JP2016096764A - Butanol production method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of generating butanol with high efficiency in butanol fermentation.SOLUTION: A method for producing butanol comprises a step in which massive butanol fermentation microorganisms, or butanol fermentation microorganisms immobilized to a carrier are cultured in the presence of a substrate, and at the same time, the culture is subjected to solvent extraction using a C10-C12 alcohol.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、例えば、ブタノール発酵によるブタノール製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing butanol by, for example, butanol fermentation.

ブタノール発酵では、アセトン、n-ブタノール及びエタノールがそれぞれ3:6:1の割合で生成する。このうち、n-ブタノールは再生可能資源からのドロップイン自動車用燃料として期待されており、また、各種有機酸のエステル用アルコールとして産業上有用である。   In butanol fermentation, acetone, n-butanol and ethanol are produced in a ratio of 3: 6: 1, respectively. Among these, n-butanol is expected as a fuel for drop-in automobiles from renewable resources, and is industrially useful as an alcohol for esters of various organic acids.

しかしながら、ブタノール発酵における生成物のうち、n-ブタノールの毒性が最も高く、通常1%程度の蓄積でブタノール発酵菌は生育を停止してしまう。ブタノールの毒性が高いため培地中のブタノール蓄積濃度が低く、従来においては、n-ブタノールを培地から蒸留で分離回収するのに多大なエネルギーを要していた。この問題を解決するために各種の方法が開発されており、例えば、溶媒抽出法、パーベーパレーション法、ガスストリッピング法、担体吸着等が挙げられる。   However, of the products in butanol fermentation, n-butanol has the highest toxicity, and butanol fermentation usually stops growing with an accumulation of about 1%. Because of the high toxicity of butanol, the concentration of butanol accumulated in the medium is low. Conventionally, much energy is required to separate and recover n-butanol from the medium by distillation. Various methods have been developed to solve this problem, and examples include a solvent extraction method, a pervaporation method, a gas stripping method, and carrier adsorption.

このうち、溶媒抽出方法としては、n-ブタノールの水との分配比が大きい長鎖の脂肪族アルコールが用いる方法が提案されている。特許文献1は、オレイルアルコールを抽出剤として用いる方法を開示する。オレイルアルコールはn-ブタノールの分配係数が比較的大きく、また発酵菌に対する毒性が低いため優れている。しかしながら、オレイルアルコール自体が界面活性剤的な性質を持っているため、抽出のために培地と混合した際にエマルションの形成が起こり、その後の液液分離ができなくなる問題がある。   Among these, as a solvent extraction method, a method using a long-chain aliphatic alcohol having a large distribution ratio of n-butanol to water has been proposed. Patent Document 1 discloses a method using oleyl alcohol as an extractant. Oleyl alcohol is superior because of its relatively high partition coefficient of n-butanol and low toxicity to fermenting bacteria. However, since oleyl alcohol itself has a surfactant property, there is a problem that when it is mixed with a medium for extraction, an emulsion is formed and subsequent liquid-liquid separation cannot be performed.

特許文献2は、発酵によるブタノール製造方法において、炭素数10〜14のアルコールを含む抽剤を発酵液と接種させながら発酵を行うことを開示する。このようなオレイルアルコールよりも短い脂肪族の長鎖アルコールは鎖の長さが短くなるほどn-ブタノールの分配係数が大きくなり、またエマルション形成しにくくなるが、その一方で発酵菌に対する毒性が高くなり、発酵菌を含んだ培養液を用いてこれら溶媒による抽出操作を行うと発酵菌が死滅する問題を生じる。   Patent Document 2 discloses performing fermentation while inoculating a fermented liquid with an extract containing an alcohol having 10 to 14 carbon atoms in a butanol production method by fermentation. Such aliphatic long-chain alcohols, which are shorter than oleyl alcohol, increase the distribution coefficient of n-butanol as the chain length decreases, making it difficult to form an emulsion, but on the other hand, the toxicity to fermenting bacteria increases. When an extraction operation using these solvents is performed using a culture solution containing fermenting bacteria, there is a problem that the fermenting bacteria are killed.

また経済的な問題から製造コストを低く抑えるためにn-ブタノールを抽出した後の培養液を再度ブタノール発酵に使用することが望ましいが、毒性の高い長鎖アルコール溶媒で抽出した後の培養液は発酵菌の生育に適さないため、発酵菌に無害な第二の有機溶媒で長鎖アルコールを培養液から再抽出し、培養液に残存する長鎖アルコールの残存量を少なくすることによって培養液を再使用する方法が考案されている。しかしながら、二種類の溶媒で抽出する方法は工程が煩雑でコストアップの原因となる。   In order to keep production costs low due to economic problems, it is desirable to use the broth after extracting n-butanol again for butanol fermentation, but the broth after extraction with a highly toxic long-chain alcohol solvent Because it is not suitable for the growth of fermenting bacteria, re-extract the long-chain alcohol from the culture solution with a second organic solvent that is harmless to the fermenting bacteria, and reduce the residual amount of long-chain alcohol remaining in the culture solution. A method of re-use has been devised. However, the method of extracting with two kinds of solvents is complicated and causes a cost increase.

さらに、n-ブタノールの抽出に適した毒性の低い有機溶媒としては、オレイルアルコールの他に脂肪酸メチルエステル等が挙げられている。しかしながら、脂肪酸メチルエステルは発酵菌に対する毒性は低いが、n-ブタノールの分配係数が小さく、n-ブタノールを抽出するには大量の脂肪酸メチルエステルが必要となるため効率的ではない。   Furthermore, as an organic solvent with low toxicity suitable for extraction of n-butanol, fatty acid methyl ester and the like are listed in addition to oleyl alcohol. However, although fatty acid methyl ester has low toxicity to fermenting bacteria, it is not efficient because n-butanol has a small partition coefficient and a large amount of fatty acid methyl ester is required to extract n-butanol.

一方、特許文献3は、親水性固定化担体に付着固定化させた微生物を用いた有機化合物の変換方法を開示する。しかしながら、特許文献3において、当該固定化微生物を用いて、ブタノール生産が行われたことは開示されていない。   On the other hand, Patent Document 3 discloses a method for converting an organic compound using a microorganism adhered and immobilized on a hydrophilic immobilization carrier. However, Patent Document 3 does not disclose that butanol production was performed using the immobilized microorganism.

依然として、ブタノール発酵において、ブタノールを効率的に生産する方法が求められている。   There is still a need for a method for efficiently producing butanol in butanol fermentation.

特開昭60-172290号公報JP 60-172290 A 特開昭59-216591号公報JP 59-216591 特開平5-91878号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-91878

本発明は、上述の実情に鑑み、ブタノール発酵においてブタノールの収率を向上させることを目的とする。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to improve the yield of butanol in butanol fermentation.

上記課題を解決するため鋭意研究を行った結果、ブタノール発酵の際に、塊状になる菌株や担体に固定化した菌株を使用し、且つブタノール発酵と同時に、抽出溶媒としてドデカノール等の炭素数10〜12のアルコールを使用して、生産されたブタノールを当該抽出溶媒相に抽出することで、ブタノールの収率を向上できることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of diligent research to solve the above-mentioned problems, in the case of butanol fermentation, a strain that becomes a lump or a strain immobilized on a carrier is used, and simultaneously with butanol fermentation, the number of carbon atoms such as dodecanol is 10 to 10 as an extraction solvent. It was found that the yield of butanol can be improved by extracting the produced butanol into the extraction solvent phase using 12 alcohols, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明は以下を包含する。
(1)塊状のブタノール発酵微生物又は担体に固定化したブタノール発酵微生物を基質存在下で培養し、且つ同時に、該培養物を、炭素数10〜12のアルコールを用いた溶媒抽出に供する工程を含む、ブタノールの製造方法。
(2)ブタノール発酵微生物が、クロストリジウム(Clostridium)属に属する微生物である、(1)記載の方法。
(3)クロストリジウム属に属する微生物が、クロストリジウム・サッカロパーブチルアセトニカム(Clostridium saccharoperbutylacetonicum)、クロストリジウム・アセトブチリカム(Clostridium acetobutylicum)及びクロストリジウム・ベージェリンキー(Clostridium beijerinckii)から成る群より選択される、(2)記載の方法。
(4)炭素数10〜12のアルコールが、デカノール、ウンデカノール及びドデカノールから成る群より選択される、(1)〜(3)のいずれか1記載の方法。
That is, the present invention includes the following.
(1) A step of culturing a lump of butanol-fermenting microorganisms or butanol-fermenting microorganisms immobilized on a carrier in the presence of a substrate, and simultaneously subjecting the culture to solvent extraction using an alcohol having 10 to 12 carbon atoms. And a method for producing butanol.
(2) The method according to (1), wherein the butanol-fermenting microorganism is a microorganism belonging to the genus Clostridium.
(3) the microorganism belonging to the genus Clostridium is selected from the group consisting of Clostridium saccharoperbutylacetonicum, Clostridium acetobutylicum and Clostridium beijerinckii (2) ) The method described.
(4) The method according to any one of (1) to (3), wherein the alcohol having 10 to 12 carbon atoms is selected from the group consisting of decanol, undecanol, and dodecanol.

本発明によれば、ブタノール発酵におけるブタノール収率を向上させることができる。   According to the present invention, the butanol yield in butanol fermentation can be improved.

本発明における(A)バッチ培養(ビン)及び(B)連続抽出発酵の様式を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the mode of (A) batch culture (bin) and (B) continuous extraction fermentation in this invention. 実施例1における塊状ブタノール発酵菌株でのドデカノール重層培養によるブタノール生産を示すグラフである。2 is a graph showing butanol production by dodecanol multi-layer culture in a massive butanol-fermenting strain in Example 1. FIG. 比較例1における遊離菌体でのドデカノール重層培養によるブタノール生産を示すグラフである。2 is a graph showing butanol production by dodecanol multi-layer culture in free cells in Comparative Example 1. FIG.

本発明に係るブタノールの製造方法(以下、「本方法」と称する)は、塊状のブタノール発酵微生物又は担体に固定化したブタノール発酵微生物を基質存在下で培養し、且つ同時に、該培養物を、炭素数10〜12のアルコールを用いた溶媒抽出に供する工程を含む方法である。   A method for producing butanol according to the present invention (hereinafter referred to as “the present method”) is a method of culturing a butanol-fermenting microorganism in a bulk form or a butanol-fermenting microorganism immobilized on a carrier in the presence of a substrate, and simultaneously culturing the culture, It is a method including a step of subjecting to solvent extraction using an alcohol having 10 to 12 carbon atoms.

本方法は、ブタノール発酵の際に、ブタノールの分配係数が大きいがブタノール発酵微生物に対する毒性が高いアルコール系溶媒を用いて、培養と同時にブタノール抽出を行う方法である。   This method is a method in which butanol extraction is performed simultaneously with cultivation using an alcohol solvent having a large butanol partition coefficient but high toxicity to butanol-fermenting microorganisms during butanol fermentation.

通常のブタノール発酵微生物は、毒性の高いアルコール系溶媒を培地と二相分離する量を添加して培養した場合、生育が停止し、ブタノール発酵も停止してしまう。しかしながら、塊状になるブタノール発酵微生物は二相分離する量の毒性の高いアルコール系溶媒を添加しておいても、添加していない場合と遜色ない生育、ブタノール発酵性を示すことを見出した。また、塊状になるブタノール発酵微生物と同様に、担体に固定化したブタノール発酵微生物も、毒性の高いアルコール系溶媒を添加しておいても、添加していない場合と遜色ない生育、ブタノール発酵性を示すことを見出した。   When normal butanol-fermenting microorganisms are cultured by adding an amount of a highly toxic alcohol-based solvent that is two-phase separated from the medium, growth stops and butanol fermentation also stops. However, it has been found that butanol-fermenting microorganisms that become agglomerate exhibit growth and butanol-fermentability comparable to those in the case of not adding the two-phase separation amount of a highly toxic alcohol solvent. In addition, like butanol-fermenting microorganisms that become clumped, butanol-fermenting microorganisms immobilized on a carrier also have growth and butanol fermentability comparable to those without addition of a highly toxic alcohol solvent. Found to show.

本方法において、ブタノール発酵微生物としては、ブタノール発酵能を有する微生物であれば特に限定されないが、例えばクロストリジウム・サッカロパーブチルアセトニカム、クロストリジウム・アセトブチリカム及びクロストリジウム・ベージェリンキー等のクロストリジウム属に属する微生物が挙げられる。また、クロストリジウム・サッカロパーブチルアセトニカムの菌株としては、例えばATCC27021株が挙げられる。さらに、クロストリジウム・サッカロパーブチルアセトニカムの菌株としては、例えば遺伝子変異株が挙げられ、具体的には、特開2014-207885号公報に記載のブチリルCoAから酪酸が生成する経路に関与する酪酸生成酵素遺伝子(例えば、ptb遺伝子、buk遺伝子)を欠損又は破壊させたクロストリジウム・サッカロパーブチルアセトニカムの菌株;あるいは当該酪酸生成酵素遺伝子に加えてアセチルCoAから酢酸が生成する経路に関与する酢酸生成酵素遺伝子(例えばpta遺伝子、ack遺伝子)、アセトアセチルCoAからアセトンが生成する経路に関与するアセトン生成酵素遺伝子(例えばadc遺伝子、ctfAB遺伝子)及び/又はピルビン酸から乳酸が生成する経路に関与する乳酸生成酵素遺伝子(例えばldh1遺伝子)を欠損又は破壊させたクロストリジウム・サッカロパーブチルアセトニカムの菌株等の高ブタノール収率株が挙げられる。   In this method, the butanol-fermenting microorganism is not particularly limited as long as it is a microorganism having a butanol-fermenting ability. Is mentioned. Moreover, as a strain of Clostridium saccharoper butylacetonicum, for example, ATCC27021 strain can be mentioned. Furthermore, examples of the strain of Clostridium saccharoperbutylacetonicum include, for example, gene mutant strains, specifically, butyric acid involved in the pathway for producing butyric acid from butyryl CoA described in JP-A-2014-207885. A strain of Clostridium saccharoperperbutylacetonicum in which a gene encoding enzyme (eg, ptb gene, buk gene) is deleted or destroyed; or acetic acid involved in a pathway for generating acetic acid from acetyl-CoA in addition to the butyric acid synthase gene Involved in genease genes (eg, pta gene, ack gene), acetone genease genes (eg, adc gene, ctfAB gene) involved in the pathway of acetone production from acetoacetyl-CoA and / or pathways of lactate production from pyruvate Clostridium saccharopurve with a deficient or destroyed lactic acid synthase gene (for example, ldh1 gene) High butanol yield strains such as the strains of Ruasetonikamu like.

塊状の(又は凝集体の)ブタノール発酵微生物としては、例えばブタノール発酵微生物を連続培養等で長期間培養し、培養容器への付着等によって塊状になったものが挙げられる。例えばクロストリジウム・サッカロパーブチルアセトニカム等のクロストリジウム属に属する微生物を、TYA培地をフィード速度1/dayで3ヶ月培養することで培養容器の壁に付着するようになったものを塊状のブタノール発酵微生物として得ることができる。この付着した菌体を容器から剥がして培養容器に改めて接種し、塊状の菌体を安定に植え継ぎ培養することができる。   Examples of the lump (or aggregate) butanol-fermenting microorganisms include those obtained by culturing butanol-fermenting microorganisms for a long period of time by continuous culture or the like and adhering to a culture vessel. For example, microorganisms belonging to the genus Clostridium, such as Clostridium saccharoperbutylacetonicum, which are attached to the wall of the culture vessel by culturing TYA medium at a feed rate of 1 / day for 3 months are used for massive butanol fermentation It can be obtained as a microorganism. The attached bacterial cells are peeled off from the container and inoculated again into the culture container, so that the massive bacterial cells can be stably transplanted and cultured.

担体に固定化することで塊状にしたブタノール発酵微生物としては、例えばカラギーナンやアルギン酸カルシウム等のゲルを担体として包括固定化したブタノール発酵微生物が挙げられる。例えば、カラギーナン水溶液にブタノール発酵微生物を加えて混合し、KCl溶液中に滴下することで、ビーズ状の包括固定化ブタノール発酵微生物を得ることができる。その他の担体への固定化の方法としては、例えばポリビニルアルコールでの包括固定化、ポリエチレンイミン等による凝集固定化、多孔質のウレタンや無機の担体への固定化等が挙げられる。   Examples of butanol-fermenting microorganisms that have been agglomerated by immobilization on a carrier include butanol-fermenting microorganisms that are comprehensively immobilized using a gel such as carrageenan or calcium alginate as a carrier. For example, a butanol-fermenting microorganism can be added to a carrageenan aqueous solution, mixed, and dropped into a KCl solution to obtain a bead-shaped entrapping immobilization butanol-fermenting microorganism. Examples of other immobilization methods include entrapping immobilization with polyvinyl alcohol, agglomeration immobilization with polyethyleneimine, and the like, immobilization on porous urethane and inorganic carriers, and the like.

一方、本方法において、抽出溶媒として用いるアルコールは炭素数10〜12のアルコールであり、例えばデカノール、ウンデカノール及びドデカノールが挙げられる。   On the other hand, in the present method, the alcohol used as the extraction solvent is an alcohol having 10 to 12 carbon atoms, and examples thereof include decanol, undecanol, and dodecanol.

有機溶媒の毒性には二つの作用があると考えられる。一つは培地等水性媒体に溶解している溶媒であり、もう一つは培地等水性媒体と分離している溶媒である。   The toxicity of organic solvents is thought to have two effects. One is a solvent dissolved in an aqueous medium such as a medium, and the other is a solvent separated from an aqueous medium such as a medium.

ブタノールより長鎖のアルコールとしては、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、ノナノール、デカノール、ドデカノール、ウンデカノール、トリデカノール等があるが、これらのアルコールの炭素鎖の長さが長くなるほどブタノール発酵微生物に対する毒性が強くなる。一方、炭素鎖が長くなればなるほど培地等水性媒体への溶解度が小さくなり、培地に溶媒を重層した場合の培地中のアルコール系溶媒の濃度が低くなる。実質的にデカノール以上の長鎖のアルコールは水への溶解度が100ppm以下となり培地に飽和濃度のアルコール系溶媒を添加してもブタノール発酵に対する影響は小さい。   Examples of alcohols having a longer chain than butanol include pentanol, hexanol, heptanol, octanol, nonanol, decanol, dodecanol, undecanol, and tridecanol. Become stronger. On the other hand, the longer the carbon chain, the lower the solubility in an aqueous medium such as a medium, and the lower the concentration of the alcoholic solvent in the medium when the medium is overlaid with the solvent. A long-chain alcohol substantially having decanol or higher has a solubility in water of 100 ppm or less, and even if a saturated alcohol solvent is added to the medium, the influence on butanol fermentation is small.

一方、二相に分離したアルコール系溶媒は培地等の水性媒体との境界面を有するが、ブタノール発酵微生物の細胞表面は疎水性部分を含んでいると考えられ、この境界面に付着する性質を有する。通常のブタノール発酵微生物はこの界面に取り込まれることで菌の細胞膜や細胞膜に存在するタンパク質が変性を受けることによって死滅する。   On the other hand, the alcoholic solvent separated into two phases has an interface with an aqueous medium such as a medium, but the cell surface of the butanol-fermenting microorganism is considered to contain a hydrophobic portion, and has the property of adhering to this interface. Have. Ordinary butanol-fermenting microorganisms are killed when they are incorporated into this interface and the cell membrane of the fungus or the protein present in the cell membrane undergoes denaturation.

しかしながら、本方法において、塊状のブタノール発酵微生物はアルコール系溶媒と培地等の水性媒体の境界面に付着した場合でも、有機溶媒と付着するのは表面の一部の菌に限られる。塊内部の菌はアルコール系溶媒に直接接触しないため細胞膜や細胞膜に存在するタンパク質が変性することがないため死滅せずにブタノール発酵を行うことができる。   However, in this method, even when the lump-like butanol-fermenting microorganisms adhere to the interface between the alcohol-based solvent and the aqueous medium such as a medium, only a part of the surface bacteria adhere to the organic solvent. Since the bacteria inside the mass do not come into direct contact with the alcoholic solvent, butanol and proteins present in the cell membrane are not denatured, butanol can be fermented without being killed.

本方法において、上述の塊状のブタノール発酵微生物又は担体に固定化したブタノール発酵微生物を、基質(例えばグルコース、キシロース、シュークロース、アラビノース等)を含む培地において培養する一方、同時に、当該培養物を炭素数10〜12のアルコール(以下、「アルコール系溶媒」と称する)を用いた溶媒抽出に供し、生産されたブタノールを当該アルコール系溶媒中に抽出する。例えば上述の塊状のブタノール発酵微生物又は担体に固定化したブタノール発酵微生物を、基質1〜100g/Lを含む培地に添加し、培養を行う。培養に適した温度は、20〜40℃、好ましくは25〜35℃である。具体的には、培養は、例えばクロストリジウム属に属する微生物を使用する場合には、嫌気条件下で20〜40℃において1〜300日間行う。   In this method, the above-mentioned massive butanol-fermenting microorganisms or butanol-fermenting microorganisms immobilized on a carrier are cultured in a medium containing a substrate (for example, glucose, xylose, sucrose, arabinose, etc.), and at the same time, the culture is carbonized. It is subjected to solvent extraction using several tens to twelve alcohols (hereinafter referred to as “alcohol solvent”), and the produced butanol is extracted into the alcohol solvent. For example, the above-mentioned massive butanol-fermenting microorganisms or butanol-fermenting microorganisms immobilized on a carrier are added to a medium containing 1 to 100 g / L of substrate and cultured. The temperature suitable for the cultivation is 20 to 40 ° C, preferably 25 to 35 ° C. Specifically, for example, when a microorganism belonging to the genus Clostridium is used, the culture is performed at 20 to 40 ° C. for 1 to 300 days under anaerobic conditions.

図1は、本発明における(A)バッチ培養(ビン)及び(B)連続抽出発酵の様式を示す模式図である。   FIG. 1 is a schematic diagram showing the mode of (A) batch culture (bottle) and (B) continuous extraction fermentation in the present invention.

図1(A)に示すように、培養物(培地)上にアルコール系溶媒を重層することで、培養物からアルコール系溶媒へとブタノールを抽出することができる。あるいは、培地に重層したアルコール系溶媒を連続的に取り出して新しい当該アルコール系溶媒を追加してもよく、また連続的に抜き出したアルコール系溶媒からブタノールを蒸留等の方法で取り出した後、当該アルコール系溶媒を培地に循環してもよい。   As shown in FIG. 1 (A), butanol can be extracted from the culture to the alcoholic solvent by overlaying the alcoholic solvent on the culture (medium). Alternatively, the alcohol-based solvent layered on the medium may be continuously taken out and a new alcohol-based solvent may be added. Alternatively, after removing butanol from the continuously extracted alcohol-based solvent by a method such as distillation, the alcohol A system solvent may be circulated through the medium.

さらに、図1(B)に示すように、培地を外部循環し、アルコール系溶媒との間で液液抽出した後、二相分離して培地とアルコール系溶媒に分け、培地は培養に戻すとともに、アルコール系溶媒は蒸留等の方法によってブタノールを除去回収した後、液液抽出に再使用する方法を採用することができる。また培地に再使用する際に糖や培地成分を追加してもよい。糖や培地成分を追加することによって長期間の連続培養を行うこともできる。   Furthermore, as shown in FIG. 1 (B), the medium is circulated externally, liquid-liquid extraction is performed between the alcoholic solvent, and then the two phases are separated into the medium and the alcoholic solvent. The medium is returned to the culture. As the alcohol solvent, a method in which butanol is removed and recovered by a method such as distillation and then reused for liquid-liquid extraction can be employed. In addition, sugar or medium components may be added when reused in the medium. Long-term continuous culture can be performed by adding sugar and medium components.

本方法においては、アルコール系溶媒から蒸留等の方法によりブタノールを精製し、ブタノールを回収することができる。   In this method, butanol can be recovered by purifying butanol from an alcohol solvent by a method such as distillation.

以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail using an Example, the technical scope of this invention is not limited to these Examples.

〔実施例1〕塊状ブタノール発酵菌株とドデカノール重層によるブタノール発酵
1. 塊状菌体の取得
特開2014-207885号公報の実施例1に記載のClostridium saccharoperbutylacetonicum ATCC27021株を親株として作製したpta遺伝子及びptb遺伝子を破壊した高ブタノール収率株(ΔptaΔptb株)を、TYA培地を含有するABLE製100mlマイクロジャーファーメンターを用いて3ヶ月間連続培養した。培地のフィード速度を100ml/dayとした。TYA培地の組成は、以下の通りである:トリプトン6g、酵母エキス2g、グルコース40g、酢酸アンモニウム3g、硫酸マグネシウム7水塩0.3g、リン酸1カリウム0.5g、硫酸鉄7水塩10mg、蒸留水1L。
[Example 1] Butanol fermentation with massive butanol-fermenting strain and dodecanol overlay
1. Acquisition of massive cells The pta gene prepared by using Clostridium saccharoperbutylacetonicum ATCC27021 strain described in Example 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-207885 as a parent strain and a high butanol yield strain (ΔptaΔptb strain) in which the ptb gene was disrupted were The cells were continuously cultured for 3 months using an ABLE 100 ml microjar fermenter containing the medium. The feed rate of the medium was 100 ml / day. The composition of TYA medium is as follows: tryptone 6g, yeast extract 2g, glucose 40g, ammonium acetate 3g, magnesium sulfate heptahydrate 0.3g, potassium phosphate monobasic 0.5g, iron sulfate heptahydrate 10mg, distilled water 1L.

約3ヶ月の当該連続培養により、培養容器の壁や攪拌軸に菌の付着物が発生した。この付着物を剥がして、TYA培地で培養し、塊状態を保った菌体を得た。   The continuous culture for about 3 months resulted in bacterial deposits on the walls of the culture vessel and the stirring shaft. The adherent was peeled off and cultured in TYA medium to obtain microbial cells that maintained a clumped state.

2. ドデカノール重層によるブタノール発酵
上記第1節で得られた塊状の菌体を用いて、ドデカノールを重層したブタノール発酵を実施した。
2. Butanol fermentation using dodecanol overlay The butanol fermentation overlaying dodecanol was carried out using the massive cells obtained in section 1 above.

具体的には、TYA培地50mlを入れた100ml培地ビンにドデカノールを50ml加え、ここに塊状の菌体を1ml添加してスターラーで攪拌しながら嫌気条件下、30℃で培養した。なお、TYA培地のグルコース濃度は83.6g/Lとした。   Specifically, 50 ml of dodecanol was added to a 100 ml medium bottle containing 50 ml of TYA medium, and 1 ml of massive cells was added thereto and cultured at 30 ° C. under anaerobic conditions while stirring with a stirrer. Note that the glucose concentration of the TYA medium was 83.6 g / L.

培養2日目から毎日サンプリングし、培地、ドデカノール中のブタノール含有量を分析した。
結果を表1及び図2に示す。
Sampling was performed every day from the second day of culture, and the butanol content in the medium and dodecanol was analyzed.
The results are shown in Table 1 and FIG.

Figure 2016096764
Figure 2016096764

表1及び図2に示すように、塊状の菌体でのブタノール発酵ではブタノール発酵が正常に進み、有機相(ドデカノール相)にブタノールが抽出され、培地(水相)中のブタノールの濃度が低く維持された。培地とドデカノールに含まれるブタノールの合計は培地1L当たり27.5gとなった。   As shown in Table 1 and FIG. 2, butanol fermentation proceeds normally in bulk cells, butanol is extracted normally, butanol is extracted into the organic phase (dodecanol phase), and the concentration of butanol in the medium (aqueous phase) is low. Maintained. The total amount of butanol contained in the medium and dodecanol was 27.5 g per liter of medium.

〔比較例1〕遊離菌体でのドデカノール重層培養
遊離状で生育する、実施例1に記載の高ブタノール収率株(ΔptaΔptb株)を用いた以外は、実施例1と同様にしてTYA培地にドデカノールを重層して培養した。なお、TYA培地のグルコース濃度は83.2g/Lとした。
結果を表2及び図3に示す。
[Comparative Example 1] Dodecanol Multilayer Culture with Free Bacteria In the same manner as in Example 1 except that the high butanol yield strain (ΔptaΔptb strain) described in Example 1 that grows in a free state was used, The culture was overlaid with dodecanol. Note that the glucose concentration of the TYA medium was 83.2 g / L.
The results are shown in Table 2 and FIG.

Figure 2016096764
Figure 2016096764

表2及び図3に示すように、培養5日目まで培養を継続したが、培養液の濁度の上昇がなく、グルコースの消費もブタノールの生成も見られなかった。   As shown in Table 2 and FIG. 3, the culture was continued until the fifth day of culture, but the turbidity of the culture broth did not increase, and neither glucose consumption nor butanol production was observed.

〔実施例2〕各鎖長のアルコールでの培養
TYA培地50mlに炭素数7〜14の各アルコールを50ml重層し、実施例1に記載の塊状の菌体又は比較例1に記載の遊離状の菌体を接種してスターラーで撹拌しながら30℃、嫌気条件下で培養した。なお、TYA培地のグルコース濃度は40g/Lとした。
[Example 2] Incubation with alcohol of each chain length
50 ml of each alcohol having 7 to 14 carbon atoms is layered on 50 ml of TYA medium, and the massive cells described in Example 1 or the free cells described in Comparative Example 1 are inoculated and stirred at 30 ° C. with a stirrer. Incubated under anaerobic conditions. Note that the glucose concentration of the TYA medium was 40 g / L.

結果を表3に示す。表3において、培養7日後の培地と重層したアルコールに含まれているブタノールの合計量を培地1L当たりの表記で示した。   The results are shown in Table 3. In Table 3, the total amount of butanol contained in the alcohol layered on the culture medium after 7 days of culture is shown per notation per liter of the medium.

Figure 2016096764
Figure 2016096764

表3に示すように、均一に分散して生育する遊離状菌体は炭素数12までの長鎖アルコールを添加した場合生育しなかった。トリデカノールとテトラデカノールは培養温度30℃では固化しており、生育したがブタノール生成量は長鎖のアルコールを添加しない場合と同じであった。   As shown in Table 3, free microbial cells that grow uniformly dispersed did not grow when long-chain alcohols having up to 12 carbon atoms were added. Tridecanol and tetradecanol were solidified at a culture temperature of 30 ° C. and grew, but the amount of butanol produced was the same as when no long-chain alcohol was added.

一方、塊状菌体は炭素数10以上の長鎖アルコールを添加した条件で生育し、炭素数10から12の長鎖アルコールを添加した場合にブタノール生成量が27g/Lに増大した。炭素数13、14の長鎖アルコールでは長鎖アルコールが固化しており、ブタノール生成量は長鎖アルコールを加えない場合と同じであった。しかしながら、溶媒が固化しているトリデカノール、テトラデカノールで培養した条件でも、塊状菌体は、遊離状菌体よりもブタノール生成量が多かった。   On the other hand, massive cells grew under the condition of adding a long-chain alcohol having 10 or more carbon atoms, and the amount of butanol produced increased to 27 g / L when a long-chain alcohol having 10 to 12 carbon atoms was added. In the case of long chain alcohols having 13 and 14 carbon atoms, the long chain alcohol was solidified, and the amount of butanol produced was the same as when no long chain alcohol was added. However, even when the culture was carried out using tridecanol or tetradecanol in which the solvent was solidified, the massive cells produced more butanol than the free cells.

このように、遊離状菌体は液体状の長鎖アルコール存在下では生育しなかったのに対して、塊状菌体は炭素数10から12の液体状の長鎖アルコール存在下でも生育しブタノール生成することができた。   In this way, free cells did not grow in the presence of liquid long-chain alcohols, whereas massive cells grew in the presence of liquid long-chain alcohols having 10 to 12 carbon atoms to produce butanol. We were able to.

〔実施例3〕カラギーナンでの菌体固定化ブタノール発酵
κ-カラギーナン(和光純薬社製)2%水溶液8 mlを100℃に加熱して完全に溶解させた後冷却し、42℃以下まで冷却した。このカラギーナン水溶液に、実施例1に記載の高ブタノール収率株(ΔptaΔptb株)の菌体懸濁液3mlを加えて混合し、2% KCl溶液中に滴下してビーズ状の固定化菌体を調製した。
[Example 3] Bacterial immobilized butanol fermentation with carrageenan 8 ml of 2% aqueous solution of κ-carrageenan (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was heated to 100 ° C to completely dissolve and then cooled to 42 ° C or lower. did. To this carrageenan aqueous solution, 3 ml of the cell suspension of the high butanol yield strain (ΔptaΔptb strain) described in Example 1 was added and mixed, and the solution was added dropwise to a 2% KCl solution to form the bead-shaped immobilized cells. Prepared.

この固定化菌体を濾別し、90g/Lグルコースを含むTYA培地50mlにドデカノールを50ml重層したものに接種し、スターラーで撹拌しながら30℃、嫌気条件下で培養した。   The immobilized cells were separated by filtration, inoculated into 50 ml of 50 ml of Tdecane medium containing 90 g / L glucose, and cultured under anaerobic conditions at 30 ° C. while stirring with a stirrer.

培養4日後に分析したところ、グルコースは完全に消費され、培地とドデカノールを合わせて培地1L当たり27.3gのブタノールが含まれていた。   When analyzed after 4 days of culture, glucose was completely consumed, and the medium and dodecanol were combined and contained 27.3 g of butanol per liter of the medium.

Claims (4)

塊状のブタノール発酵微生物又は担体に固定化したブタノール発酵微生物を基質存在下で培養し、且つ同時に、該培養物を、炭素数10〜12のアルコールを用いた溶媒抽出に供する工程を含む、ブタノールの製造方法。   A process for culturing butanol-fermenting microorganisms immobilized on a bulk butanol-fering microorganism or a carrier in the presence of a substrate, and simultaneously subjecting the culture to solvent extraction using an alcohol having 10 to 12 carbon atoms. Production method. ブタノール発酵微生物が、クロストリジウム(Clostridium)属に属する微生物である、請求項1記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the butanol-fermenting microorganism is a microorganism belonging to the genus Clostridium. クロストリジウム属に属する微生物が、クロストリジウム・サッカロパーブチルアセトニカム(Clostridium saccharoperbutylacetonicum)、クロストリジウム・アセトブチリカム(Clostridium acetobutylicum)及びクロストリジウム・ベージェリンキー(Clostridium beijerinckii)から成る群より選択される、請求項2記載の方法。   The microorganism belonging to the genus Clostridium is selected from the group consisting of Clostridium saccharoperbutylacetonicum, Clostridium acetobutylicum and Clostridium beijerinckii. Method. 炭素数10〜12のアルコールが、デカノール、ウンデカノール及びドデカノールから成る群より選択される、請求項1〜3のいずれか1項記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the alcohol having 10 to 12 carbon atoms is selected from the group consisting of decanol, undecanol and dodecanol.
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