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JP2010088334A - Method for producing starch and ethanol by using algae releasing starch to exterior of cell - Google Patents

Method for producing starch and ethanol by using algae releasing starch to exterior of cell Download PDF

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JP2010088334A
JP2010088334A JP2008260676A JP2008260676A JP2010088334A JP 2010088334 A JP2010088334 A JP 2010088334A JP 2008260676 A JP2008260676 A JP 2008260676A JP 2008260676 A JP2008260676 A JP 2008260676A JP 2010088334 A JP2010088334 A JP 2010088334A
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Japan
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starch
algae
culture
ethanol
producing
Prior art date
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JP2008260676A
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Japanese (ja)
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Masahiro Ogaki
昌弘 大垣
Hidezo Tanaka
秀造 田中
Haruhiko Kawasaki
東彦 川崎
Masakazu Furuta
雅一 古田
Tadahisa Fujita
忠久 藤田
Takasada Ishii
孝定 石井
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LOVION INTERNATL Inc
Osaka University NUC
Osaka Metropolitan University
LOVION INTERNATIONAL Inc
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LOVION INTERNATL Inc
Osaka University NUC
Osaka Prefecture University PUC
LOVION INTERNATIONAL Inc
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing bioethanol by which the production can be carried out even in a high latitude region having little irradiation of sunlight in a low-temperature environment by utilizing a surplus quantity of heat in the industrial production and further utilizing an organic waste and discharged carbon dioxide by dragging the faint sunlight thereinto by using an optical fiber. <P>SOLUTION: The method for continuously producing bioethanol includes using starch particles continuously obtained by continuously culturing alga without collecting the algae cells (alga body) themselves by allowing starch particles to be released to the exterior of the cells, and subjecting the starch particles to saccharification and fermentation steps. Bioethanol can be produced even in the whole region of from the tropical region to the high latitude region in the world, and bioethanol having a cost meeting a price as an alternate fuel can be produced by the reduction of the production cost by carrying out the successive starch production. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、細胞外に澱粉を放出する藻類を用いた澱粉の製造方法に関する。さらに、本発明は、細胞外に澱粉を放出する藻類を用いたエタノールの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing starch using algae that release starch extracellularly. Furthermore, this invention relates to the manufacturing method of ethanol using the algae which discharge | releases starch outside a cell.

前世紀末より、化石燃料の枯渇、ならびに化石燃料の燃焼が招いた炭酸ガス排出量の増加が叫ばれるようになってきた。そこで、植物に二酸化炭素(以下、炭酸ガスと称す)を固定させて得られた澱粉等の多糖類を醗酵させることにより、燃料としてのエタノールを得る、所謂バイオエタノールの生産が望まれ、実用化されるに至っている。しかし、食料や飼料として利用していた穀物を原材料とする手法は、食品価格を高騰、飢餓に苦しむ人々を増加させ、今後、大きな問題となることは必定である。そこで、一般の植物同様に光合成によって炭酸ガスを固定し、澱粉生産を効率良く行うことが可能である、バイオマス生産性の高い藻類を得て、これを用いて得られたバイオマスからエタノールを発酵生産することが期待されてきた。   From the end of the last century, fossil fuel depletion and the increase in carbon dioxide emissions caused by fossil fuel combustion have been screamed. Therefore, it is desired to produce so-called bioethanol as a fuel by fermenting a polysaccharide such as starch obtained by fixing carbon dioxide (hereinafter referred to as carbon dioxide) to a plant. Has been done. However, the method of using cereals used as food and feed as raw materials will inevitably become a major problem in the future, as food prices rise and the number of people suffering from hunger increases. Therefore, carbon dioxide can be fixed by photosynthesis in the same way as general plants, and algae with high biomass productivity that can efficiently produce starch is obtained, and ethanol is fermented and produced from biomass obtained using this. Has been expected to.

一般的な微生物に関しては、醗酵工学によって得られた、食品や医薬品、ならびにこれらの添加物が、多種多様に、一般に広く利用されており、工業的にも、微生物から得られた酵素等が幅広い分野に用いられている。しかしながら、藻類を利用することは、わが国においては、コンブ、ワカメ、アサクサノリ等々の大型藻類が一般に食されており、また微細藻類のクロレラ等が健康食品として用いられているが、世界的に利用されている総量は極めて少ない。また、これら藻類から得られた物質は、カンテン、アルギン酸、カラギーナン等の多糖類が、増粘剤、ゲル剤として用いられていることを除けば、殆ど利用されているとはいえない状態である。藻類に関する研究にしても、光合成の研究を中心に、現在スタートしたばかりの状態であり、藻類を工業的に利用することは、殆ど成されていない。これは、従来、藻類の増殖速度が、通常の微生物に比較して極めて緩慢であることに由来する。 As for general microorganisms, foods and pharmaceuticals obtained by fermentation engineering, and their additives are widely used in general, and a wide variety of enzymes, etc. obtained from microorganisms are industrially used. Used in the field. However, the use of algae means that in Japan, large algae such as kombu, wakame, and seaweed are commonly eaten, and microalgae such as chlorella are used as health foods. The total amount is very small. In addition, substances obtained from these algae are in a state of being hardly used except that polysaccharides such as agar, alginic acid and carrageenan are used as thickeners and gels. . Research on algae has just started, centering on research on photosynthesis, and algae is rarely used industrially. This originates from the fact that the growth rate of algae has been extremely slow compared to conventional microorganisms.

藻類は淡水中から海水中、また温泉源等の特殊環境まで広く地球上に分布し、多種多様の形体、生物学的特性に進化し、地球環境に良く適応している。また藻類の多くは、光照射による独立栄養条件下の生育以外に、暗所における従属栄養条件下で、通常の微生物と同様に、生育することが可能である。このことは、光合成独立栄養(以下、光独立栄養と称す)条件下だけで生育し、地上で最も繁栄し、最も進化していると考えられる、高等植物とは異なるところである。この藻類の特性を利用して、工業的に排出されている炭酸ガスや有機廃棄物を栄養源として、これに光独立栄養を行わせるために太陽光照射を行うことで、安価に、しかも高効率に藻類を培養し、澱粉等有用なバイオマスを効率良く生産させることが望まれてきた。 Algae are widely distributed on the earth, from fresh water to seawater, and to special environments such as hot spring sources, have evolved into a wide variety of forms and biological characteristics, and are well adapted to the global environment. Many algae can grow in the same manner as normal microorganisms under heterotrophic conditions in the dark, in addition to growing under autotrophic conditions by light irradiation. This is different from higher plants that grow only under photosynthetic autotrophic (hereinafter referred to as photoautotrophic) conditions and are considered to be the most prosperous and most evolved on the ground. Utilizing the characteristics of this algae, carbon dioxide and organic waste that are discharged industrially are used as nutrient sources, and sunlight irradiation is performed to make them photoautotrophic. It has been desired to efficiently culture algae and efficiently produce useful biomass such as starch.

植物同様に光合成による炭酸ガス固定、もしくは有機物を炭素源として、澱粉生産を効率良く行い、細胞内に多量の澱粉粒を蓄積し、その一部を細胞外に放出する特性を有している、優良藻株、単細胞微細緑藻・Chlorella vulgaris Al−1y−3(以下、クロレラ・ブルガリスAl−1y−3とも称す)が知られている(特許文献1)。また、このようにして藻類から得られた澱粉を原材料としてエタノールを製造する方法が知られている(特許文献2)。 Like plants, carbon dioxide fixation by photosynthesis, or using organic matter as a carbon source, efficiently producing starch, accumulating a large amount of starch granules in the cell, and releasing a part of it outside the cell, An excellent algae strain, a single-cell fine green algae, Chlorella vulgaris Al-1y-3 (hereinafter also referred to as Chlorella vulgaris Al-1y-3) is known (Patent Document 1). Moreover, a method for producing ethanol using starch obtained from algae in this way as a raw material is known (Patent Document 2).

近年、バイオエタノールの研究開発が盛んに行われるようになり、海水産の藻類を用いた方法(特許文献3)、(特許文献4)も知られており、これらには、産業廃棄物である燃焼灰を無機栄養源として用いる方法も報告されている。
特開昭52−82793号公報 特開昭50−148587号公報 特開2000−316593号公報 特開2003−310288号公報
In recent years, research and development of bioethanol has been actively performed, and methods using seaweed algae (Patent Document 3) and (Patent Document 4) are also known, and these are industrial wastes. A method using combustion ash as an inorganic nutrient source has also been reported.
JP-A-52-82793 JP 50-148587 A JP 2000-316593 A JP2003-310288

従来の技術では、得られた澱粉をエタノール醗酵させる段階で、藻類細胞を死滅させることから、その製造工程は連続的でなく、これがコスト高を招き、実際にバイオエタノールを販売するには至っていない。   In the conventional technology, algal cells are killed at the stage of fermenting the obtained starch with ethanol, so the production process is not continuous, which leads to high costs and has not actually sold bioethanol. .

本発明者らは、上記従来技術の欠点を解消すべく鋭意努力した結果、藻類細胞を死滅させることなく、連続的に培養することにより藻類が産生する澱粉を連続的に得る方法を見出し、本発明を完成させた。   As a result of diligent efforts to eliminate the drawbacks of the prior art, the present inventors have found a method for continuously obtaining starch produced by algae by culturing continuously without killing algal cells. Completed the invention.

すなわち、本発明は、藻類細胞を死滅させず、藻類細胞を回収することなく培養することを含む澱粉の製造方法に関する。好ましくは、本発明は、澱粉を製造する方法であって、
(a)細胞外に澱粉を放出する藻類を培養する工程、
(b)培養物を静置し、放出された澱粉と藻類を分離する工程、および
(c)分離された澱粉を回収する工程、を含む方法に関する。
より好ましくは、上記(a)−(c)に加えて、さらに、
(d)工程(c)により回収されずに残された藻類をさらに培養する工程、および
(e)上記(b)から(d)の工程を繰り返すことを含む、澱粉を製造する方法に関する。
さらに好ましくは、上記工程(e)は、上記(b)から(d)の工程を連続的に繰り返す工程ある。
That is, the present invention relates to a method for producing starch, which comprises culturing without killing algal cells and collecting algal cells. Preferably, the present invention is a method for producing starch comprising:
(A) culturing an algae that releases starch outside the cell;
(B) It is related with the method including leaving the culture | cultivation still and isolate | separating the released starch and algae, and (c) collect | recovering the isolate | separated starch.
More preferably, in addition to the above (a)-(c),
(D) It relates to a method for producing starch comprising the step of further culturing algae left unrecovered in step (c), and (e) repeating the steps (b) to (d) above.
More preferably, the step (e) is a step of continuously repeating the steps (b) to (d).

また、本発明は、藻類細胞を死滅させず、藻類細胞を回収することなく培養することを含むエタノールの製造方法に関する。好ましくは、本発明は、上記本発明に係る澱粉の製造方法により澱粉を製造した後、製造された澱粉を糖化する工程、および澱粉の糖化物をアルコール発酵する工程を含む、エタノールを製造する方法に関する。より好ましくは、上記エタノールの製造方法は、澱粉を糖化する工程の前、または澱粉を糖化する工程時に、密閉型パイプライン中において澱粉にマイクロ波を照射する工程を含む。   The present invention also relates to a method for producing ethanol comprising culturing without killing algal cells and collecting algal cells. Preferably, the present invention is a method for producing ethanol, comprising the steps of saccharifying the produced starch, and subjecting the saccharified starch to alcohol fermentation after producing the starch by the method for producing starch according to the present invention. About. More preferably, the ethanol production method includes a step of irradiating the starch with microwaves in a closed pipeline before the step of saccharifying starch or during the step of saccharifying starch.

さらに、上記澱粉およびエタノールの製造方法において、藻類を培養する工程(a)は、炭酸ガスと光照射による光独立栄養により培養するか、または、有機物添加による従属栄養による培養と、炭酸ガスと光照射による光独立栄養による培養を並行して行うことを含み、炭素源(栄養源)としては、酢酸、有機酸廃液、または工業的に排出される二酸化炭素(炭酸ガス)または炭酸塩を用いることができる。
また、放出された澱粉と藻類を分離する工程(b)は、デカンテーションまたは水流により、澱粉と藻類を分離することを含む。
Further, in the method for producing starch and ethanol, the step (a) of culturing the algae is performed by photoautotrophic by carbon dioxide and light irradiation, or by heterotrophic by adding organic matter, carbon dioxide and light. Including culturing by photoautotrophic irradiation by irradiation in parallel, as carbon source (nutrient source), use acetic acid, organic acid waste liquid, industrially discharged carbon dioxide (carbon dioxide) or carbonate Can do.
In addition, the step (b) of separating the released starch and algae includes separating the starch and the algae by decantation or water flow.

本発明に係る澱粉の製造方法およびエタノールの製造方法に用いる藻類は、細胞外に澱粉を放出する藻類であれば限定されず、好ましくは、クロレラであり、より好ましくは、クロレラ・ブルガリスAl−1y株である。   The algae used in the method for producing starch and the method for producing ethanol according to the present invention are not limited as long as they are algae that release starch to the outside of the cells, preferably chlorella, more preferably, Chlorella vulgaris Al- 1y strain.

本発明に係る、澱粉およびエタノールの製造方法は、藻類細胞を死滅させることなく、連続的に培養できるので、従来に比較し安価に藻類細胞より澱粉およびエタノールを製造することができる。   Since the method for producing starch and ethanol according to the present invention can be continuously cultured without killing algal cells, starch and ethanol can be produced from algal cells at a lower cost than conventional methods.

本発明に使用される「細胞外に澱粉を放出する藻類」は、単細胞生物であれば細胞外に、単細胞生物でなければ藻体外に澱粉を放出する、排出する、または分泌する藻類であり、特に限定されないが、好ましくは、Chlorella vulgaris Al−1y株(以下、クロレラ・ブルガリスAl−1y株とも称す)(受託番号:FERM BP-10915)である。
培養条件は特に限定されず、培地の組成は、個々の藻類によって適宜設定され得る。例えば、炭素源として有機物(例えば、酢酸、蟻酸、クエン酸等の有機酸、グルコース、マルトース等の糖類、および/または脂質)、窒素源として有機物または無機物(例えば、尿素、硫酸アンモニウム、酢酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、硝酸カリウム、ポリペプトン等)および無機塩類を含む培地を用いることができ、また、炭素源として、炭酸ガス(二酸化炭素)、炭酸塩等を用いることもできる。
なお、藻類、とりわけクロレラ培養のための培地のpH、培養温度等の条件も当業者が適宜設定でき限定されないが、好ましくは、pH5〜9、培養温度25〜42℃であり、より好ましくは、pH7〜8、培養温度30〜37℃である。
また、培養条件(培地組成、培養温度等を含む)としては、細胞分裂が活発に行われる条件が好ましい。
As used in the present invention, `` algae that release starch outside the cell '' is an algae that releases, excretes, or secretes starch outside the cell if it is a unicellular organism, and outside the alga if it is not a unicellular organism, Although not particularly limited, Chlorella vulgaris Al-1y strain (hereinafter also referred to as Chlorella vulgaris Al-1y strain) (Accession Number: FERM BP-10915) is preferable.
The culture conditions are not particularly limited, and the composition of the medium can be appropriately set depending on individual algae. For example, organic substances (for example, organic acids such as acetic acid, formic acid and citric acid, sugars such as glucose and maltose, and / or lipids) as a carbon source, and organic or inorganic substances (for example, urea, ammonium sulfate, ammonium acetate, ammonium nitrate) as a nitrogen source , Potassium nitrate, polypeptone, etc.) and a medium containing inorganic salts can be used, and carbon dioxide (carbon dioxide), carbonates and the like can also be used as a carbon source.
In addition, conditions such as algae, in particular, pH of the medium for culturing chlorella, culture temperature and the like can be appropriately set by those skilled in the art, but are preferably pH 5-9, culture temperature 25-42 ° C., more preferably, pH 7-8, culture temperature 30-37 ° C.
Moreover, as culture conditions (including medium composition, culture temperature, etc.), conditions under which cell division is actively performed are preferable.

上記培地を用い、藻類は、好気的に暗所培養(従属栄養的(heterotrophic)培養)により培養されるか、光合成により独立栄養的(autotrophic)に培養され得る。さらに、従属栄養的培養(従属栄養による培養)と独立栄養的培養(光独立栄養による培養)を並行させて藻類を培養することもできる。例えば、炭素源として、有機物(有機酸、糖類および/または脂質等)を添加した培地を用い、藻類を従属栄養的に培養することができ、また、炭素源として、炭酸ガスを用い、光照射により独立栄養的に培養することもできる。場合により、上記有機物添加による従属栄養による培養と炭酸ガスと光照射による光独立栄養による培養を併存させて、培養しても良い。なお、光合成に必要な光は、太陽光の他、電球、光ファイバー等の人工の光も利用できる。   Using the above medium, algae can be cultivated aerobically in the dark (heterotrophic culture) or autotrophic by photosynthesis. Furthermore, algae can be cultured in parallel with heterotrophic culture (culture with heterotrophic nutrition) and autotrophic culture (culture with photoautotrophic nutrition). For example, algae can be cultured heterotrophically using a medium supplemented with organic substances (organic acids, sugars and / or lipids) as a carbon source, and carbon dioxide is used as a carbon source for light irradiation. Can also be cultured in an autotrophic manner. In some cases, the culture may be performed by coexisting the culture by heterotrophic with the addition of the organic substance and the culture by photoautotrophic with carbon dioxide and light irradiation. In addition to sunlight, artificial light such as a light bulb or an optical fiber can be used as light necessary for photosynthesis.

環境への貢献、および安価な澱粉およびエタノールの製造の観点から、栄養源としての有機物は、市販製品を用いることもできるが、廃液等を用いることもできる。藻類による澱粉製造工程において、工業的に多量に排出されている有機酸廃液等を炭素源として用いることで、極めて安価にエタノールの製造を行うことが可能である。炭素源として添加する有機酸廃液の種類や、添加方法は、限定されないが、酢酸が工業的に広く用いられ、排出量が多いことから、容易に利用することが可能な有機酸廃液の一例としては酢酸廃液が挙げられる。また、グリセリンやアルコール類の廃液も利用できる。これらの廃液は、単独で用いても、組み合わせて用いても良い。さらに、炭素源として、工業的に排出される二酸化炭素(以下、炭酸ガスとも称す)または炭酸塩を用いることもできる。所謂排気ガスとして、排出される炭酸ガス量は年々増加の一途をたどっており、炭酸ガスの排出削減が叫ばれているが、実施することは困難を極め、炭酸ガス排出量削減は不可能であるとも言われている。従来、大気中に放出されて拡散した低濃度の炭酸ガスを、自然条件下において、植物が利用する以外に、低減させる手法を持ち合わせてはいない。本発明は、工業的に排出される高濃度の炭酸ガスを、大気中に放出することなく再利用してエタノールを得るもので、極めて効率良く炭酸ガス排出削減を行うことが可能である。手法として、工業的に排出される炭酸ガスを、藻類培養槽内に直接通気してもよいが、炭酸ガス通気によりpHの低下が認められる場合は、水酸化ナトリウム等のアルカリ剤、もしくは、工業的に排出されている灰分廃棄物を利用し、中和してもよい。培地に添加する窒素源として、畜産農家から廃棄される豚糞尿、他の家畜、家禽等の廃棄物、また屠殺場や屎尿処理場の廃棄物を単独で用いても、また組み合わせて用いても良い。   From the viewpoint of contribution to the environment and the production of inexpensive starch and ethanol, the organic matter as a nutrient source can be a commercially available product, but a waste liquid or the like can also be used. In the starch production process using algae, it is possible to produce ethanol at a very low cost by using, as a carbon source, organic acid waste liquid that has been industrially discharged in large quantities. The type of organic acid waste liquid to be added as a carbon source and the addition method are not limited, but acetic acid is widely used industrially and has a large discharge amount. As an example of an organic acid waste liquid that can be easily used. Examples include acetic acid waste liquid. In addition, waste liquids of glycerin and alcohols can be used. These waste liquids may be used alone or in combination. Further, carbon dioxide (hereinafter also referred to as carbon dioxide) or carbonate discharged industrially can be used as the carbon source. As so-called exhaust gas, the amount of carbon dioxide discharged has been increasing year by year, and it has been screamed to reduce carbon dioxide emissions, but it is extremely difficult to implement, and it is impossible to reduce carbon dioxide emissions. It is said that there is. Conventionally, there is no method for reducing the low-concentration carbon dioxide gas released into the atmosphere and diffused under natural conditions other than by plants. The present invention obtains ethanol by reusing industrially discharged high-concentration carbon dioxide gas without releasing it into the atmosphere, and can significantly reduce carbon dioxide emission. As a method, industrially discharged carbon dioxide gas may be directly ventilated into the algae culture tank. However, when a decrease in pH is observed due to carbon dioxide gas ventilation, an alkaline agent such as sodium hydroxide, or industrial It is also possible to neutralize by using ash wastes that have been discharged. As a nitrogen source to be added to the culture medium, pig manure discarded from livestock farmers, other livestock, poultry waste, slaughterhouse and slaughterhouse waste can be used alone or in combination. good.

本発明における、放出された澱粉と藻類の分離は、特に限定はされないが、遠心分離、篩、デカンテーションまたは水流等により、澱粉および藻の細胞の粒子径および/または形等の物理的性質に基づく分離手段によりなされ得る。本発明者らは、細胞外に澱粉を放出する藻類、とりわけ細胞外に澱粉を放出するクロレラを培養した後、十分長い時間静置すれば、培養器に沈降した藻類の堆積層の上に、藻類から放出された澱粉粒子が堆積することを見出した。静置時間は、培養器の大きさ、形状、培養する藻類により変化するが、1〜24時間であり、好ましくは3時間以上である。   The separation of the released starch and algae in the present invention is not particularly limited, but the physical properties such as the particle size and / or shape of starch and algae cells by centrifugation, sieving, decantation or water flow, etc. It can be done by separation means based on. The present inventors have cultured algae that release starch outside the cell, especially chlorella that releases starch outside the cell, and if left standing for a sufficiently long period of time, on the algae sedimentation layer that has settled in the incubator, It was found that starch particles released from algae accumulate. The standing time varies depending on the size and shape of the incubator and the algae to be cultured, but is 1 to 24 hours, preferably 3 hours or more.

静置後、藻類の層の上に自然沈降し堆積した澱粉粒子は白色であり、濃緑色等の藻類と明確に区別でき、デカンテーションまたは水流によっても、容易に澱粉を藻類から分離し、回収することができる。このような澱粉と藻類の容易な分離は、特に、培養液量の多いクロレラの工業的な培養においては、大量の培地に対応できる遠心分離機、篩等の装置が不要となり、澱粉およびエタノールの製造コストの削減に寄与する。また、培養後、静置により自然沈降して藻類の上に堆積した澱粉をデカンテーション等で分離回収することにより、培養した藻類が培養器に残り、これに培地を加えることで、藻類を回収することなく容易に再培養が可能となる。   After standing, the starch particles naturally settled and deposited on the layer of algae are white and can be clearly distinguished from algae such as dark green. Starch can be easily separated from algae by decantation or water flow and collected. can do. Such easy separation of starch and algae is not necessary especially in the industrial culture of chlorella with a large amount of culture solution, and a device such as a centrifuge or sieve that can handle a large amount of medium is not required. Contributes to the reduction of manufacturing costs. In addition, after culturing, the cultured algae remain in the incubator by collecting and recovering the starch that naturally settled by standing and deposited on the algae by decantation, etc., and the culture medium is added to this to recover the algae It is possible to easily re-culture without doing.

本発明において、分離された澱粉を回収する手段は特に限定されるものでないが、例えば、水またはアセトン等の溶媒で洗浄し、遠心分離機により、例えば、2000rpmで遠心して澱粉を回収することができる。   In the present invention, the means for recovering the separated starch is not particularly limited. For example, the starch may be recovered by washing with a solvent such as water or acetone, and centrifuging at 2000 rpm with a centrifuge, for example. it can.

上記澱粉を回収後、回収されずに残された藻類をさらに培養する工程は、例えば、培養器に残された藻類に培地を再添加し、最初の培養条件で、再培養することにより達成され得る。培地、培養条件は、上記のように当業者が適宜設定できる。この後、培養物を静置し、放出された澱粉と藻類を分離する工程、分離された澱粉を回収する工程、回収されずに残された藻類をさらに培養する工程を繰り返すことにより、連続的に澱粉およびエタノールを藻類から製造することが可能となる。
本発明者らは、細胞外に澱粉を放出する藻類、とりわけ、細胞外に澱粉を放出するクロレラを、複数回培養しても得られる澱粉の量が大きく変化しないことを見出した。また、再培養時には初回の培養時よりも培養開始時のクロレラの量が多くなっているにもかかわらず、直前の培養と同じ培養器で同じ培地量を用いることで直前の培養と同様に増殖し、そして、再培養は少なくとも7回まで可能であることを見出した。澱粉が細胞分裂時に細胞外に放出されることを考慮すれば、少なくとも8回、同じ培養器で同じ培地量を用いてクロレラを回収することなく連続して増殖させることができ、その結果、各培養回数でほぼ同量の澱粉が安定して回収できることは予想外であった。また、再培養では、初回の培養に比較し、対数増殖期終了までの培養時間が短縮した。このような培養時間の短縮は、澱粉およびエタノールの製造コストを下げるので、有利な作用効果の1つである。
The step of further culturing the algae left uncollected after collecting the starch is achieved, for example, by re-adding the medium to the algae left in the incubator and re-culturing under the initial culture conditions. obtain. The medium and culture conditions can be appropriately set by those skilled in the art as described above. Thereafter, the culture is allowed to stand still, and the process of separating released starch and algae, the process of collecting the separated starch, and the process of further culturing the remaining algae without being collected are repeated continuously. In addition, starch and ethanol can be produced from algae.
The present inventors have found that the amount of starch obtained by culturing algae that releases starch outside the cell, especially chlorella that releases starch outside the cell, does not change greatly. In addition, even when the amount of chlorella at the beginning of the culture is higher than at the time of the initial culture at the time of re-culture, the same culture medium is used in the same incubator as the previous culture, so that the same growth as the previous culture is performed. And found that re-cultivation is possible up to at least 7 times. Considering that starch is released extracellularly during cell division, it can be continuously grown at least 8 times in the same incubator using the same medium volume without recovering chlorella, It was unexpected that almost the same amount of starch could be stably recovered with the number of cultures. Moreover, in the re-culture, the culture time until the end of the logarithmic growth phase was shortened compared to the initial culture. Such shortening of the culture time is one of advantageous effects because it lowers the production cost of starch and ethanol.

本発明において、エタノールは、上記のように回収された藻類産の澱粉を糖化し、アルコール発酵することにより製造され得る。糖化、アルコール醗酵する方法に関しては、限定されるものでないが、その一例として、糖化方法としては、酸糖化法、酵素糖化法等が挙げられ、また醗酵は、定法のアルコール酵母を用いても、アルコール生産能を有する細菌等、他の微生物を用いても良い。
例えば、澱粉の糖化については、澱粉糖化酵素、例えば、マグナックス JW-101(洛東化成工業株式会社、Magnax JW-101, RAKUTO KASEI INDUSTRIAL Co.,Ltd.:α-アミラーゼ、グルコアミラーゼを含む)等を用いて生化学的に、または、澱粉の酵素糖化とアルコール発酵を同時並行的に行う方式(並行発酵)で、糖化処理を行っても良い。加えて、麹カビ等の微生物による澱粉の酵素糖化と、アルコール醗酵を同時並行的に行う方式、所謂並行復発酵によって、糖化処理とアルコール醗酵を同時に行っても良い。
In the present invention, ethanol can be produced by saccharifying the algal starch recovered as described above and subjecting it to alcohol fermentation. The method for saccharification and alcohol fermentation is not limited, but as an example, the saccharification method includes acid saccharification method, enzymatic saccharification method, etc. Other microorganisms such as bacteria having alcohol-producing ability may be used.
For example, for saccharification of starch, starch saccharifying enzymes, such as Magnax JW-101 (including Nakto Kasei Kogyo Co., Ltd., Magax JW-101, RAKUTO KASEI INDUSTRIAL Co., Ltd .: including α-amylase and glucoamylase) The saccharification treatment may be performed biochemically by using a method such as enzymatic saccharification of starch and alcohol fermentation simultaneously (parallel fermentation). In addition, saccharification treatment and alcohol fermentation may be simultaneously performed by a method of performing enzymatic saccharification of starch by microorganisms such as mold mold and alcohol fermentation simultaneously, so-called parallel re-fermentation.

醗酵前処理として、または、澱粉を糖化する工程時に、密閉型パイプライン中においてマイクロ波照射を行ってもよい。一般にマイクロ波は、100μmから1m、周波数300メガヘルツから3テラヘルツの領域の電磁波であり、わが国では周波数2.45ギガヘルツが電子レンジ等の加熱機器用に、アメリカではこれに加えて9.15メガヘルツも用いられている。本発明では、マイクロ波の波長(周波数)を限定するものではないが、一般に広く使用されている、周波数2.45ギガヘルツを用いることが廉価である。澱粉からエタノールを製造するためには、定法では、酸や酵素を用いた澱粉の糖化工程が必要である。この糖化工程には、加熱処理が必要であり、従来の技術では、熱源による直接加熱が行われていたが、大きな容量になると、昇温と降温に長時間と多大な熱エネルギーを要していた。本発明は、澱粉の糖化法に関しては、限定するものでないが、藻類培養槽から分離して得られた澱粉粒を、瞬間的に昇温ならびに降温することを、密閉型パイプライン中においてマイクロ波照射を行うことで極めて効果的に、熱処理を行うことができる。   Microwave irradiation may be performed in a closed pipeline as a pretreatment for fermentation or at the time of saccharification of starch. In general, microwaves are electromagnetic waves in the range of 100 μm to 1 m and frequencies of 300 MHz to 3 terahertz. In Japan, frequencies of 2.45 GHz are used for heating devices such as microwave ovens, and in the United States, 9.15 MHz is also used in addition to this. . In the present invention, although the wavelength (frequency) of the microwave is not limited, it is inexpensive to use a frequency of 2.45 gigahertz, which is widely used in general. In order to produce ethanol from starch, a conventional method requires a saccharification step of starch using an acid or an enzyme. This saccharification step requires heat treatment, and in the conventional technology, direct heating by a heat source has been performed. However, when the capacity becomes large, a long time and a large amount of heat energy are required for temperature increase and decrease. It was. The present invention is not limited regarding the method for saccharification of starch, but it is possible to instantaneously raise and lower the temperature of starch granules obtained from an algal culture tank in a closed pipeline. By performing irradiation, heat treatment can be performed very effectively.

アルコール発酵後、得られたエタノールは、蒸留され、脱水されて、アルコール濃度を高めたアルコールを製造することができる。蒸留および脱水の手段は、特に限定されず、当業者が通常知られている手段より適宜選択できる。   After alcohol fermentation, the ethanol obtained can be distilled and dehydrated to produce alcohol with increased alcohol concentration. The means for distillation and dehydration are not particularly limited, and can be appropriately selected from means generally known to those skilled in the art.

以下、本発明の実施形態について、図を参照して詳細に説明する。本発明の技術的範囲は、下記の実施形態によって限定されるものではなく、その要旨を変更することなく、様々に改変して実施することができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The technical scope of the present invention is not limited by the following embodiments, and can be implemented with various modifications without changing the gist thereof.

本発明に係る、培養した藻類細胞(藻体)を、藻体自体を回収、また死滅させることなく連続的に培養し、藻類細胞が放出した澱粉粒を継続的に得ることで、連続的にバイオエタノールを生産する方法は、図1に示すように、藻類培養工程(S1)、澱粉分離工程(S2)、澱粉糖化工程(S3)、アルコール醗酵工程(S4)、蒸留工程(S5)の5工程を含み得る。藻類培養工程(S1)は、光独立栄養(S11)、従属栄養(S12)、混合栄養(S13)による培養の3種の培養法を含み得る。光独立栄養(S11)は、一般の高等植物同様に、無機塩と炭酸ガスを炭素源(栄養源)とする、光合成による培養法であり、材料費が安価である半面、増殖が遅く、単位面積当たりの収量が低い。また、太陽光を光源とした場合、夜間の増殖は全く望めない。通常の、光合成による光独立栄養条件下における藻類の培養は、硝酸、もしくはアンモニアを窒素源として、リン酸とマグネシウムを、それぞれ窒素源の1/5〜1/20程度加え、これにカルシウム、鉄をはじめ各種金属類を微量に添加して調製した培地に、炭酸ガスを含む大気を通気して行われている。従属栄養(S12)は、炭素源として有機物を培地に添加しての培養であり、全くの暗黒下において、高密度に培養することが可能であり、単位面積当たりの収量が高い。混合栄養(S13)は、S11とS12の両工程を組み合わせる、つまり、有機物添加による従属栄養による培養と、炭酸ガスと光照射による光独立栄養を並行して培養する方法(mixotrophic)である。
これらの各栄養条件による培養法は、培養装置の立地条件により温度(気温)、日照時間等の自然環境、使用する廃棄物の種類等によって、適宜選択される。
According to the present invention, the cultured algal cells (algae) are continuously cultured without collecting and killing the algae itself, and continuously obtaining the starch granules released by the algal cells. As shown in FIG. 1, there are five methods for producing bioethanol: algae culture step (S1), starch separation step (S2), starch saccharification step (S3), alcohol fermentation step (S4), and distillation step (S5). Steps may be included. The algae culture step (S1) can include three types of culture methods, ie, photoautotrophic (S11), heterotrophic (S12), and mixed nutrition (S13). Photoautotrophic (S11) is a culture method based on photosynthesis that uses inorganic salts and carbon dioxide as a carbon source (nutrient source), as in the case of general higher plants. The yield per area is low. Moreover, when sunlight is used as a light source, no nighttime proliferation can be expected. Usually, the cultivation of algae under photoautotrophic conditions by photosynthesis uses nitric acid or ammonia as a nitrogen source, and phosphoric acid and magnesium are added about 1/5 to 1/20 of the nitrogen source, respectively. In addition, a medium prepared by adding a small amount of various metals including a carbon dioxide gas is aerated. Heterotrophic (S12) is a culture in which an organic substance is added to a medium as a carbon source, and can be cultured at a high density in a completely dark state and has a high yield per unit area. Mixed nutrition (S13) is a method (mixotrophic) in which both the steps of S11 and S12 are combined, that is, culture by heterotropy by adding organic substances and photoautotropy by carbon dioxide and light irradiation are performed in parallel.
The culture method based on each of these nutrient conditions is appropriately selected according to the location conditions of the culture apparatus, depending on the natural environment such as temperature (air temperature) and sunshine duration, the type of waste used, and the like.

澱粉分離工程(S2)は、藻類培養工程(S1)で十分に増殖した藻類が細胞外に放出した澱粉を分離回収する工程である。分離方法としては、自然沈降による分離方法(S21)、遠心分離による方法(S22)、水流による分離方法(S23)などが挙げられる。   The starch separation step (S2) is a step of separating and recovering starch released to the outside by the algae sufficiently grown in the algae culture step (S1). Examples of the separation method include a separation method by natural sedimentation (S21), a method by centrifugation (S22), and a separation method by water stream (S23).

澱粉糖化工程(S3)およびアルコール醗酵工程(S4)、熱処理工程(S5)は、それぞれ別個の独立した工程として行うことも可能であるが、並行して行うことが可能であり、通常は並行した工程として実施される。S3は、微生物による糖化法(S31)や、酵素による糖化法(S32)、酸による糖化法(S33)等によって実施され、またアルコール醗酵工程(S4)は、アルコール酵母やアルコール醗酵細菌等、微生物によって、実施され得る。S33工程を実施した場合には、中和工程(S34)が必要になる。これらの工程に用いる酸、アルカリは特に限定されるものではない。S5は、S31やS32工程に先立って澱粉のα化を行うべく実施される場合、ならびにS33の酸による加水分解を行う際に実施され得る。この加熱処理を密閉型パイプライン中におけるマイクロ波照射によって行ってもよい。一般に広く用いられている、周波数2.45ギガヘルツ(アメリカでは9.15メガヘルツも使用され得る)を使用することにより、工業生産上、コストを削減することができる。   The starch saccharification step (S3), the alcohol fermentation step (S4), and the heat treatment step (S5) can be performed as separate and independent processes, but can be performed in parallel and are usually performed in parallel. Implemented as a process. S3 is carried out by microorganism saccharification method (S31), enzyme saccharification method (S32), acid saccharification method (S33), etc., and alcohol fermentation step (S4) is a microorganism such as alcohol yeast or alcohol-fermenting bacteria. Can be implemented. When step S33 is performed, a neutralization step (S34) is required. The acid and alkali used in these steps are not particularly limited. S5 can be performed when starch is pregelatinized prior to S31 or S32 and when hydrolysis of S33 with acid is performed. This heat treatment may be performed by microwave irradiation in a closed pipeline. By using a frequency of 2.45 gigahertz (usually 9.15 megahertz can also be used in the United States), which is widely used, costs can be reduced in industrial production.

上記製造方法によって得られたエタノールは、アルコール濃度が5から20%であり、蒸留工程(S6)によって、アルコール濃度を高めることができる。蒸留法には、単なる加熱による常圧蒸留法(S61)、減圧下において常温、もしくは加熱によって行う減圧蒸留法(S62)、超音波等により振動させることにより、気化を促進させて行う振動蒸留法(S53)等が含まれ、これらの方法を単独で行っても良く、組み合わせて行っても良い(S64)。   Ethanol obtained by the above production method has an alcohol concentration of 5 to 20%, and the alcohol concentration can be increased by the distillation step (S6). Distillation methods include atmospheric distillation by simple heating (S61), vacuum distillation performed at room temperature or under reduced pressure (S62), and vibration distillation performed by accelerating vaporization by oscillating with ultrasonic waves, etc. (S53) and the like are included, and these methods may be performed alone or in combination (S64).

自動車等の内燃機関の燃料として用いるバイオエタノールは、内燃機関への悪影響をさける為に、含水量を極力低くしなければならない。そこで、場合により、脱水工程(S7)が付加される。脱水法には、無水硫酸ナトリウム等の無水塩、生石灰等の金属酸化物、または、その他薬剤による吸水法(S71)、ゼオライト等の多孔質を、そのまま、もしくは高温処理(焼成)して用いる吸水法(S72)、シリカゲル等の吸水材を用いる方法(S73)等が挙げられ、これらの方法を組み合わせた方法(S74)も採用することができる。なお、実験室内においては、モレキュラーシーブを用いる方法が簡便である。   Bioethanol used as a fuel for an internal combustion engine such as an automobile must have a low water content as much as possible in order to avoid adverse effects on the internal combustion engine. Therefore, in some cases, a dehydration step (S7) is added. The dehydration method uses anhydrous salts such as anhydrous sodium sulfate, metal oxides such as quicklime, or other chemicals (S71), water absorption using porous materials such as zeolite as they are or after high-temperature treatment (firing). Method (S72), a method using a water-absorbing material such as silica gel (S73), and the like, and a method combining these methods (S74) can also be employed. In the laboratory, a method using molecular sieve is simple.

(実施例1)
Chlorella vulgaris Al−1y株等の藻類を培養し、藻類細胞重量と得られる澱粉量との関係を検討した。
(Example 1)
Algae such as Chlorella vulgaris Al-1y was cultured, and the relationship between algal cell weight and the amount of starch obtained was examined.

藻類培養に用いた液体培地1 L中には、2gの硝酸ナトリウム(NaNO3)、0.2gの硫酸マグネシウム(MgSO4・7H2O)、50mgの 塩化カルシウム(CaCl2・2H2O)、25mgの硫酸第一鉄(FeSO4.7H2O)、0.8gのリン酸水素二カリウム(K2HPO4)、0.25gのリン酸二水素一カリウム(KH2PO4)、3mgのホウ酸(H3BO3)、2mgの塩化マンガン(MnCl2・4H2O)、500μgの硝酸コバルト(Co(NO3)2・6H2O)、20μgの硫酸亜鉛(ZnSO4・7H2O)、8μgの硫酸銅(CuSO4・5H2O)、2μgのモリブデン酸ナトリウム(Na2MoO4・2H2O)を含んでいる。この液体培地に、寒天とグルコースを、それぞれ15gずつ加え、加温溶解した後、固化させた斜面寒天培地を藻類の保存培地として用いた。また藻類増殖用の液体培養は、上記培地組成に、酢酸アンモニウム20g、酢酸ナトリウム8g、酢酸カリウム7gを炭素源として、それぞれ加え、暗黒下、従属栄養条件において行った。なお培養中、藻類の増殖に伴ってpHがアルカリ側に変動することから、これを修正する目的で、酢酸を添加して、常にpH6.5〜7.5の範囲内に調整、維持した。また、すべての容器に分注した培地は、121℃、15分間蒸気滅菌を施した。 In 1 L of liquid medium used for algae culture, 2 g of sodium nitrate (NaNO 3 ), 0.2 g of magnesium sulfate (MgSO 4 · 7H 2 O), 50 mg of calcium chloride (CaCl 2 · 2H 2 O), 25 mg ferrous sulfate (FeSO 4 .7H 2 O), dipotassium hydrogen phosphate 0.8g (K 2 HPO 4), dihydrogen phosphate monopotassium 0.25g (KH2PO4), boric acid 3mg (H3BO3), 2 mg manganese chloride (MnCl2 · 4H 2 O), 500 µg cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O), 20 µg zinc sulfate (ZnSO 4 · 7H 2 O), 8 µg copper sulfate (CuSO 4 · 5H 2 O), 2 μg of sodium molybdate (Na 2 MoO 4 · 2H 2 O). To this liquid medium, 15 g each of agar and glucose were added, dissolved by heating, and solidified slant agar medium was used as a storage medium for algae. In addition, liquid culture for algae growth was performed in the dark under heterotrophic conditions by adding 20 g of ammonium acetate, 8 g of sodium acetate, and 7 g of potassium acetate as carbon sources to the above medium composition. During the cultivation, the pH fluctuated to the alkali side with the growth of algae. For the purpose of correcting this, acetic acid was added and the pH was always adjusted and maintained within the range of 6.5 to 7.5. The medium dispensed in all containers was steam sterilized at 121 ° C. for 15 minutes.

前記保存培地上にあるChlorella vulgaris Al−1y株を、通気シリコン栓で施栓した100ml容バッフル付き三角フラスコ中の10mlの藻類増殖用・液体培地に移植、35℃に設定したロータリーシェーカーで72時間振盪(振盪回数:110回/分)した。この全量を、同500ml容フラスコ中の90mlの同培地に移植(総液量100ml)、同様の条件下において72時間培養した。これを1.5L容の小型醗酵槽(ジャーファーメンター)中、900mlの同培地に移植(総液量1L)、毎分、培地液量と同量の大気を小泡として通気、撹拌速度を100rpmとして、同様に96時間培養した。藻類細胞増殖の確認は、8時間毎に540nmの吸光度測定による濁度法、ならびにビルケル-チュルク型血球計算板を用いての測定によって行い、移植は、対数増殖期が終了する直前の時点で行った。培養終了後、藻類細胞、及び放出された澱粉粒は2,000gの遠心分離を10分間行うことで回収し、105℃において乾燥後、秤量した。藻類細胞に含まれる澱粉量は、アンスロン-硫酸法による全糖量定量値から、ソモギー-ネルソン法による還元糖量定量値を減じた値を全多糖量値とし、簡便的に、これに0.9を乗じた値を定量値とした。なお、回収されたものが澱粉であることは、ヨード澱粉反応により確認した。 Chlorella vulgaris Al-1y strain on the storage medium was transplanted to 10 ml of algae growth / liquid medium in a 100 ml baffled Erlenmeyer flask with a vented silicon stopper and shaken on a rotary shaker set at 35 ° C. for 72 hours (Number of shaking: 110 times / minute). The whole amount was transplanted to 90 ml of the same medium in the same 500 ml flask (total liquid volume: 100 ml) and cultured under the same conditions for 72 hours. This was transplanted to 900 ml of the same medium in a small fermentor (jar fermenter) with a volume of 1.5 L (total liquid volume: 1 L), aerated with the same volume of air as the medium volume per minute, and agitated at 100 rpm. In the same manner, the cells were cultured for 96 hours. Algae cell growth is confirmed by turbidity measurement by absorbance measurement at 540 nm every 8 hours and measurement using a Birkel-Turck hemocytometer, and transplantation is performed immediately before the end of the logarithmic growth phase. It was. After completion of the culture, algal cells and released starch granules were collected by centrifuging 2,000 g for 10 minutes, dried at 105 ° C., and weighed. The amount of starch contained in the algal cells is calculated by subtracting the quantitative amount of reducing sugars by the somoegi-Nelson method from the quantitative amount of total sugars by the anthrone-sulfuric acid method. The multiplied value was defined as a quantitative value. In addition, it was confirmed by the iodine starch reaction that what was recovered was starch.

図2、図3に示すように、56時間の培養で、クロレラの増殖は極大値に達し、培養開始から96時間後の培養液1L中における藻類細胞の乾燥重量は7.5gであり、含まれる澱粉量は5.6gであった。藻類細胞重量の約75%が澱粉として存在することになるが、これは培養中において、本実施例に用いたChlorella vulgaris Al−1y株が、細胞外に放出した澱粉粒が蓄積されたことによる。他種の緑藻株を用いて同手法で行った実験では、Chlamydomonas sp. Al-5株では8.5g、ならびにScenedesmus basilensis C-66株では8.8gの藻類細胞の乾燥重量が得られたが、ともに澱粉含有量は低く、30%程度であった。本実施例の結果から、Chlorella vulgaris Al−1y株の優れた澱粉生産能力が確認できた。そこで、次に示す実施例2において、このChlorella vulgaris Al−1y株の藻類細胞を、連続的に維持し、澱粉生産を行った。 As shown in FIG. 2 and FIG. 3, the growth of chlorella reached a maximum value after 56 hours of culture, and the dry weight of algal cells in 1 L of the culture solution 96 hours after the start of the culture is 7.5 g. The amount of starch was 5.6 g. About 75% of the algal cell weight is present as starch, which is due to the accumulation of starch granules released from the cells of the Chlorella vulgaris Al-1y strain used in this example during culture. . In experiments conducted using other types of green algae strains, a dry weight of algae cells of 8.5 g was obtained for Chlamydomonas sp. Al-5 and 8.8 g for Scenedesmus basilensis C-66. The starch content was low, about 30%. From the results of this Example, the excellent starch production capacity of the Chlorella vulgaris Al-1y strain was confirmed. Therefore, in Example 2 shown below, the algae cells of the Chlorella vulgaris Al-1y strain were continuously maintained to produce starch.

(実施例2)
実施例1同様にChlorella vulgaris Al−1y株を、200Lの培養タンク(醗酵槽)中において、100Lの培地を用いて培養、対数増殖期を終了し、定常期に到達した直後の時点で、通気、撹拌を停止、16時間の自然沈降により、藻類細胞と澱粉粒をデカンテーションで分離した。得られた澱粉粒は、遠心により脱水し、アセトンを加えて、常温減圧下において乾燥、97gの乾燥した細胞外放出澱粉粒が得られた。また、分離した藻類細胞を含む培養液は、分離操作前の1/10の液量(約10L)になっていたことから、これに実施例1で用いた培養培地90Lを加えて、元の培養液量(100L)として、培養タンクの通気、撹拌を再開し、32時間培養後、前記同様に澱粉粒を回収した。そして、澱粉を分離回収した細胞をさらに培養した。同様に、連続的に培養を繰り返し、澱粉粒の回収を行った。表1に、培養を行った回数と、得られた澱粉粒重量を示す。
(Example 2)
As in Example 1, Chlorella vulgaris Al-1y strain was cultured in a 200 L culture tank (fermenter) using 100 L medium, and after the logarithmic growth phase was completed and a stationary phase was reached, aeration was performed. Then, the stirring was stopped, and the algal cells and starch granules were separated by decantation by natural sedimentation for 16 hours. The obtained starch granules were dehydrated by centrifugation, added with acetone, dried at room temperature under reduced pressure, and 97 g of dried extracellular released starch granules were obtained. Moreover, since the culture solution containing the separated algal cells was 1/10 of the liquid volume (about 10 L) before the separation operation, 90 L of the culture medium used in Example 1 was added thereto, As the culture volume (100 L), aeration and agitation of the culture tank were resumed, and after culturing for 32 hours, starch granules were collected in the same manner as described above. And the cell which isolate | separated and collect | recovered starch was further culture | cultivated. Similarly, the culture was continuously repeated to collect starch granules. Table 1 shows the number of times of cultivation and the obtained starch granule weight.

Figure 2010088334
Figure 2010088334

このように、若干の変動はあるものの、安定して澱粉粒を連続的に生産できたことから、得られた澱粉を原材料にエタノールを試作製造した。前記手法で得られた澱粉粒500gを、濃硫酸50mlを含む2.5Lの水に懸濁し、10mm径のテフロン(登録商標)チューブを50mm/秒の流速で通し乍ら、2.45ギガヘルツのマイクロ波を、出力1.1kWで照射し、品温を90℃以上に30分間維持、澱粉の糖化を行った。この照射による糖化を、ソモギー-ネルソン法で還元糖量を測定して確認後、石灰乳(水酸化カルシウム:Ca(OH)2懸濁液)を添加してpH6に調整し、それに硫酸マグネシウム(MgSO4・7H2O)0.02%、リン酸水素二カリウム(K2HPO4)0.2%、および尿素((H2N2)CO)0.1%を含むように添加して醗酵用倍地とした。この糖濃度約20%となる醗酵用倍地に、予め米麹培地を用いて培養した酵母(財団法人日本醸造協会・協会7号、Saccharomyces cerevisae Kyokai No.7, Brewing Society of Japan)を500ml加え、30℃で、還元糖が無くなるまで(7日間)静置培養した。 Thus, although there was some fluctuation, since the starch granules could be stably produced continuously, ethanol was produced on trial using the obtained starch as a raw material. Suspend 500 g of starch granules obtained by the above method in 2.5 L of water containing 50 ml of concentrated sulfuric acid, and pass a 10 mm diameter Teflon (registered trademark) tube at a flow rate of 50 mm / sec. Irradiated with an output of 1.1kW, the product temperature was maintained at 90 ° C or higher for 30 minutes, and starch was saccharified. This saccharification by irradiation is confirmed by measuring the amount of reducing sugars by the Somogy-Nelson method, adjusted to pH 6 by adding lime milk (calcium hydroxide: Ca (OH) 2 suspension), and then magnesium sulfate ( MgSO 4 · 7H 2 O) 0.02%, dipotassium hydrogen phosphate (K 2 HPO 4 ) 0.2%, and urea ((H 2 N 2 ) CO) 0.1% were added to make a medium for fermentation. . 500 ml of yeast (Japan Brewing Association / Association No. 7, Saccharomyces cerevisae Kyokai No. 7, Brewing Society of Japan) previously cultivated using rice bran medium is added to the fermentation medium with a sugar concentration of about 20%. Then, static culture was carried out at 30 ° C. until the reducing sugar disappeared (7 days).

上記、酵母によるアルコール醗酵により、得られたエタノール含有・醗酵液を、ロータリーエバポレーターを用いて、減圧下50℃で2回蒸留した。この蒸留液のエタノール濃度を、フロート型比重計で測定したところ、72%で、得られた液量は306mlであった。このエタノール蒸留液に、予め乾熱乾燥したモレキュラーシーブ150gを加え24時間放置後、再度同条件で蒸留、得られた蒸留液に、予め乾熱乾燥したモレキュラーシーブ20gを加え3日間放置後、純度99%以上のエタノールが194ml得られた。   The ethanol-containing fermented solution obtained by alcohol fermentation with yeast was distilled twice at 50 ° C. under reduced pressure using a rotary evaporator. When the ethanol concentration of this distillate was measured with a float-type hydrometer, it was 72% and the amount of liquid obtained was 306 ml. To this ethanolic distillate, 150g of molecular sieves previously dried in dry heat was added and allowed to stand for 24 hours, and then distilled again under the same conditions.To the obtained distillate, 20g of molecular sieves previously dried in dry heat was added and allowed to stand for 3 days. 194 ml of 99% or more ethanol was obtained.

(実施例3)
バイオエタノール製造の原材料として、以下の産業廃棄物を使用した。炭素源としては、化学工場から排出される酢酸廃液で、酢酸イオンの濃度が20%程度のもの(pH2.5〜4.0)と、窒素源としては、畜産農家から廃棄される豚糞尿を回収し、これをメタン醗酵させることで、炭素源をメタンガスとして回収した残査から、固形物を除去した液体で、アンモニア態窒素として0.5%程度含んでいるものを用いた。また、石油、天然ガスの精製工程から燃焼排出される炭酸ガスを想定し、炭酸ガス濃度を大気の10倍濃度に調整して通気した。
(Example 3)
The following industrial wastes were used as raw materials for bioethanol production. As a carbon source, acetic acid waste liquid discharged from a chemical factory with an acetate ion concentration of about 20% (pH 2.5-4.0) and as a nitrogen source, pig manure discarded from livestock farmers is recovered. Then, a liquid obtained by removing the solid matter from the residue obtained by recovering the carbon source as methane gas by subjecting this to methane fermentation and containing about 0.5% as ammonia nitrogen was used. Also, assuming carbon dioxide gas burned and discharged from the refining process of oil and natural gas, the carbon dioxide concentration was adjusted to 10 times that of the atmosphere and ventilated.

上記廃液を、酢酸イオンが2 %、アンモニウムイオンが0.1%程度、それぞれ含まれるように混合、調整し、硫酸マグネシウム(MgSO4・7H2O)0.01%、リン酸水素二カリウム(K2HPO4)0.008%、リン酸二水素一ナトリウム(NaH2PO4)0.002%を加えて、前述の炭酸ガスを含む大気を、毎分・培地液量と同容積量を通気し、常にpHが6〜8の範囲内に入るように、酢酸廃液を用いて調整した。この廃液培地を充填した、内寸高220mm、幅100mm、厚さ20mmのガラス製扁平フラスコ(培養液量:400ml)内に、Chlorella vulgaris Al−1y株を72時間振盪(前培養)した培養液を、培地液量の1/10量移植した。このような培養基30本(総培養液量:12L)を、35℃、に調整した蛍光灯照射下4,000Luxの照度の人工気象器内で6日間培養することで、定常期に入ったことを確かめ、培養を終了し、藻類細胞と放出された澱粉粒を回収した。 The above waste liquid was mixed and adjusted to contain about 2% acetate ion and about 0.1% ammonium ion. Magnesium sulfate (MgSO 4 · 7H 2 O) 0.01%, dipotassium hydrogen phosphate (K 2 HPO 4 ) Add 0.008%, monosodium dihydrogen phosphate (NaH 2 PO 4 ) 0.002%, and vent the air containing the above carbon dioxide gas per minute at the same volume as the medium liquid volume, and the pH is always 6 ~ It adjusted using the acetic acid waste liquid so that it might be in the range of 8. A culture solution in which the Chlorella vulgaris Al-1y strain was shaken (precultured) for 72 hours in a flat glass flask (culture solution volume: 400 ml) filled with this waste liquid medium and having an inner height of 220 mm, a width of 100 mm, and a thickness of 20 mm. Was transplanted in 1/10 volume of the medium volume. By culturing 30 such culture media (total culture volume: 12L) for 6 days in an artificial meteor with illuminance of 4,000Lux, adjusted to 35 ° C under fluorescent light irradiation, Ascertained, the culture was terminated, and algal cells and released starch granules were collected.

実施例1同様の分析法により、培養液12L中に含まれる藻類細胞の乾燥重量は87gであり、細胞内に含まれる澱粉量は36g、細胞外に放出された澱粉粒は19gと測定された。得られた澱粉粒10gを、実施例2同様に糖化し、アルコール醗酵試験用装置を用いてアルコールの生産を確認した。アルコール醗酵では、生産されたエタノールと等モル(同分子数)の炭酸ガスを排出していることから、この試験装置は、培養器内で発生する水蒸気を濃硫酸でトラップし、炭酸ガスを放出させることで、重量の軽減を秤量し、生産されたエタノール量を調査するもので、少量の試験検討に用いられている。その結果、3.9gの重量軽減が認められたことから、澱粉重量の半分程度のエタノールが得られたことが示された。   According to the same analysis method as in Example 1, the dry weight of algal cells contained in 12 L of the culture broth was 87 g, the amount of starch contained in the cells was 36 g, and the starch granules released outside the cells were measured as 19 g. . 10 g of the obtained starch granules were saccharified in the same manner as in Example 2, and production of alcohol was confirmed using an apparatus for alcohol fermentation test. In alcoholic fermentation, equimolar (same number of molecules) of carbon dioxide as the produced ethanol is discharged, so this test device traps water vapor generated in the incubator with concentrated sulfuric acid and releases carbon dioxide. The weight reduction is weighed to investigate the amount of ethanol produced, and is used for a small amount of testing. As a result, a weight reduction of 3.9 g was observed, indicating that about half of the starch weight was obtained.

本発明の好適な実施例による、バイオエタノールの製造方法を示すフロー図である。1 is a flow diagram illustrating a method for producing bioethanol according to a preferred embodiment of the present invention. 実施例1における、濁度法(540nm吸光度測定)によって測定した、1.5L容小型醗酵槽(ジャーファーメンター)中でのChlorella vulgaris Al−1y株の増殖曲線。The growth curve of Chlorella vulgaris Al-1y strain | stump | stock in a 1.5L small fermenter (jar fermenter) measured by the turbidity method (540 nm light absorbency measurement) in Example 1. FIG. 実験例1における、ビルケル-チュルク型血球計算板を用いて測定した、1.5L容小型醗酵槽(ジャーファーメンター)中でのChlorella vulgaris Al−1y株の増殖曲線。The growth curve of the Chlorella vulgaris Al-1y strain | stump | stock in the 1.5L small-sized fermenter (jar fermenter) measured using the Birkel-Churk type hemocytometer in Experimental example 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

S1 一次工程、藻類培養工程
S11 光独立栄養
S12 従属栄養
S13 混合栄養による培養
S2 二次工程、澱粉分離工程
S21 自然沈降による分離方法
S22 遠心分離による方法
S23 水流による分離方法
S3 三次工程、澱粉糖化工程
S31 微生物による糖化法
S32 酵素による糖化法
S33 酸による糖化法等
S34 中和工程
S4 四次工程、アルコール醗酵工程
S5 五次工程、熱処理工程
S6 六次工程、蒸留工程
S61 常圧蒸留法
S62 減圧蒸留法
S63 振動蒸留法
S64 これらの方法を組み合わせた蒸留法
S7 脱水工程
S71 薬剤吸水による脱水法
S72 多孔質吸水による脱水法
S73 吸水材を用いる脱水法
S74 これらの方法を組み合わせた脱水法
S1 Primary process, algae culture process
S11 Light autotrophic
S12 heterotrophic
S13 Culture by mixed nutrition
S2 Secondary process, starch separation process
S21 Separation method by natural sedimentation
S22 Centrifugal method
S23 Water separation method
S3 Tertiary process, starch saccharification process
S31 Saccharification by microorganisms
S32 Enzymatic saccharification method
S33 Saccharification method with acid, etc.
S34 Neutralization process
S4 Quaternary process, alcohol fermentation process
S5 Fifth process, heat treatment process
S6 Sixth process, distillation process
S61 atmospheric distillation
S62 vacuum distillation
S63 Vibration distillation method
S64 Distillation method combining these methods
S7 Dehydration process
S71 Dehydration method by drug absorption
S72 Dehydration by porous water absorption
S73 Dehydration method using water-absorbing material
S74 Dehydration method combining these methods

Claims (11)

澱粉を製造する方法であって、
(a)細胞外に澱粉を放出する藻類を培養する工程、
(b)培養物を静置し、放出された澱粉と藻類を分離する工程、および
(c)分離された澱粉を回収する工程、を含む方法。
A method for producing starch, comprising:
(A) culturing an algae that releases starch outside the cell;
(B) A method comprising standing the culture and separating the released starch and algae, and (c) collecting the separated starch.
さらに、
(d)工程(c)により回収されずに残された藻類をさらに培養する工程、および
(e)工程(b)から(d)を繰り返すことを含む、請求項1に記載の方法。
further,
The method according to claim 1, comprising (d) further culturing algae left unrecovered by step (c), and (e) repeating steps (b) to (d).
請求項1または請求項2に記載の方法により澱粉を製造した後、
(f)請求項1または請求項2で回収された澱粉を糖化する工程、および
(g)澱粉の糖化物をアルコール発酵する工程
を含む、エタノールを製造する方法。
After producing starch by the method according to claim 1 or claim 2,
(F) The method of manufacturing ethanol including the process of saccharifying the starch collect | recovered by Claim 1 or Claim 2, and the process of (g) alcohol-fermenting the saccharified substance of starch.
さらに、
(h)澱粉を糖化する工程の前、または澱粉を糖化する工程時に、密閉型パイプライン中において澱粉にマイクロ波を照射する工程、
を含む、請求項3に記載のエタノールを製造する方法。
further,
(H) a step of irradiating the starch with microwaves in a closed pipeline before the step of saccharifying starch or during the step of saccharifying starch;
The method of manufacturing ethanol of Claim 3 containing this.
藻類を培養する工程(a)が、炭酸ガスと光照射による光独立栄養により培養することを含む、
請求項1から4のいずれかに記載の澱粉またはエタノールを製造する方法。
The step (a) of culturing the algae includes culturing by photoautotropy by carbon dioxide and light irradiation,
The method to manufacture the starch or ethanol in any one of Claim 1 to 4.
藻類を培養する工程(a)が、有機物添加による従属栄養による培養と、炭酸ガスと光照射による光独立栄養による培養を並行して行うことを含む、
請求項1から4のいずれかに記載の澱粉またはエタノールを製造する方法。
The step (a) of culturing algae includes performing culture by heterotrophic by adding organic matter and culture by photoautotrophic by carbon dioxide and light irradiation,
The method to manufacture the starch or ethanol in any one of Claim 1 to 4.
藻類を培養する工程(a)が、炭素源として有機酸廃液を用いて行われる、
請求項1から6のいずれかに記載の澱粉またはエタノールを製造する方法。
The step (a) of culturing the algae is performed using an organic acid waste liquid as a carbon source.
A method for producing the starch or ethanol according to any one of claims 1 to 6.
藻類を培養する工程(a)が、炭素源として工業的に排出される二酸化炭素(炭酸ガス)または炭酸塩を用いて行われる、
請求項1から6のいずれかに記載の澱粉またはエタノールを製造する方法。
The step (a) for culturing algae is performed using carbon dioxide (carbon dioxide) or carbonate that is industrially discharged as a carbon source.
A method for producing the starch or ethanol according to any one of claims 1 to 6.
放出された澱粉と藻類を分離する工程(b)が、デカンテーションまたは水流により、澱粉と藻類を分離することを含む、請求項1−8のいずれかに記載の澱粉またはエタノールを製造する方法。   The method for producing starch or ethanol according to any one of claims 1 to 8, wherein the step (b) of separating released starch and algae includes separating starch and algae by decantation or water flow. 藻類がクロレラである、請求項1−9のいずれかに記載の澱粉またはエタノールを製造する方法。   The method for producing starch or ethanol according to any one of claims 1 to 9, wherein the algae is chlorella. クロレラがクロレラ・ブルガリスAl−1y株である、請求項10に記載の澱粉またはエタノールを製造する方法。   The method for producing starch or ethanol according to claim 10, wherein the chlorella is Chlorella vulgaris Al-1y strain.
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