同時異性化発酵法による草本系バイオマスからのエタノール生産

• 担当機関: （国）農業・食品産業技術総合研究機構 食品総合研究所
• 研究期間: 2012～2015
• 研究担当者: 榊原祥清; 池正和; 徳安健
• 発行年度: 2015
• 要約: キシルロース発酵能を人為的に高めたSaccharomyces cerevisiae酵母株とキシロースイソメラーゼ酵素とを併用したキシロースの高効率な発酵法である同時異性化発酵法は、実生産に則した高濃度の草本系バイオマス由来糖化物への適用が可能である。
• キーワード: バイオエタノール、キシロース、酵母、同時異性化発酵、固定化
• 背景・ねらい: 稲わら等を原料とした草本系バイオエタノールの生産性向上のためには、並行複発酵工程の導入、五炭糖発酵能の改善、高濃度基質への対応等による発酵後のエタノール濃度の向上が重要となる。しかしながら、これまでに多く検討されてきた、キシロースレダクターゼ-キシリトールデヒドロゲナーゼ系を導入した遺伝子組換えによる五炭糖発酵酵母では、20%程度の固形分を含む条件下での並行複発酵時にキシロース発酵能が低下し、高濃度のエタノールの製造が困難となる。そこで、酵母とキシロースイソメラーゼ酵素を組み合わせた同時異性化発酵法を用いて高濃度の稲わら糖化物の発酵試験を行い、本法の草本系バイオエタノール生産に対する有効性を検証する。

成果の内容・特徴

1. キシルロキナーゼ遺伝子(XK)の高発現及びアルドースレダクターゼ遺伝子(GRE3)の欠損により、キシルロース発酵能を人為的に高めた酵母株(Saccharomyces cerevisiae St10 dgXK1)を用いた同時異性化発酵法は、従来法、すなわちキシロースレダクターゼ遺伝子、キシリトールデヒドロゲナーゼ遺伝子及びXKを高発現させてキシロース発酵能を付与した酵母株(S. cerevisiae InvSc1 X)を用いた方法よりも、キシロースの利用能が高く、エタノール生産量が高い(図1)。
2. 同時異性化発酵法では、35℃に発酵温度を上昇させてもエタノール生産能が低下しない(図1A)。従って、糖化工程(40～50℃)との温度差の縮小や、発酵工程中の冷却エネルギーの削減等、熱エネルギー的にも有利な方法であると考えられる。
3. XKの高発現のみによる改良を加えたSt10 TEF1p-XKS1株も、稲わら糖化物から4.6% (v/v) エタノールを生産し(図2B)、St10 dgXK1株(図2A)と同等のエタノール発酵能を有する。St10 TEF1p-XKS1株はセルフクローニングにより構築された株であり、非遺伝子組換え酵母による草本系バイオエタノール生産に繋がる可能性がある。
4. St10 TEF1p-XKS1をカラギーナンゲル中に固定化(図3)することによって、固定化していない細胞(浮遊細胞)を用いた場合よりも高濃度(4.8% (v/v))のエタノールを生産する(図2C)。この理由として、酵母をゲル中に包括固定することによって阻害物質の影響を受けにくくなることに加え、発酵速度が穏やかになることによってグリセロール等の蓄積が抑制されることが考えられる。

成果の活用面・留意点

1. 同時異性化発酵法は発酵温度の影響を受けにくく、稲わら糖化物から発酵後のエタノール濃度の目安とされる5% (v/v) 程度のエタノールを生産できることから、草本系バイオエタノールの生産に適している。
2. 実生産に向けては、酵母や酵素の再利用等による生産コストの低減が必要である。

• 研究内容: http://www.naro.affrc.go.jp/project/results/laboratory/nfri/2015/nfri15_s07.html
• カテゴリ: コスト