〔生物工学会誌

第 98 巻第2号

62–66．2020〕2019 年度 生物工学技術賞 受賞

選択的発酵酵母を利用した
砂糖・バイオエタノール逆転生産プロセスの開発
小原聡 1*・寺島義文 2・杉本明 3・福島康裕 4・菊池康紀 5

Development of the ,QYHUVLRQSURFHVV using a selective-fermentation yeast
Satoshi Ohara1*, Yoshifumi Terajima2, Akira Sugimoto3, Yasuhiro
Fukushima4, Yasunori Kikuchi5 (15HVHDUFK&HQWHUIRU$GYDQFHG
6FLHQFHDQG7HFKQRORJ\7KH8QLYHUVLW\RI7RN\R.RPDED
0HJXURNX 7RN\R , 2 -DSDQ ,QWHUQDWLRQDO 5HVHDUFK&HQWHU IRU $JULFXOWXUDO 6FLHQFHV  0DH]DWRNDZDUDEDUX,VKLEDNL 2NLQDZD , 36XJDUFDQH &RQVXOWDQW 
1LVKLQRRPRWH 1LVKLQRRPRWH .DJRVKLPD , 4'HSDUWPHQW
RI&KHPLFDO(QJLQHHULQJ7RKRNX8QLYHUVLW\$UDPDNLD]D
DRED $REDNX 6HQGDL 0L\DJL , 5,QVWLWXWH IRU )XWXUH,QLWLDWLYHV 7KH 8QLYHUVLW\ RI 7RN\R  +RQJR %XQN\RNX
7RN\R), Seibutsu-kogaku 98: 62–66, 2020

はじめにのサトウキビ品種を開発するなかで，筆者らの研究チー
ムも食料増産型のエタノール生産 1) を目指して多収性を世界的な人口増加に伴う将来的な食料・エネルギー不特徴とする品種 KY01-2044 を開発した 2)（アサヒビー

足が予測されるなか，植物資源を用いた食料とバイオエ

ルと農業・食品産業技術総合研究機構九州沖縄農業研究

ネルギーの増産が望まれる．サトウキビは単位収量が高センターとの共同研究）．KY01-2044 は台風や干ばつにく，主に砂糖原料となるショ糖と，エタノール原料とな比較的強く（耐倒伏性，耐乾性），不良環境において多る還元糖（ブドウ糖，果糖）を蓄積するため，小面積で収性を発揮するため，サトウキビ生産者の収益性や製糖多くの砂糖（食料）とエタノール（バイオ燃料）の生産工場の原料調達の安定性の面では優れた原料である．しを可能とする作物である．サトウキビから砂糖（粗糖）かしながら，このような特徴を持つ多収性品種では還元を製造する現在の製糖プロセスは 1840 年代にほぼ完成

糖含有率の高さが課題になる．還元糖は搾汁の粘性を高され，サトウキビから糖液を搾った後の繊維分（バガス）くするため，砂糖結晶化の阻害物質である 3)．還元糖がをボイラーで燃焼して蒸気と電力を生成し，そのエネル多い場合は砂糖結晶の成長と糖蜜分離が阻害され，砂糖ギーを利用して，糖液から砂糖の生産を行っている．

回収率および砂糖品質が低下し，副産物の糖蜜生産量を1970 年代以降は，砂糖抽出後の液体残渣（糖蜜）から増やす結果となる．これでは糖蜜からのエタノール生産エタノールを生産し，さらに，余剰電力を売電する砂糖・量は増えるものの，砂糖生産量を減らし，食料競合の問エタノール・電力の複合生産システムが提案され，世界題を引き起こしかねない．そのため，多収性品種はこれ各国で普及してきた．

まで製糖産業に受容されず産業上利用されてこなかっ従来の複合生産システムでは，優良農地の減少や異常た．さらに，従来の製糖工場の工場稼働率の低さの原因

気象に伴う原料調達量の減少と不安定さ，工場稼働率のも，還元糖含有率が低くショ糖含有率の高い時期（つま低さが課題である．単位面積あたりの砂糖・エタノール・り砂糖回収率の高い時期）しか操業していないことに起電力の生産量を増やす目的で，世界の研究機関が多収性因している．これまでクロマト分離のような還元糖分離

著者紹介

62

12

東京大学先端科学技術研究センター（特任准教授） E-mail: ohara@enesys.rcast.u-tokyo.ac.jp
国際農林水産業研究センター，3 サトウキビコンサルタント，4 東北大学，5 東京大学

生物工学

第98巻第2号（2020）

方法 4) も提案されているが，高コストなどの理由から導このような酵母をサトウキビ搾汁に加えると，ショ糖を入に至っていない．そこで還元糖除去とエタノール製造

すべて還元糖に分解して，元々存在した還元糖とともにを同時に行う逆転生産プロセスの開発に至った．

すべてエタノールに変換してしまう．そのため，サトウ

逆転生産プロセスの開発
逆転生産プロセスは，サトウキビ産業の歴史の中で常キビを原料としたバイオエタノール生産では，まず搾汁中の貴重なショ糖を砂糖として回収して，その後に残ったショ糖と還元糖を含む糖蜜をエタノールに変えてき識であった，砂糖製造の後にエタノールを製造するといた．一方，逆転生産プロセスに利用する選択的発酵酵母

う従来の生産順序を世界で初めて逆転させ，エタノール（たとえば，6DFFKDURP\FHVGDLUHQHQVLV6)）は，何らか製造後に砂糖を生産するプロセスである 5)（図 1）．第一の理由でインベルターゼを産生もしくは放出しないた段階で，サトウキビ搾汁に選択的発酵酵母（ショ糖を資め，ショ糖を分解できず，搾汁中に元々存在した還元糖化せず還元糖のみを選択的にエタノールに変換する酵のみを選択的にエタノールに変換する（図 2）．このよう母）を添加し，砂糖製造の阻害因子である還元糖のみをな選択的発酵酵母は 1900 年代初頭に報告されているが，選択的にエタノールへと変換する．ショ糖とエタノール

その産業利用はオリゴ糖製造 8) など数少ない．

を含む発酵液を加熱・濃縮することにより，蒸発したエ

逆転生産プロセスでは，従来の砂糖とエタノールの生タノールの回収と同時に高純度のショ糖含有シラップが産順序を逆転させるが，実際は既存の製糖工場の清浄工得られる．第二段階で高純度のショ糖含有シラップから程と濃縮工程の間にバイパスラインとして選択的発酵設

砂糖を高効率に結晶化させる．

備（発酵槽，熱交換器など）を接続・挿入することで，一般にアルコール産業で使われる酵母は，ショ糖分解．選択的比較的容易に製糖工場に導入可能である（図 3）酵素であるインベルターゼを生産し，菌体外に放出する．

発酵後の発酵液に含まれるエタノールは，製糖工場の濃図 1．従来プロセスと逆転生産プロセス

図 2．選択的発酵酵母 6GDLUHQHQVLV の発酵経過例 7)

図 3．製糖工場に逆転生産プロセスを導入した場合のプロセスフロー

生物工学

第98巻第2号（2020）

63縮工程において回収できるため，新たに発酵液からエタ因であった還元糖が除去されるため，砂糖と糖蜜の分離ノールを分離回収する装置は不要である．

性が向上し，砂糖表面に付着して残る糖蜜が減少する．

逆転生産プロセスのメリット
図 4 にラボスケールにおける砂糖の結晶化試験の結果を示す 5)．逆転生産プロセスでは，還元糖の選択的変換・その結果，砂糖品質（ショ糖純度）が向上するという副次的効果も得られる．
逆転生産プロセス用酵母 GYK-10 株の開発て，その差が顕著である．従来，還元糖比率の高い夏季

ショ糖非資化性を有する選択的発酵酵母として，S.
GDLUHQHQVLV（NBRC0211）6)，6WUDQVYDDOHQVLV（NBRC1625）9)，
6URVLQLL（NBRC10008）10)，=\JRVDFFKDURP\FHVELVSRUXV（NBRC1131）6) など 18 属 71 種が報告されている．実際にはサトウキビの収穫・砂糖生産が実施されてこなかった

逆転生産プロセスを製糖工場に導入するためには，食品が，本技術によって収穫期間の大幅な延長が世界的に可工場で利用可能な酵母菌株である 6 FHUHYLVLDH を利用す能になる．その結果，工場・収穫機械の稼働率，土地・る必要がある．そこで，ショ糖非資化性，高エタノール労働力の利用効率が向上し，原料および製品の生産コス発酵性に加えて，連続発酵時の分離性向上のために，凝トの低減および農業経営の高度化が図られる．さらに，集性（撹拌を停止させると酵母同士が凝集し沈降する性逆転生産プロセスと多収性品種との組合せにより，食料質）を併せ持つ逆転生産プロセス用酵母 GYK-10 株（6

競合の解消（砂糖・エタノールの同時的増産）が可能にの効率化，安定化，増産がもたらされるというパラダイFHUHYLVLDH）を開発した 11)．まず，ショ糖非資化性酵母NBRC10055（6FHUHYLVLDH）と凝集性酵母 SDT 株（6FHUHYLVLDH）を親株として，菌株接合を行い，スクリームシフトが起こる．加えて，搾汁や糖蜜の粘度上昇の原ニングにより選抜した．続いて，黒糖ベース培地を用い除去により，砂糖回収率（ショ糖の結晶化効率）が飛躍的に向上する．特に純糖率（全可溶性固形分に占めるショ糖の割合）が低い，つまり還元糖を多く含む搾汁においなる．つまり，エタノールを生産することで，食料生産て，100 L スケールでの回分発酵（発酵温度 30 °C，5 h
サイクル：発酵時間 4 h ＋静置・上清分離 1 h）を 10 回連続で実施し，選抜した GYK-10 株の選択的発酵の安定性を確認した（図 5）．
単位面積あたりの砂糖・エタノールの生産性
世界の主要なサトウキビ生産地域において，品種とプロセスの組合せを変えた場合の砂糖・エタノールの生産性シミュレーションを実施した．結果を表 1 に示す 5)．
日本やオーストラリアでは，多収性品種の導入により
図 4．砂糖回収率の比較 7)

砂糖とエタノールが共に増産し，逆転生産プロセスを組

図 5．逆転生産プロセス用酵母 GYK-10 株の安定性試験 11)

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生物工学

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表 1．シミュレーションによる生産性の変化 5)サトウキビ情報
国名

日本
ブラジル
タイ
アメリカ
オーストラリア

品種名

タイプ

単位収量［t/ha］

純糖率［％］NiF8
KY01-2044
RB72454
RB867515
K84-200
MPT00-478
CP65-357
L79-1002
Q177
KQ04-6003

製糖用品種
多収性品種
製糖用品種
多収性品種
製糖用品種
多収性品種
製糖用品種
多収性品種
製糖用品種
多収性品種

75.2
101.3
89.8
103.2
91.4
137.4
73.3
177.2
65.0
128.0

85
78.3
83.3
73.5
79.7
57.4
92.7
74.2
88.2
79.2

生産量（シミュレーション結果）
従来プロセス
逆転生産プロセス
砂糖
エタノール
砂糖
エタノール
［t/ha］［t/ha］［t/ha］［t/ha］

8.2
8.4
10.2
6.9
12.5
3.5
13
11.5
9.3
13.5

1.2
2.1
1.7
2.6
2.7
9.7
0.7
4.1
0.9
3.1

9.1
9.9
11.4
8.8
14.5
11.613.314.6
9.8
15.7

0.8
1.4
1.1
1.7
1.9
5.6
0.6
2.7
0.7
2.1

み合わせることで更なる砂糖増産が見込めるという結果

い出しを繰り返すことで，検出菌濃度が 102 cells/mLが得られた．特にオーストラリアでは多収性品種と逆転オーダーに抑えられ，ショ糖残存率や還元糖除去率など生産プロセスの組合せにより，砂糖が従来の 1.5 倍以上への影響は見られなかった．

（9.3 → 15.7 t/ha）， エ タ ノ ー ル が 2 倍 以 上（0.9 → 2.1t/ha）増産できる可能性が示された．一方で，世界最大経済性検討結果のサトウキビ生産国であるブラジルでは同時増産の効果フィリピンの製糖工場（4,500 t-sugarcane/d 規模）に，が見込めないという結果になった．タイやアメリカでは，多収性品種と逆転生産プロセスを導入した場合の経済性

多収性品種の導入だけでは砂糖減産量が大きくなるが，検討を行った 13)．事業期間を 20 年に設定し，年度ごと逆転生産プロセスを組み合わせることで，砂糖減産を抑の技術導入計画を作成し，それに必要な設備投資額や労えつつ，エタノールを増産できることが分かった．一般

務費の計画，年度ごとの原料調達量や補助原料・副資材に，生産性は複数年度にわたる実際のデータを基に評価の購入量，製品生産量（砂糖，エタノール，電力）のシをする必要があるため，上記はあくまで参考値ではある

ミュレーションを実施した．コストデータはすべて現地ものの，品種やプロセスの選択幅が広がったことで，地のフォアグラウンドデータを収集し，工場の設備投資額域の事情に適したシステム設計が可能になった意義は大の算出については，プラントエンジニアリング会社と共きい．

同で最終的な設備投資額を決定した．さらに，資金調達製糖工場でのプラント実証試験手段や元本返済計画・配当金支払計画なども加えて，事業期間全体のキャッシュフローシートを作成した．

種子島（鹿児島県）にある既設の製糖工場（新光糖業

技術導入によって，砂糖生産量は現状比 1.95 倍の 9.7（株）中種子工場）内に，逆転生産プロセスのパイロッ

万 t/year に，エタノール生産量は 2.7 万 kL/year に増加

トプラント設備（2,000 L 発酵タンク 3 基，チューブ式する．設備投資額が約 111 億円（うち逆転生産プロセス

熱交換器，1,500 L 酵母培養槽 1 基，2,000 L バッファー，総事業投資額が約 133 億円，事業投資指
設備 7.4 億円）

タンク 1 基）を設置し，実際のサトウキビ搾汁を用いた標である内部利益率（IRR）が 14.9 ％，投資回収年数

選択的発酵工程の実証試験を実施した

12)．酵母は GYK-10 株を用い，発酵温度 35 °C で，発酵時間 3 h サイクル
（ 搾 汁 受 入 1 h ＋ 発 酵 1 h ＋ 静 置 30 min ＋ 上 清 払 出
20 min ＋待機 10 min）の回分発酵を 70 回連続で行った．

が 6.4 年と試算され，新規技術の導入リスクは伴うものの，事業性ありという結果が得られた．
温室効果ガス排出削減効果

発酵後の酵母は発酵槽内に残し，入れ替えることなく，製糖工場（種子島）に従来の砂糖・エタノール複合生繰り返し使用した．結果，自動運転で 70 回連続発酵に産システムと逆転生産システムを導入した場合のライ成功した．平均ショ糖残存率は 99.5 ％，平均還元糖除フサイクル全体からの温室効果ガス（Greenhouse Gas：去率は 88.4 ％という良好な結果が得られた．搾汁中にGHG）排出量の評価を行った（図 6）14)．

混入した芽胞由来の微生物（&ORVWULGLXPEHLMHULQFNLL）の逆転生産システムを導入する場合，製品の累積製造コンタミは観察されたが，短時間で搾汁による希釈と払GHG 排出原単位が増加するものの，ライフサイクル全生物工学

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現在，オーストラリアの製糖工場への第 1 号導入プロ
ジェクトが進行中であり，日本発のイノベーションとして世界の食料・再生可能エネルギー生産への貢献が期待される．
謝辞本技術開発は，2001 年のアサヒビール（株）における新規事業提案から始まり，九州沖縄農業研究センター，東京大学，東北大学，新光糖業（株），住友商事（株），国際農林水産業研究センター，日揮（株）などとの約 20 年にわたる産学連携研究の成果です．これまで関係したすべての方々に感謝申し上げます．特に，逆転生産プロセス用酵母の開発を中心的に進めたアサヒビールの加藤拓主任研究員，実証試験を共に進めたバイオエタノール技術開発部のメンバーに深謝致します．
さらに，実証試験で協力をしてくださった沖縄県伊江村，新光糖業の皆様，多くの貴重なアドバイスを頂きました東京大学の迫田章義教授，大久保達也教授，平尾雅彦教授に心から感謝申し上げます．
図 6．ライフサイクル全体の GHG 排出量（日本 LCA 学会誌 14)より転載）

体では，現状システムと比較して 1.49 t-CO2-eq./(ha･year)の GHG 排出削減ポテンシャルがあることが分かった．
従来型システムを導入した場合も製品の GHG 排出原単位が増加するものの，ライフサイクル全体では現状シス
テムと比較して 0.72 t-CO2-eq./(ha･year) の GHG 排出削減ポテンシャルがあることが分かった．逆転生産システ
ムは GHG 排出削減に効果があることが定量的に示された．
まとめ
人口増加と優良農地の不足が共存する状況下，従来の製糖技術だけでは，今後の食料・エネルギー供給の不足は必至であるが，逆転生産プロセスと多収性サトウキビとの組合せにより，食料増産を伴う新たな世代のバイオ燃料生産システム（砂糖・エタノールの同時的増産＋バガス発電による工場エネルギー自給と売電）が可能になり，物質循環型の高収益産業が展開できるようになる．
また，従来は還元糖比率の高い夏季にサトウキビの収穫・砂糖生産が実施されてこなかったが，本技術によって収穫期間の大幅な延長が世界的に可能になる．その結果，工場・収穫機械の稼働率，土地・労働力の利用効率が向上し，原料および製品の生産コストの低減および農業経営の高度化が図られる．
本技術は世界の製糖工場に比較的容易に導入可能であり，従来のサトウキビにおいても砂糖増産が可能となる．

66

文献1) 小原 聡，寺島義文，杉本 明，早野達宏，氏原邦博，下ヶ橋雅樹，迫田章義：日本エネルギー学会誌，84, 923–928(2005).
2) 寺島義文，寺内方克，境垣内岳雄，服部太一朗，藤崎成博，照屋寛由，内藤 孝，大工正信，松岡 誠，小原 聡，伊禮 信，氏原邦博，杉本 明：第 229 回日本作物学会講演会要旨集，p. 124 (2010)3) Hook, A. V.: ,QG(QJ&KHP, 38, 50–53 (1946).
4) Kochergin, V., Keamey, M., Jacob, W., Velasques, L.,
Alvarez, J., and Baez-Smith, C.: 3URF6$IU6XJ7HFKQRO
$VV, 74, 62–69 (2000).
5) Ohara, S., Fukushima, Y., Sugimoto, A., Terajima, Y.,Ishida, T., and Sakoda, A.: %LRPDVV%LRHQHUJ\, 42, 78–85 (2012).
6) Naganishi, H.: %RW0DJ7RN\R, 31, 107–115 (1917).
7) Ohara, S., Kato, T., Fukushima, Y., and Sakoda, A.: -%LRVFL%LRHQJ, 115, 540–543 (2013).
8) 藤田孝輝：バイオセパレーションプロセス便覧，pp.
196–201，共立出版，東京 (1996).
9) van der Walt, J. P.: $QWRQLH9DQ/HHXZHQKRHN, 22, 190–192 (1956).
10) Vaughan-Martini, A., Barcaccia, S., and Pollacci, P.: ,QW
-6\VW%DFWHULRO, 46, 615–618 (1996).
11) Kato, T., Ohara, S., Fukushima, Y., Sugimoto, A.,
Masuda, T., Yasuhara, T., and Yamagishi, H.: -%LRVFL%LRHQJ, 122, 58–63 (2016).
12) Ohara, S., Kitai, K., Sugimoto, A., Hamada, Y., Hidaka,H., Shioura, M., O’Hara, I., and Yasuhara, T.: 3URF,QW
6RF6XJDU&DQH7HFKQRORJLVWV, 29, 615–621 (2016).
13) 小原 聡，菊池康紀：日本 LCA 学会誌，15, 325–331(2019).
14) 小原 聡，菊池康紀，大内田弘太朗，杉本 明，服部太一朗，安原貴臣，福島康裕：日本 LCA 学会誌，15,86–100 (2019).

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