バイオエタノール用セルラーゼ ― 第二世代セルロース系エタノールのための農業残渣糖化
コーンストーバー、バガス、小麦わら、木材チップなどのリグノセルロース系バイオマスを、高活性セルラーゼ酵素により発酵性グルコースに変換し、第二世代バイオエタノール糖化を実現します。
Short answer
第二世代エタノールがセルラーゼを必要とするのは、その原料がデンプンではなくセルロースだからです。前処理によってリグニン・ヘミセルロースマトリクスが開かれた後、エンドグルカナーゼ、セロビオヒドロラーゼ、βグルコシダーゼが協調して働くセルラーゼ複合体がセルロースをグルコースへと加水分解し、発酵に供します。酵素投入量と前処理強度はトレードオフの関係にあり、プラントの経済性を決定づけます。
食料と競合するデンプンや糖質作物ではなく、リグノセルロース系農業残渣やエネルギー作物から製造される第二世代(2G)バイオエタノールは、セルロースを発酵性グルコースに変換するセルラーゼ酵素に根本的に依存しています。2Gバイオエタノール生産に用いられるリグノセルロース原料 ―コーンストーバー、サトウキビバガス、小麦わら、稲わら、スイッチグラス、木質バイオマス― は乾燥重量の30~50%をセルロースが占め、これが主要な発酵性基質となります。しかしこのセルロースはヘミセルロースとリグニンのマトリクスに埋め込まれ、酵素の作用から物理的に保護されているため、酵素糖化の前に前処理工程(希酸、水蒸気爆砕、アルカリ、オルガノソルブなど)が必要です。前処理によりリグニン・ヘミセルロースマトリクスが破壊され、セルロースの表面へのアクセス性が高まった後、糖化工程でセルラーゼ酵素が適用され、セルロース鎖がグルコース単量体に加水分解されます。この加水分解されたグルコース液は、その後サッカロミセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)などの微生物によって発酵され、エタノールが生成されます。効果的なリグノセルロース糖化に必要なセルラーゼ酵素システムは、エンドグルカナーゼ(EC 3.2.1.4)、セロビオヒドロラーゼ(EC 3.2.1.91)、βグルコシダーゼ(EC 3.2.1.21)を含む多成分複合体であり、これらが協調して結晶性セルロースをセロビオースおよびグルコースへと解重合します。トリコデルマ・リーセイ由来のセルラーゼは、高いセロビオヒドロラーゼ含量と成分間の強い相乗効果を持つバランスの取れたセルラーゼ複合体を産生するため、2Gバイオエタノール分野の業界標準となっています。糖化条件は通常pH 4.5~5.5、45°C~55°Cで、酵素投入量は前処理された基質のセルロース含量に対して設定され、前処理の強度、セルロースの結晶化度、目標グルコース収率に応じて調整します。工業用バイオエタノールプラントおよびバイオリファイナリーにとって、酵素コストは2Gエタノールの経済性における主要な要因であり、エタノール1リットルあたりの酵素コストは、高い比活性、前処理強度に見合った投入量、そして商業的に実現可能な酵素投入量でのグルコース収率最適化により最小化する必要があります。技術系バイヤーは、自社の前処理済み基質に対する加水分解性能、必要なβグルコシダーゼ補強の程度、タンパク質含量、プロセス温度における熱安定性によってセルラーゼ酵素を規定します。
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用途
リグノセルロース系エタノール向けコーンストーバー糖化
希酸または水蒸気爆砕により前処理された高固形分(乾物15~25%)のコーンストーバーは、前処理に合わせた投入量のセルラーゼ酵素にβグルコシダーゼを補強し、pH 4.8~5.2、50°Cで48~72時間糖化します。この条件下では理論セルロース転化率の80~92%のグルコース収率が達成可能で、加水分解液中50~60g/Lのグルコース濃度を後続のエタノール発酵に供給する発酵性基質として提供します。この加水分解は通常、水使用量を最小限に抑えグルコース濃度を最大化するため高固形分で行われます。
エタノール・グルコース生産向けサトウキビバガスのセルラーゼ加水分解
搾汁後の繊維質残渣であるサトウキビバガスは35~45%のセルロースを含み、サトウキビ生産地域における2Gエタノールの主要原料です。希酸またはアルカリ・水蒸気を用いた180~200°Cでの前処理後、バガスは前処理に合わせた投入量のセルラーゼでpH 4.8~5.0、48°C~50°Cで48~72時間糖化されます。高濃度のトリコデルマ・リーセイ由来セルラーゼグレードが、バガスマトリクス中の結晶性セルロースを効率的に加水分解するために必要なエンドグルカナーゼおよびセロビオヒドロラーゼ活性を提供します。
小麦わら・農業残渣の糖化
アルカリ過酸化水素、オルガノソルブ、または水蒸気爆砕により乾物固形分10~20%で前処理された小麦わら、稲わら、その他の穀物残渣は、前処理に合わせた投入量のセルラーゼでpH 5.0~5.5、50°Cで48~96時間糖化されます。農業わらは木質バイオマスよりもセルロースの結晶化度が低く、これらの条件下でトリコデルマ・リーセイ由来セルラーゼ酵素により通常75~90%のセルロース転化率が達成され、初期乾物投入量に応じて糖化液中のグルコース濃度は40~70g/Lとなります。
同時糖化発酵(SSF)プロセス
同時糖化発酵(SSF)では、セルラーゼ酵素と発酵酵母を前処理済みバイオマスに同時に添加し、酵素が生成するグルコースを酵母が生成と同じ速さで消費することで、セロビオースとグルコースによるセルラーゼの生成物阻害を低減します。SSF条件は通常pH 5.0~5.5、37°C~39°Cで、これはセルラーゼの至適温度(50°C)と酵母発酵の至適温度(30~35°C)との折衷です。前処理に合わせた投入量のセルラーゼ酵素を用いたSSFでは、72~120時間以内に70~85%のセルロース転化率が達成され、エタノールが同時に生成されるため独立した発酵槽の必要性が低減されます。