JP2016528924A - 糖を基質とする微生物発酵プロセス及び当該プロセスにおける原子状、イオン状及び気体状の水素の使用 - Google Patents
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Abstract
Description
全ての反応を特徴付ける主要な点は、化学的であるか又は酵素的であるかに関係なく、換算係数又はより具体的には変換の効率及び収率に関連する。自然発生理論の概念から進化しているので、実験的な評価や理論的な考察を受けたアルコール発酵は、従来技術によって最も成功したプロセスの1つとしてみなされている。大部分が単細胞真核生物としての真菌類である微生物の細胞の性質と結びつき、動物細胞の性質と同様に、研究及び理解は実験的利用が容易であるという特典を受けており、好気性及び嫌気性の呼吸プロセスのうち、後者はアルコール性及び乳酸発酵としても知られ、自由に発展する。
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 ・・・式(1)
100g 51.1g 48.8g
1863年に、ルイ・パスツールはグルコース(単糖)からエタノール及び二酸化炭素への変換が微生物の活動によるものであるという概念を導入した。34年後の1897年に、エドゥアルド・ブフナーは生きた微生物を用いることなく実験室において糖の発酵を行い、下記に示す発酵プロセスの酵素活動の概念を導入した。
C6H12O6 + チマーゼ → 2C2H5OH + 2CO2
チマーゼは、糖からエタノール及び二酸化炭素への発酵を触媒する酵素複合体を指す。
100g 51.1g 48.8g
ヘキソース: C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2
100g 51.1g 48.8g
スクロース:C12H22O11+H2O+インベルターゼ→4C2H5OH+
4CO2 100g 53.8g
51.4g
インベルターゼは、スクロースをヘキソース、フルクトース及びグルコースに加水分解するのを触媒する酵素を指し、これらの糖の混合物は転化糖シロップと呼ばれる。
ここで、真の最大収率は、変換における消費された糖の濃度に対する生産されたエタノールの濃度の比率であることを理解する。
一方、好気性条件下で、特に細胞の増殖フェーズにおいて酵母は呼吸を行う。細胞質で生じる発酵とは異なり、呼吸はミトコンドリア内で生じ、下に示すように、アルコール発酵中で得られる19倍の量のATP(アデノシン三リン酸;エネルギー変換手段)の生成を導く。
寄生プロセスにおける糖の消費の低減及び望ましくない副生成物の低減するための手始めとして、発酵プロセスの間に多くの処置が取られる。発酵では、微量栄養素の制御及びコンタミネーションの存在と同様に、麦汁のpH及び温度の制御は変化しやすく、プロセスにおいて重要な位置を占めると推測され、生化学的活動力を刺激又は阻害する。
本発明は、天然の性質を備えるか、又は特に選択され、改変され、組換えられ、凝集され、又は発酵又は固定化されたベッドにおける麦汁中に懸濁された真菌類やバクテリアなどの微生物に水素を加えるステップを含む、糖を基質とする微生物発酵のプロセスを提供することを目的とする。
1kg 0.511kg 0.488kg
反対に、サトウキビ中の糖に実質的に存在するスクロースの発酵を考えると、下記式のようになる。
1kg 0.538kg 0.514kg
式(2)、(3)から、グルコースの発酵での最大質量収率は0.511(m/m)であり、スクロースの発酵での最大質量収率は0.538m/mであることが分かる。この制限は、現在の従来技術によるプロセスのうちで包括的な収率において見積られ、最近の式の整理によってさえ、酵素反応の作用が考慮されている。
NAD++H++2e−←→ NADH ・・・式(4)
補酵素であるニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(NADPH)の還元
NADP++H++2e−←→ NADPH ・・・式(5)
補酵素であるフラビン及びアデニンジヌクレオチドの還元
FAD++2H++2e−→ FADH2 ・・・式(6)
それから、図3に示すように、アルコールデヒドロゲナーゼの還元作用によってアセトアルデヒド分子はエタノール分子へと還元される。
[ ]の記号は、それぞれ糖、水素、生存している微生物、エタノール、二酸化炭素及び水の濃度を表している。それらは、水素存在下、酵母、すなわち真菌と呼ばれる単細胞真核生物を用いた糖を含む麦汁の典型的な発酵での反応において、アルコール発酵の薬剤及び生成物である。符号□は、微生物への水素添加を表している。
−アルコール濃度のより高い収率を提供する、
−微生物の遺伝学的改変を行わない、
−放出される二酸化炭素の量の必然的な低減、
−反応の動力学の変更。
(1)微生物、真菌又はバクテリアの細胞膜を通して拡散しやすい水素を供給し、細胞内の仕切りに到達させることができる。
(2)細胞の生理学的パラメーター(温度、圧力、pH、pO2(酸素分圧))に影響を与えない。
(3)反応性の高いROS酸素種(活性酸素)を損なうことがなく、酸素の代謝反応及び細胞の信号伝達を妨げない。
(4)高い水素濃度がよく許容され、結果として全身性の副作用を小さくできる。
(5)半連続及び連続バッチ方式の発酵に適用可能であり、存在している発酵プロセスや備品に適合させやすい。
一般式(7)によれば、発酵プロセスは、プロセス変数の運転制御を提供及び要求するだろう。
サトウキビのジュース及びサッカロマイセス・セルビジアである酵母を用いて工業上激しく使用される燃料エタノール及び飲料を生産する発酵において、麦汁の処置の効率を検証し、見積もるためにいくつかの分析を行った。
<前電解での、従来の発酵と本発明の発酵との間の比較>
この試みでは、水の電気分解が起こるのに必要な電圧よりも低い電圧を印加する場合に、糖を含む麦汁のエチル発酵での水素の影響を調べた。この試験では、反応物質として未精製糖と工業的酵母であるサッカロマイセス・セルビジアを用いてバッチ発酵を行う。
<全体電解での従来の発酵と発明に係る発酵との比較>
この試験では、2つのバイオリアクター(ベースとなるバイオリアクター及び発明に係るバイオリアクター)に9kgの黒砂糖と6kgの工業的な酵母であるサッカロマイセス・セルビジアを入れた。
上の結果をよりよい方法で示すため、下表はプロセスの間及び発酵プロセス終了時でのエタノールの部分的生産に関する値を説明する。発酵プロセスでは、常に発明に係るバイオリアクターでの値と従来のプロセス又はベースのバイオリアクターで得られた値とを示している。表に示されたこれらの値は直接的に得られ、試験の間に得られた結果からのみ得られたものではない。
(1)エタノール生産の増加による直接的な経済性の増加、
(2)工場エリアを増加させずに生産を増加すること、
(3)二酸化炭素の生産の低減、
(4)バイオリアクター及び蒸留装置の他には生産体積の調節するのにプロセス上の設備が必要とされないこと、
(5)発酵中、二酸化炭素によって引きずり出されたアルコールの再生設備において、サイズの低減及び消費エネルギーの低減、
(6)アルコール生産の増加及び放出される二酸化炭素の低減を伴う炭素クレジット(Carbon Credit)の増加、
(7)環境の改善を伴う標的とする技術。
Claims (20)
- 糖を含む基質の微生物発酵プロセスであって、
発酵中の麦汁又は固定化されたベッド中に懸濁状態で存在する真菌類又はバクテリアである微生物に水素を添加するステップを備え、
前記麦汁及び固定化されたベッドは、糖及び微生物を含有することを特徴とする発酵プロセス。 - 請求項1に記載の発酵プロセスにおいて、
水素は、前記麦汁又は固定化されたベッドに設けられた少なくとも2つの電極に電圧を印加することにより発生されることを特徴とする発酵プロセス。 - 請求項2に記載の発酵プロセスにおいて、
水素は少なくとも1つのカソード及び少なくとも1つのアノードとに電圧を印加することにより発生され、
前記カソードは発酵中の前記麦汁上に直接適用され、前記アノードは別の電解質である食塩水に適用され、
2つの電解質の間には、分離膜が設けられていることを特徴とする発酵プロセス。 - 請求項1に記載の発酵プロセスにおいて、
5%(質量/体積)以上30%(質量/体積)以下の糖を含む基質と、5%(質量/体積)以上25%(質量/体積)以下の真菌類又はバクテリアである微生物とを加えるステップを備えていることを特徴とする発酵プロセス。 - 請求項1〜4のうちいずれか1つに記載の発酵プロセスにおいて、
水素は、原子状、イオン状又はこれらの混合であることを特徴とする発酵プロセス。 - 請求項1〜5のうちいずれか1つに記載の発酵プロセスにおいて、
前記電極は、イオン状又は原子状の水素を生成させるために、水の前電解用の0.1V以上1.24V以下の範囲の電圧を受けることを特徴とする発酵プロセス。 - 請求項6に記載の発酵プロセスにおいて、
前記前電解では、電圧範囲を0.7V以上1.1V以下にすることを特徴とする発酵プロセス。 - 請求項1〜5のうちいずれか1つに記載の発酵プロセスにおいて、
前記電極は、原子状、イオン状、気体状又はこれらの混合の水素を生成させるために、水の全体電解用の1.24V以上30V以下の電圧を受けることを特徴とする発酵プロセス。 - 請求項8に記載の発酵プロセスにおいて、
前記全体電解では、前記電極に印加される電圧範囲を1.24V以上20V以下、好ましくは1.24V以上10V以下にすることを特徴とする発酵プロセス。 - 請求項1〜9のうちいずれか1つに記載の発酵プロセスにおいて、
前記電極に印加される電圧は、直流電圧又は50Hz以上2000Hz以下のサイクルを有する交流電圧であることを特徴とする発酵プロセス。 - 請求項10に記載の発酵プロセスにおいて、
前記電極に印加される電圧は、直流電圧又は50Hz以上150Hz以下、100Hz以上500Hz以下、400Hz以上1000Hz以下のサイクルを有する交流電圧であることを特徴とする発酵プロセス。 - 請求項1に記載の発酵プロセスにおいて、
前記糖は、スクロース、グルコース、フルクトース、キシロース又はこれらの混合物を含むトリオース、テトロース、ペントース又はヘキソースを有する多糖類及び単糖類から選ばれることを特徴とする発酵プロセス。 - 請求項1に記載の発酵プロセスにおいて、
発酵中の前記麦汁又は固定化されたベッド中に存在する真菌類の微生物は、サッカロマイセス属、より具体的にはサッカロマイセス・セルビジア株、シゾサッカロマイセス・ポンベ、ピチア・スティパイト、トルラ、カンジダ・シェハタの自然発生系統又は特に選別された、あるいは改変又は遺伝子が組換えられ、凝集されたものから選ばれることを特徴とする発酵プロセス。 - 請求項1に記載の発酵プロセスにおいて、
発酵中の前記麦汁又は固定化されたベッド中に存在するバクテリア属の微生物は、バクテリア類、特にザイモモモナス・モビリス属、大腸菌及びクロストリジウムの自然発生系統又は特に選別された、あるいは改変又は遺伝子が組換えられ、凝集されたものから選ばれることを特徴とする発酵プロセス。 - 請求項1に記載の発酵プロセスにおいて、
微量栄養素は、窒素、リンカリウム、マグネシウム、カルシウム、亜鉛、マンガン、銅、鉄。コバルト、イオウ、ヨウ素又はこれらの混合物から選ばれることを特徴とする発酵プロセス。 - 請求項1に記載の発酵プロセスにおいて、
水の前電解において1.24V以上30V以下の電圧を印加することによってバイオリアクターの外部で付加的に生産された気体状の水素は、その後直接前記バイオリアクター内に噴出されることを特徴とする発酵プロセス。 - 請求項1に記載の発酵プロセスにおいて、
前記発酵プロセスは、連続式、半連続式又はバッチプロセスで行われることを特徴とする発酵プロセス。 - 請求項1〜17のうちいずれか1つに記載の発酵プロセスにおいて、
前記発酵プロセスでは、pH、温度、レベルの制御、原料の供給及び排出、糖を含む反応物質の濃度、水素濃度、生存している微生物の濃度及びアルコールを含む生成物の濃度、二酸化炭素の濃度及び微量栄養素の濃度の内容が連続的に制御されることを特徴とする発酵プロセス。 - 原子状、イオン状、気体状又はこれらを混合した水素の使用であって、
水素は、請求項1〜18のうちいずれか1つで定義されたアルコールの選択的な生産のために、糖基質を含む発酵培地中に存在する微生物に添加されるものであることを特徴とする発酵プロセス。 - 特許出願又はここで提出された実施例中で当初から開示されていた事項を包含する特徴付け又は請求項のカテゴリーのいずれか1つによって特徴付けられる発明。
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