◆ 革新的環境技術シンポジウム◆

2010年2月3日

バイオリファイナリーの実用化に向けて−バイオマス資源からのエネルギー・化学品生産−(財)地球環境産業技術研究機構（RITE）
バイオ研究グループ
湯川 英明

セルロースエタノール実証計画 in 米国企業

生産開始
時期

醗酵方法

生産規模
(万kL/y)

酵素供給元

微生物

POET（Broin）

2011→ 2011

C5C6同時9.5

Novozymes

Z. mobilis

Vercipia (Verenium/BP)

2010→ 2012

2段発酵

13.6

自社酵素

E.coli KO11
K. oxytoca BW34

Verenium2009→ 2009

2段発酵

0.6

自社酵素

E.coli KO11
K. oxytoca BW34

Mascoma

2009→ 2012

CBP

7.6

Genencor,
自社酵素

Yeast
Themophilic anaerobe

Bluefire Ethanol Inc.

2009

→ 2012

C5C6同時

7.2

酸加水分解

Yeast

Abengoa2011→ 20122段発酵

4.4

Novozymes,
Genencor, Dyadic,DSM

DuPont Danisco Cellulosic
Ethanol

2012→ 2010C5C6同時

0.1

Genencor

Z. mobilis

American Energy Enterprises

2010→mid 2010

C5C6同時

5.7

酸加水分解

Yeast

Pacific ethanol

2009→4Q, 2010

2段発酵

1.0

Novozymes

Yeast
Themophilic anaerobe

KL Energy / Western Biomass
Energy2007→ 2008

C6のみ利用

0.6

Novozymes

Yeast

2

バイオエタノール・ガソリン・トウモロコシ価格推移

3

食料との競合

食料資源（トウモロコシ等）

食資源価格の高騰
（趨勢）

非食料資源
（セルロース類）

企業のCSR

技術革新（生き残り）（システムバイオロジー）4

バイオリファイナリー
非可食セルロース（増殖非依存型バイオプロセス）
反応槽に微生物を高密度充填し反応する。

C6糖 ６C5糖 ５C3プロパノール

混合糖完全同時利用可

発酵阻害物質耐性

C2
エタノール

高生産性

C4ブタノール等

菌体触媒
（非増殖）

芳香族類
カルボン酸
アミン等

グリーン化学品適合化学反応技術＜RITEバイオプロセス＞

自動車部材、包装材
電気製品部材、炭素繊維
各種樹脂 等

バイオ燃料（エタノール、ブタノール他）
5

RITEバイオプロセス
増殖非依存型バイオプロセス
反応槽に微生物を高密度充填し反応する。

JP-Patent 3869788
INDIA 209524
USA 7368268 B2

混合糖完全同時利用可
C5、C6糖
高生産性

生産物
バイオ燃料

発酵阻害物質耐性
菌体触媒
（非増殖）

バイオ化学品

微生物が増殖しないため、‐ 増殖のためのエネルギーロスがなく、‐ 原料収率が高い。
‐ システムが簡便である。

既存バイオプロセス（醗酵法）
微生物が増殖しながら物質を生成する。

‐ 微生物が増殖するため、スペースが‐ 必要であり巨大な反応槽が必要となる。

増殖‐ 生産（反応）時間は微生物の増殖に‐ 依存する。

6増殖非依存型バイオプロセスに至る研究経緯
Serendipity： コリネ型細菌の隠れた性質の発見
コリネ型細菌： 工業微生物として各国で広く使用
好気性細菌として知られていた。
嫌気条件下： 増殖停止
嫌気条件下： 嫌気代謝系機能発現
好気代謝系

RITE菌
Corynebacterium glutamicum

嫌気代謝系

代謝系のShift

Serendipity： 掘出し物を偶然見つける才能
Serendipity： 予期することなく大きな発見をする能力
7

Corynebacterium glutamicum
日本企業の研究陣によりアミノ酸（グルタミン酸）の生産菌として“発見”- 現在、各種アミノ酸、核酸、ビタミン等の生産に用いられている。
- 世界各国の「醗酵工業」の基盤となっている。

EU： 大型研究プロジェクトとして注力- 工業的重要性を認識- 応用を見据えた幅広い基礎研究を強力に推進

RITEの学術上の強力なライバル
参考）最近の学術論文数
Name

論文数（2000年〜）

Name

論文数（2000年〜）

Yukawa H59

Kramer R64

Sahm H46

Eikmanns B

40

Kalinowski J648Corynebacterium glutamicum
好気条件： 活発な増殖
嫌気条件： 増殖停止
嫌気条件： 代謝系； 好気代謝 → 嫌気代謝系
代謝系のShift

Corynebacteriumの類縁微生物種
同様の性質を有する
詳細検討、論文準備中

結核菌

出典： NIAID Research Agenda June 6, 2007

増殖非依存型バイオプロセスに関する世界の研究動向
微生物の増殖と生産Phaseの分離を図る、すなわち増殖非依存型バイオプロセスに類似する研究が始まっている。（Trends Biotechnol. (2008) 26:100-108）

EUの大型研究プロジェクト
コリネ型細菌の工業的重要性を認識
さらに、増殖抑制条件下での物質生産研究を開始（Appl. Environ. Microbiol. (2007) 73:2079-2084）

2009年8月末： “RITE知見”の追試論文公表
11

増殖と生産物収率の関係

理想改良株

生産物収率100

生産株

8060

現実の工業的生産株の領域

40200 0自然株
20406080

100

増殖度2009年5月 31st Symposium on Biotechnology for Fuels and Chemicals
Genomatica社 発表資料を一部改変

増殖非依存型バイオプロセス developed by RITE
XyloseGlucosePTSPEPP15),12),17),19),23),21),22)

EM pathwayP4),3)

5),6)

NADPH

PP pathway

G-6-P
F-6-P
NADP+
6-PGlucono-lactone

F-1,6-P2

Arabinose

Pentosetransporter

PYR
NADP+P3),2),4)

6-PGluconate

GAP
DHAPP8),15),16),20)
NAD+
GAPDH
NADH

Rib5P

PGP

Arabinose
araA
Ribulose
XylulosearaB
xylB
Ribulose-5P
NADPH
araD
XylosexylA

Ribu5P

Xlu5P

GAP

Sed-7-P

F-6-P
F-6-P
GAP

Ery-4-PPEP

PYR
P9)

L-AlanineP14),11),13),14)

D-Lactic acidP13),P14),P16),P17),
P18),P19),P20),7)

P14),9)L-Lactic acid

Ethanol

P1),P2),1)

P10),P11),P12),
P14),8),10)

Isopropanol

Succinic acid

Patent application / registration by RITE

Publication by RITE

P1) WO2009028582
P2) WO2009131040
P3) PCT/JP2009/060637
P4) JP2009050236(A)P5) JP2009083668
P6) JP2009039031
P7) JP2009183259
P8) JP2007295809
P9) JP2007043947
P10) EP1647594A1

1) Appl. Microbiol. Biotechnol. 77:1219-1224. 2008.
2) Appl. Environ. Microbiol. 72:3418-3428. 2006.
3) Appl. Microbiol. Biotechnol. 77:1053-1062. 2008.
4) Appl. Microbiol. Biotechnol. 81:691-699. 2008.
5) Appl. Environ. Microbiol. 75:3419-3429. 2009.
6) Appl. Microbiol. Biotechnol. 85:105-115. 2009.
7) J. Mol. Microbiol. Biotechnol. 8:243-254. 2004.
8) J. Mol. Microbiol. Biotechnol. 7:182-196. 2004.
9) Appl. Microbiol. Biotechnol. 68:475-480. 2005.

P11) WO2005010182A1
P12) US7368268
P13) JP4294373
P14) JP3869788
P15) JP4171265
P16) EP1291428A1P17) US7598063
P18) CN1436240
P19) IN209524
P20) JP2002510689

Branched-chain
P9)amino acids(L-Valine )10) Appl. Microbiol. Biotechnol. 81:459-464. 2008.
11) Appl. Microbiol. Biotechnol. 78:449–454. 2008.
12) Microbiology 155:3652-3660. 2009.
13) J. Bacteriol. 191:4251-4258. 2009.
14) Appl. Microbiol. Biotechnol. 83:315-327. 2009.
15) J. Bacteriol. 191:968-977. 2009.
16) Appl. Microbiol. Biotechnol. 81:291-301. 2008.
17) Appl. Microbiol. Biotechnol. 78:309-318. 2008.
18) J. Mol. Microbiol. Biotechnol. 15:16-30. 2008.

P5)

IsobutanolP6),P7),18)Butanol19) Microbiology 154:264-274. 2008.
20) J. Mol. Microbiol. Biotechnol. 8:91-103. 2004.
21) Biochem. Biophys. Res. Commun.
289:1307-1313. 2001.
22) J. Biosci. Bioeng. 92:502-517. 2001.
23) Microbiology 149:1569-1580. 2003.

13

Genome engineering technologies in C. glutamicum
Multiple gene integrations and deletions

Whole genome sequence wasdetermined•Integration of useful genes

RNAPolymerase

TranscriptionACGGU• Deletion ofunnecessary pathways• Single genedisruptant libraries

mRNAEnzymes

CGAUUACC

Ribosome

C. glutamicum
genome3.3 MbPublications

DNAs

Protein synthesis（Translation）

Integrating/ strengthening
the necessary reaction pathway

1) Appl. Environ. Microbiol. 71:407-416. 2005.
2) Microbiology 151:501-508. 2005.
3) Appl. Microbiol. Biotechnol. 67:225-233. 2005.
4) Appl. Environ. Microbiol. 71:3369-3372. 2005.
5) J. Mol. Microbiol. Biotechnol. 8:243-254 2005.
6) Appl. Environ. Microbiol. 71:7633-7642. 2005.
7) Appl. Environ. Microbiol. 71:8472-8480. 2005.
8) Appl. Microbiol. Biotechnol. 69：151-161. 2005.
9) Appl. Environ. Microbiol. 72:3750-3755. 2006.
10) Appl. Microbiol. Biotechnol. 74:1333-1341. 2007.
11) Biosci. Biotechnol. Biochem. 71:1683-1690. 2007.
12) Appl. Microbiol. Biotechnol. 77:871-878. 2007.
13) Appl. Microbiol. Biotechnol. 79:519-526. 2008.

14

エタノール生産性
C5、C6同時利用

発酵阻害物質に対する耐性◎(＞100)△×○(1-5)◎(＞100)△×Escherichia coli○(1-2)○(50-60)○×

増殖非依存型バイオプロセス◎(＞10)◎(＞90)◎◎

生産性（g/l/h）

最終濃度(g/l)＞1＞ 40

Saccharomyces cerevisiae○(1-2)

Zymomonas mobilis

菌株

要求される仕様 1）1) Appl Microbiol Biotechnol. 63:258-266. (2003)15

コハク酸生産性
最終濃度(g/l)

生産性（g/l/h）

A. Succiniciproducens

50

2.1

United States Patent
5143834 (1992)

A. Succiniciproducens

84

10.4

Biotechnol Bioeng.
99:129-135. (2008)

A. succinogens FZ53

106

1.4

United States Patent
5573931 (1996)

E. coli NZN111

28

0.7

Appl Environ Microbiol.
73:7837-7843. (2007)

E. coli AFP111/pTrc99A-pyc

99

1.3

J Ind Microbiol Biotechnol.
28:325-332. (2002)

増殖依存型バイオプロセス（条件1）1463.2

Appl Microbiol Biotechnol.
81:459-464. (2008) (RITE論文)

増殖依存型バイオプロセス（条件2）

83

11.8

Appl Microbiol Biotechnol.
81:459-464. (2008) (RITE論文)

菌株

Reference16

D-乳酸生産性
最終濃度(g/l)

生産性（g/l/h）

Lactobacillus delbrueckii

63

1.3

Macromolecul Biosci.
4: 1021-1027. (2004)

E.coli RR1

62

2.1

Appl Environ Microbiol.
65: 1384-1389. (1999)

E. coli W3110 SZ63

49

0.5

Appl Environ Microbiol.
69: 399-407. (2003)

E. coli MT-10934/pGlyldhA

65

1.3

特開2005-102625 (2005)

Saccharomyces cerevisiae OC2621.4

J Biosci Bioeng.
101: 172-177. (2006)

E. coli SZ194

92

2.1

Biotechnol lett.
28: 663-670. (2006)

増殖非依存型バイオプロセス

110

40.0

Appl Microbiol Biotechnol.
78: 449–454. (2008) (RITE論文)

菌株

Reference

17

RITEバイオプロセス 研究状況及び今後の展開
バイオ燃料
セルロース・エタノール： ベンチ／パイロット研究、ビジネスプラン策定
セルロース・ブタノール： 基礎研究段階、研究加速
水素、脂肪酸： 調査研究グリーン化学
技術実証生産へ全力
研究対象物質（製品群）拡大へ- 芳香族化合物- アミノ酸（飼料用途アミノ酸）18

次世代バイオ燃料：バイオブタノール

エネルギー密度高、パイプライン可期待される用途
航空機

船舶

ハイブリッド車

農・土木車輌ディーゼルエンジン車

実用化に向けて：技術研究組合の設立
旧「鉱工業技術研究組合」制度改正 （2009.6）- 企業と公的研究機関との共同研究が可能- ２者から組合設立可能- 共同研究終了後営利会社化し、そのまま事業化可能

企業賦課金

株式会社

技術研究組合

RITE

合同会社

知財等

事業化
20

飼料用アミノ酸革新製法確立へ向けて
飼料用アミノ酸の必要性
人口増加、穀物飼料∝食料、BSE対策等

現在の需要規模（2008年）
L-リジン 120万ｔ、L-スレオニン 16万ｔ、トリプトファン 0.3万ｔ
今後望まれているアミノ酸：バリン、イソロイシン、アルギニン他

現製法（日本、アジア諸国、米国、EUの多くの企業が工業生産）
原料： 食料系バイオマス
通気攪拌醗酵法

RITEバイオプロセスの狙い・メリット− 非食料バイオマスからの生産− 非増殖・非通気条件− 革新的な高生産性

21

CO2削減に対するバイオリファイナリーの貢献
バイオ燃料
セルロース・エタノール： 米国DOE試算
セルロース・ブタノール（Next Generation Fuel）

グリーン化学工業
RITE試算（一次検討結果）▶ バイオマス使用：
現行クラッキング工程でのCO2発生分削減▶ 製品の廃棄（焼却）によるCO2発生分削減
22

CO2削減に対するバイオリファイナリーの貢献
バイオ燃料
セルロース・エタノール： 米国DOE試算
セルロース・ブタノール（Next Generation Fuel）

グリーン化学工業
RITE試算（一次検討結果）▶ バイオマス使用：
現行クラッキング工程でのCO2発生分削減▶ 製品の廃棄（焼却）によるCO2発生分削減
23

自動車の技術別GHG排出量

GHG排出量 g/mile

600
600

400
40020020000

CGV

ガソリン車
現在FGV

ガソリン車
将来
（燃費向上）

Gli

ガソリン車
ハイブリッドC

E8 5FFV（E85)

コーン

C ll

E8 5FFV（E85）

セルロース

U Sk Wh

電気自動車（発電 in 米国）

出典：DOE(Argonne National Laboratory) GREETモデル24

運輸部門におけるGHG削減：米国 at 2030
技術

削減

量

（億トン）

1.00

セ ル ロ ース系 バ イオ 燃 料
燃費向上

0.95

（乗用車）

燃費向上

0.70

（軽トラック）

燃費向上

0.30

（大型トラック）

プラグ イン ハ イブリ ッド
（乗用車）

その他

0.200.25

航空機燃費向上、燃料ロス防止策など

出典：McKinsey & Company, Dec.200725

CO2削減に対するバイオリファイナリーの貢献
バイオ燃料
セルロース・エタノール： 米国DOE試算
セルロース・ブタノール（Next Generation Fuel）

グリーン化学工業
RITE試算（一次検討結果）▶ バイオマス使用：
現行クラッキング工程でのCO2発生分削減▶ 製品の廃棄（焼却）によるCO2発生分削減
26

RITE試算： 化学工業のグリーン化によるCO2削減
石油化学プロセス

廃棄物（廃棄物分野でカウント）

化学繊維含む原油の採掘・輸送（産油国分としてカウント）

5928万トン(2007年）
1951万トン(2007年）→▲2100〜2700万トン（▲35〜45％）3082万トン(2007年）→▲2189万トン（▲７１％）

廃棄廃棄物のCO2＝焼却量×排出係数(エネルギー回収割合を考慮）

バイオマス由来に置き換え

27

グリーン化学工業実現への課題
1. 安価なバイオマスの確保
国内立地： 海外で糖化し、“糖液”輸入も１つの方法
糖液輸入の場合；
リグニンの熱源利用不可
プロセスエネルギーの小さな“自立型プロセス”

2. 芳香族化合物のグリーン化技術の構築要

RITEでは化学品グリーン化実現に向けて原料入手を含めたシステム検討を行い、実用化に向けた課題を明確にするとともに、目的に沿った技術開発を推進していきたい。
28

まとめ： バイオリファイナリーの実用化に向けて技術面▶ 革新技術“RITEバイオプロセス”をコアに周辺技術の活用／高度化- “膜システム”： 生成物回収・精製の省エネ・コストダウン- バイオマスから混合糖調製における“前処理工程”の高度化

ビジネスプラン▶ バイオマス資源（地域、選別、栽培、収穫等）から市場まで▶ （バイオ燃料＋化学品）ビジネスモデル策定“25％削減”への寄与▶ グリーン化学品による削減効果算出（RITE試算の精査）▶ 次世代バイオ燃料の削減効果算出

バイオリファイナリー
非可食セルロース（増殖非依存型バイオプロセス）
反応槽に微生物を高密度充填し反応する。

C6糖 ６C5糖 ５C3プロパノール

混合糖完全同時利用可

発酵阻害物質耐性

C2エタノール

高生産性C4ブタノール等

菌体触媒
（非増殖）

芳香族類
カルボン酸
アミン等

グリーン化学品適合化学反応技術＜RITEバイオプロセス＞

自動車部材、包装材
電気製品部材、炭素繊維
各種樹脂 等

バイオ燃料（エタノール、ブタノール他）
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