リグニン、もみ殻、水産廃棄物などの廃棄物有効活用技術
弘前大学 地域戦略研究所
准教授 吉田 曉弘
2022年3月3日@新技術説明会
1弘前大学地域戦略研究所
エネルギー変換工学研究室の紹介
・バイオマスや再エネの有効活用に関するエネルギー変換・貯蔵技術の開発に取り組む
専門分野
化学工学
エネルギー工学

専門分野
触媒化学
無機化学

バイオマスガス化
パイロットプラント(2012-18年度
青森市委託事業により完成)
2弘前大学地域戦略研究所
エネルギー変換工学研究室の紹介
・各種廃棄物の有効活用技術開発
廃プラスチックの石化プラントを活用したケミカルリサイクル技術の開発(NEDO先導研究2019-2021)

専門分野
触媒化学
無機化学

小麦ふすま・もみ殻からの有用物質抽出技術(企業様との共同研究 2020-)

小麦
ふすま
もみ殻
このルートを確立する

新触媒
中和に要する酸量削減、クマル酸 フェルラ酸
油脂類の分解抑制
抗酸化作用、プラスチック原料

ナフサ、基礎化学品

海岸漂着プラのリサイクル研究(複数企業様との共同研究2021-)

高い割合でリサイクル可能

廃プラスチック

A-1

既設ディレイド
既存反応器コーカー

A-2

前処理プロセス

B

接触分解プロセス（FCC利用も想定）

石油留分(溶媒)開発した要素技術

・廃プラの前処理＋無機物分離法
・廃プラ中のPVC, PETのアップグレードリサイクル技術3

本日の発表内容
廃棄物の有効利用に関連する、以下の２件の技術について紹介

１．木質バイオマスの構成成分であるリグニンを連続的に分解可能な触媒技術
２．貝類養殖残渣を未利用バイオマスであるもみ殻を活用して無臭化・肥料化する技術

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技術その１．木質バイオマスの構成成分であるリグニンを連続的に分解可能な触媒技術想定される用途• 未利用なバイオマス(木質チップ、稲わら、もみがら、小麦ふすま等)や廃工業リグニンを活用した化学物質の生産

例)JST未来社会事業での取り組み
リグニンの低分子化

不均一な低分子フェノール類

三成分分離etc
Hemicellulose Lignin(20～40%)(10～30%)

COOH
COOH

CHO

COOH

COOH

CHO
COOH OHOHOHCOOHOH
COOH

CHO

低分子化
OH

OH

COOH

COOH

OH
COOH

COOH

OCH3
OCH3

Cellulose(30～50%)芳香族素材への展開

芳香族モノマーへの変換

OH

OCH3

COOH
COOH

TCA
cycle

OH

OH

COOH
OH
OH

COOH
COOH

O

OCH 3O

OH
OH

芳香族モノマーへの変換

COOH

OH

芳香族素材への展開

リグニンの触媒分解で、香料、医薬原料、ポリマー原料として利用可能なフェノール類が得られる
5

技術その１．木質バイオマスの構成成分であるリグニンを連続的に分解可能な触媒技術

背景技術:リグニン分解による含酸素芳香族化合物の合成
リグニン分解による含酸素芳香族化合物の合成

水熱条件

不活性ガス

酸素

含酸素芳香族

リグニン分解単環芳香族化合物

化学品・燃料水素

芳香族炭化水素

水素: 入手できる場所が限定、比較的高価
酸素: 空気から大量に入手可能
酸化条件の方が不活性条件よりも高い含酸素芳香族収率が期待6

技術その１．木質バイオマスの構成成分であるリグニンを連続的に分解可能な触媒技術

背景技術: 従来のリグニン分解触媒の課題

7

技術その１．木質バイオマスの構成成分であるリグニンを連続的に分解可能な触媒技術

発明の技術内容①:リグニン分解用触媒の製造方法
リグニン

触媒取り出しリグニン分解用
金属発泡体触媒
酸化雰囲気下リグニン分解

金属発泡体
固定化
触媒

反応

触媒製造方法 第一世代
銅発泡体
試薬処理

触媒

金属発泡体固定化
触媒

第二世代
触媒

未反応リグニン

全て容易に分離リグニン分解物

触媒の特徴
・分離が容易・再利用も容易・流通系の連続反応に適する試薬処理

・粉末Cu(OH)2触媒よりも高性能・回収容易で繰り返し使用可能
・加熱処理による触媒再生可能
簡単な試薬浸漬処理で触媒調製可能
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技術その１．木質バイオマスの構成成分であるリグニンを連続的に分解可能な触媒技術

第一世代発泡体触媒によるリグニン分解実験15

触媒的アルカリ酸化分解
試薬サルファイトリグニン (0.15 g), 180 ℃, 5 bar O2, 0.5 h

Yield (mol % of carbon)

主生成物
いずれも
バニリン

syringic acid13.3

vanillic acid10.9

syringaldehydehydroxybenzoic acid

10Apocynin

7.4

vanillin
guaiacol5oxalic acid・第一世代触媒
lactic acid
→粉末触媒に少し劣る
Yield (mol% of carbon)
glycolic acid

0無触媒

水酸化銅粉末 第一世代触媒

9技術その１．木質バイオマスの構成成分であるリグニンを連続的に分解可能な触媒技術

第二世代発泡体触媒によるリグニン分解実験
触媒的アルカリ酸化分解
試薬サルファイトリグニン (0.15 g), 180 ℃, 5 bar O2, 0.5 h15

第二世代
12.3

活性向上
活性向上

13.1
12.3

syringic acidvanillic acid

Yield (mol % of carbon)

第一世代
9.0

8.2
7.8513.1

第一世代
9.6
hydroxybenzoic acid
9.0

11.0

Regenerated at 500 ℃
for 3 hrs
syringaldehyde
12.0
6回使用後

活性65%保持hydroxybenzoicacid

9.9

9.1

Apocynin7.8

Apocyninvanillin

vanillin

guaiacolguaiacoloxalic acid

oxalic acidglycolic acid

1st
2ndRun Run

lactic acid0

vanillic acid

活性向上

syringaldehyde
9.6
10繰り返し使用・焼成再活性化
第二世代 syringic acid13.1
(第二世代)

Yield (mol% of carbon)

8.9

rd3glycolic
4 thacid 5 th
Run Run Run

8.6

6 thRunReg

lactic acid

繰り返し性能改善、Yield (mol% of carbon)
焼成により再活性化可能10技術その１．木質バイオマスの構成成分であるリグニンを連続的に分解可能な触媒技術

発泡体触媒の杉チップへの適用性
・発泡体触媒への期待①反応後残渣との分離の容易性②高い通液性を生かした流通式反応器への展開

触媒的アルカリ酸化分解
杉チップ (0.44 g), 180 ℃, 5 bar O2, 2 h
粉末

第一世代
第二世代

杉チップ0.44 g使用
推定リグニン
含有量 0.15g(杉のリグニン含有率34%)
Ref. 九州森林研究
No.62 155 (2009)

杉チップ
反応後残存繊維(パルプ)

粉末触媒と遜色ないバニロイド収率

発泡体触媒使用時
パルプと触媒の分離が容易

11

技術その１．木質バイオマスの構成成分であるリグニンを連続的に分解可能な触媒技術

流通式アルカリ酸化分解への発泡体触媒の適用
カラム型フローリアクターMCR-1000型

サルファイトリグニン 1.5 g
2 M NaOH溶液 135 mL
0.225mL/min

CFO22.0 mL/min

180oC
内圧：0.7-0.85 MPaYield (mol % of carbon)15

内径10 mmのSUS管にコイン状のメッシュ触媒を5~10枚装填

GC-FID, HPLC分析

https://ssl.eyela.co.jp/products/mcr/index.shtml

第一世代触媒を用いた流通式酸化分解

第一世代 第二世代

フローリアクター内部

syringic acidvanillic acidsyringaldehyde

10hydroxybenzoic acid
Apocyninvanillin

5guaiacol
oxalic acidglycolic acid

01510152030
Reaction time (h)4050

反応時間とともに分解物の生成量は低下
選択性ほぼ変化なし⇒大スケール化への期待

lactic acid12

技術その１．木質バイオマスの構成成分であるリグニンを連続的に分解可能な触媒技術
リグニン

触媒取り出しリグニン分解用
金属発泡体触媒金属
発泡体固定化触媒

酸化雰囲気下リグニン分解金属
発泡体固定化
触媒未反応リグニン

全て容易に分離

反応リグニン分解物

企業への期待• 金属発泡体触媒を活用したリグニン分解の大スケール化と経済性評価• 木質を直接分解時のパルプの利用価値検討• リグニン分解生成物の工業的用途開拓
13

技術その１．木質バイオマスの構成成分であるリグニンを連続的に分解可能な触媒技術

JST未来社会事業によるご支援課題名: リグニンからの芳香族ポリマー原料の選択的生産
採択年度:2019年度
研究代表者: 弘前大 園木 和典

本技術に関する知財権• 発明の名称 ：リグニン分解用触媒及びその製造方法，リグニンの分解方法並びにリグニン分解用触媒の再生方法• 出願番号：特願2021-001016, PCT/JP2021/048664• 出願人：弘前大学、北海道大学• 発明者：吉田曉弘，園木和典，イルワンクルニア，官国清，阿布里提，増田隆夫，吉川琢也
14

技術その２．貝類養殖残渣をもみ殻を活用して無臭化・肥料化する技術想定される用途• 未利用なバイオマス(稲わら、水産廃棄物)を活用した化学物質や肥料の生産• カルシウムを含有した水産廃棄物(ホタテガイ養殖残渣、カキ殻、ウニ殻等)の無臭化、肥料化、資源循環

15技術その２．貝類養殖残渣をもみ殻を活用して無臭化・肥料化する技術

課題の背景

16

技術その２．貝類養殖残渣をもみ殻を活用して無臭化・肥料化する技術

開発した技術17

技術その２．貝類養殖残渣をもみ殻を活用して無臭化・肥料化する技術

技術のマーケット・本技術の最大の収入源「廃棄物の処理」
青森、岩手、宮城(東北の中でも貝類やウニの生産が盛ん)を例とする
廃棄物処理コスト トン当たり4~10万円
廃棄物発生量 概算で年間16万トン
処理費用 年間84~160億円 (地域内に巨大なマーケット)
・化石燃料使用量の分、処理費用を低減して地域に還元できる・生産物であるケイカル肥料も安価に地域に供給できる

地域内での資源循環
食料生産という地域の主幹産業の活性化の一助
・世界でのホタテ養殖
中国、アメリカ、ペルー、カナダ、フランス、イギリス、オーストラリア等でも生産
特に中国は、日本の4倍の生産高

本技術は、ホタテ等貝類養殖が盛んな世界中の地域で活用の可能性
18技術その２．貝類養殖残渣をもみ殻を活用して無臭化・肥料化する技術

競合技術との比較
・ホタテガイ養殖残渣の既存処理法
一廃焼却炉での処理専用施設での処理
県外施設での処理

燃焼温度低下による重油使用量増加、カルシウム分固着
燃料油価格の高騰により休止中
高コスト、多額の補助金投入

今後も燃油価格が下がる見通しはない
焼却後の生成物の最終処分が必要= SDGsを考慮すると、本技術に優位性

・ホタテガイ養殖残渣の有効利用法
直接堆肥化
木酢液との反応による肥料化
木酢液を活用した方法

塩分含有のため、適用可能な作物が限られる
現状、キヌマトイガイのみ利用可(選別が困難)

スケールアップに限界があるため、大型化は困難

トン4~10万円以下で多量に処理できれば本技術の勝機は高い・新技術 乾式メタン発酵

廃棄物の減容化と再エネ発電による高い経済性、ただし貝殻分の資源循環はこの技術単独ではできない
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技術その２．貝類養殖残渣をもみ殻を活用して無臭化・肥料化する技術

本技術に期待できるメリット(農業者サイド)・ケイカル施肥

米作農家のメリット

R3年JA概算金(米60Kg)
つがるロマン ¥8,200
まっしぐら ¥8,000青天の霹靂 ¥15,100

高品質米の生産

肥料価格 ¥4,200/10a
一般的な収量 535Kg/10a

収量増加¥3,000-4,500/10a増収

高品質米(青天の霹靂)の生産にはケイカル施肥が
義務付け

ブランド化
例) 真庭里海米
瀬戸内海のカキ殻を施肥(農協買い取り額¥700-800/60Kg向上)¥6,000-7,100/10a増収

まっしぐら↓青天の霹靂
¥59,000/10a増収

2.5haの田を持つ経営体
150万円増収

7.5-10万円増収

15-17万円増収
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技術その２．貝類養殖残渣をもみ殻を活用して無臭化・肥料化する技術

生産物販売マーケット
・生産物(ケイカル肥料)の現状
イネへのケイカル施肥 → イネの耐病性向上、高品質化
しかし、青森県での施肥率は約20% (価格の問題)
安価になれば、マーケットは4~5倍拡大する可能性あり
農協でのケイカル肥料販売価格: 4,200円/100 Kg (4.2万円/トン)
ケイカル標準施肥量: 100 Kg/10 a (1 ha/トン)

・アクセス可能な市場規模(青森県でのホタテガイ養殖残渣発生量をベース)
青森県内でのホタテ生産量：60~100千トン
残渣の発生量=肥料生成量：8.4~14千トン
年間販売額：3.5~5.9億円
施肥可能面積：8.4~14千ha (県内の田地面積81千ha)
ホタテ貝殻(県内発生量30~50千トン)、カキ貝殻(岩手3千トン、宮城18千トン)、ウニ殻(青森、岩手、宮城1千トン)(から重量を水揚げ量の半分として試算)
上記も活用すれば、年間販売額を3倍程度拡大可能
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技術その２．貝類養殖残渣をもみ殻を活用して無臭化・肥料化する技術

企業への期待• 本技術を活用したデモ機の開発• 本技術を活用した実プラントの構想検討• 資金的補助(補助金への共同申請等も含む)
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技術その２．貝類養殖残渣をもみ殻を活用して無臭化・肥料化する技術
JST-SCORE(みちのくGAPファンド) によるご支援課題名:貝類養殖残渣等漁業廃棄物のもみ殻による無臭化・肥料化技術の事業化
採択年度:2021年度
研究代表者: 弘前大 吉田 曉弘

本技術に関する知財権• 発明の名称 ：肥効性物質製造方法，廃棄物処理方法，肥効性物質製造装置，及び廃棄物処理廃棄物処理装置• 出願番号：特願2020-048319
• 出願人
：弘前大学
• 発明者
：吉田曉弘，エスカルエニワル，ヨハネスアンドレシツモラング，官国清，阿布里提23

まとめ
廃棄物の有効利用に関連する、以下２件の技術を紹介
１．木質バイオマスの構成成分であるリグニンを連続的に分解可能な触媒技術

リグニン分解用
金属発泡体触媒

リグニン源

リグニン源 例)杉チップ
金属
発泡体
固定化
触媒

触媒取り出し酸化雰囲気下リグニン分解反応

金属
発泡体
固定化
触媒

残存物

全て容易に分離リグニン分解物２．貝類養殖残渣を未利用バイオマスである
もみ殻を活用して無臭化・肥料化する技術

24お問い合わせ先
国立大学法人弘前大学
研究・イノベーション推進機構

リサーチアドミニストレーター(URA)：
工藤 重光、山科 則之、渡部 雄太(東京事務所在籍)、平井 貴人
産学官連携コーディネーター：三上 夫美加
ＴＥＬＦＡＸe-mail

0172-39-3178
0172-39-3921
ura＠hirosaki-u.ac.jp
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