発明による微生物培養方法は、通常は培地中で行われるが、培地なしで行うこともできる。培地は一般に用いられるものであって良く、例えば酵母の場合、Y（イーストエキストラクト）P（ポリペプトン）培地、CSL（コーンスティープリカー）に無機塩類を添加した培地等が好ましい。

培地に対する食品廃棄物または家畜糞堆積物の重量割合は、１００：１〜１：１００、好ましくは１０：１〜１：１０であり、培地に対する食品廃棄物または家畜糞堆積物から得られた水相の重量割合は、１００：１〜１：１００、好ましくは１０：１〜１：１０である。微生物の培養条件は種培養に供する微生物における定法の条件で良く、例えば、培養温度は２０〜６０℃、培養時間は６時間〜10日、培養方法は静置培養、攪拌培養、振盪培養、固体培養等が適宜採用される。

本発明による微生物培養方法における、バイオマスを原料とした有用物質生産の代表例としては、やと言った安い穀物をし、発酵液を濾過してを作り出し、乗用車や小型トラック用のガソリンを代替するエタノールの生産が挙げられる。

本発明による微生物培養方法を種菌の培養に適用することにより、種菌の生産コストを低下させることができる。その結果、バイオマスを原料とした有用物質生産のコスト削減を達成することができる。

また大量に流通している食品廃棄物または家畜糞堆積物を微生物の栄養源として用いることで、種菌の生産コストの変動を抑えることができる。

各実験において培養終了時に得られた菌体の湿重量を示すグラフである。

以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。

実施例
食品廃棄物または家畜糞堆積物として、油粕（コーナン商事社製「油粕」、平成23年10月製造、窒素全量；5.3％、りん酸全量；2.0％、カリ全量；1.0％）、牛糞堆肥（グリーンプラン社製「熟成牛ふん」、窒素全量；1.59％、リン酸全量；1.32％、カリ全量；1.56％、炭素窒素比（C/N）；28）、鶏糞堆肥（美咲ファーム社製「発酵鶏糞」、窒素全量；3.42％、りん酸全量；3.25％、カリ全量；2.67％、石灰全量；17.42％、炭素窒素比；4.5）の3種を用意した。

油粕、牛糞堆肥、鶏糞堆肥をそれぞれ重量比で5％となるように水で処理し、オートクレーブで121℃で20分間加熱した。常温まで冷却後、遠心分離により水相（上清）を回収し、これを原液とした。

微生物として酵母（サッカロマイセスセレビシエ）を用意し、酵母培養によく用いられるY（イーストエキストラクト）P（ポリペプトン）培地と、CSL（コーンスティープリカー）に無機塩類を添加した培地の2種類を用意した。

300ｍL容の三角フラスコに糖質としてグルコース、培地、原液を表１（培養条件）に示す割合でそれぞれ加え、予め常法に従い調製した酵母を0.1gずつ加え、さらに滅菌水を全量が50gとなるように加え、35℃、150rpmで培養を行った。

グルコース濃度10％で酵母の培養を行った場合、一般的には半日〜1日で培養が終了する。表1に示す実験１から１９において、培養16時間目にサンプリングを行い、グルコース濃度とエタノール濃度を計測し、グルコースが残存していた場合のみ21時間目まで培養を継続して行った。これら計測結果と、培養終了時に得られた菌体の湿重量を表2に示す。また、培養終了時に得られた菌体の湿重量を図１に示す。

実験１は、一般的に実験室で酵母の培養を行う方法であり、十分量の栄養成分がすべて存在している、酵母にとっての完全培地と言われている培地を用いた。実験１のYP培地をそれぞれ1/2量、1/10量用いた培養が実験５と９であり、得られる菌体量が減少している。これは、培地を希釈した結果、栄養源が不足したためと考えられる。実験２、３、４は油粕、牛糞および鶏糞の各上清のみでの培養であり、21時間の培養後においてもグルコースが残存しており、得られた菌体量も少なかったが、ある程度の増殖が確認できた。一方で、実験１のYP培地の1/2量を用いこれらに各上清を加えた実験６、７、８では、実験５に比べて得られる菌体量が増加し、特に実験７では実験１よりも多い菌体量が得られた。実験１のYP培地の1/10量を用いた場合の実験１０、１１、１２でも同様の傾向が得られた。実験１３、１４、１５は、実験１のYP培地を1/10量用い、各上清の添加量を上記実験の1/5に減少させ、得られる菌体量の増加効果の濃度依存性を調べたものであり、菌体増加量が各上清の添加量と相関を持って増減することが確認できた。

一方、より廉価な培地成分として検討されているCSL培地に無機栄養塩類を添加した培地に、牛糞の上清を加えてもしくは加えずに培養した実験１６〜１９においても、各上清の添加による効果が確認できた。

これらの結果は、食品廃棄物または家畜糞堆積物の水溶性成分には培養時の増殖阻害作用は認められず、これを培養時の栄養成分として用いることができることを示している。もちろん、培養時に食品廃棄物または家畜糞堆積物を直接加えることでも栄養成分として用いることができる。また、これらの結果は、他の栄養補助剤と併用することでさらに多くの種菌を調製することができることを示している。さらに、これらの結果は、食品廃棄物または家畜糞堆積物の種類によっては従来用いていた培地よりも多くの菌体を調製することができることを示している。

Claims

バイオマスを原料とした有用物質生産に用いる微生物の培養において、微生物の栄養源として食品廃棄物または家畜糞堆積物を用いることを特徴とする微生物培養方法。
バイオマスを原料とした有用物質生産に用いる微生物の培養において、微生物の栄養源として、食品廃棄物または家畜糞堆積物を所要量の水で処理し生じた含水混合物を固液分離して得られた水相を用いることを特徴とする微生物培養方法。
食品廃棄物または家畜糞堆積物を所要量の水で処理した後、固液分離の前に、含水混合物の攪拌処理、粉砕/摩砕処理、加熱処理、加圧処理および酸/アルカリ処理のうち少なくとも1つの処理を行うことを特徴とする請求項２記載の微生物培養方法。
食品廃棄物は油粕であり、家畜糞堆積物は牛糞堆積物または鶏糞堆積物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１記載の微生物培養方法。