研究活動概説⃝バイオ研究グループ

ＲＩＴＥ

Ｔｏｄａｙ

２０１８

バイオ研究グループ【コアメンバー】

グループリーダー・主席研究員
乾将行

サブリーダー・副主席研究員

佐々木朱実

主任研究員

渡邉彰

副主席研究員

稲富健一

主任研究員

小暮高久

副主席研究員

寺本陽彦

主任研究員

小杉浩史

副主席研究員

平賀和三

主任研究員

久保田

主任研究員

田中裕也

研究員

生出伸一

主任研究員

須田雅子

研究員

橋本龍馬

主任研究員

北出幸広

研究員

清水哲

主任研究員

豊田晃一

研究員

橋詰正義

主任研究員

加藤直人

研究員

原知明

主任研究員

長谷川健

智低炭素社会の実現を目指したバイオリファイナリー生産技術の開発
1. はじめに

バイオ燃料

生物機能を利用したバイオテクノロジーは、医療やバイオ燃料の代表であるバイオエタノールは、米国農業、工業などの分野に幅広く貢献している。近年、ではトウモロコシ、ブラジルではサトウキビを原料とこの技術を利用する産業と循環型社会を融合させた市して生産され、ガソリンに10〜25％混合されて自動場である「バイオエコノミー」の概念が提唱され、欧車用燃料として供給されている。最大の生産・消費国

米を中心に総合的なバイオ戦略として注目を集めていである米国では、2017年もトウモロコシは豊作である（図1）。当グループでは、このバイオエコノミー

り、2016年を僅かに超える150億ガロン（5,700万の中核技術であるバイオリファイナリー技術、即ち再kL）のバイオエタノールが生産された。OECD-FAO

生可能資源（バイオマス）を原料としてバイオ燃料やの「Agricultural Outlook 2017-2026」によれば、グリーン化学品を製造する技術の開発を進めている。

2017年は1.2億kLのバイオエタノールが世界で生産

本項では、まずバイオ燃料やグリーン化学品生産につされ、その約半分の生産を米国が占めた。

いて、世界の概況を紹介する。

バイオディーゼルは、欧州では主に菜種、米国では大豆を原料として生産されており、2017年のバイオ

図1

バイオエコノミーのコンセプト

図2

世界バイオ燃料生産の見通し

22

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ディーゼル生産量は0.37億kLと予測されている（図どの経済性が原因と考えられる。しかし、自動車部品2）。最大の消費地は、ディーゼル自動車の割合が多や携帯電話の筐体、衣料品などにバイオプラスチックいフランスやドイツなどの欧州である。

やバイオ繊維を採用するユーザー企業は増えており、2017年、英国やフランスから2040年までにガソ今後も市場拡大が予想されている。国内でも、生分解リン車・ディーゼル車の販売を終了するというニュー型のポリ乳酸や、ドロップイン型のバイオポリエチレスが流れ、世界に衝撃を与えた。欧州では、パリ協定

ンテレフタレート（PET）の消費が増えており、今後を踏まえた低炭素化長期目標に沿った措置としておは、モノマーの種類拡大やバイオ生産性の向上に、後り、将来的に欧州を中心に従来の自動車用ガソリン／述するスマートセル技術の応用が期待されている。

ディーゼルエンジンは減少する方向と予測される。一方、航空機や大型船舶は自動車と異なり電動化が困難

2. RITEバイオプロセスの特徴であるため、今後も液体燃料への依存は変わらないと

当グループでは、これまでに新規技術コンセプトにみられる。従って現状では、運輸部門からのCO2を削基づく革新バイオプロセスRITEバイオプロセス（増減するためにも、バイオ燃料については引き続き需要殖非依存型バイオプロセス）を確立し、バイオ燃料やが発生し続けると予想されている（図2）。

アミノ酸、芳香族化合物を始めとしたグリーン化学品

原料が食料資源と競合しない第2世代バイオ燃料であるセルロースエタノールは、トウモロコシ等の農業を、高経済性で製造する技術開発に大きな成果を上げ、国内外から高い評価を得ている。

残渣を原料として生産されることから、CO2排出削減への大きな期待が寄せられてきた。しかし、2017年は欧州で稼働していた10万kLレベルの大規模プラントの操業停止が伝えられ、その原因は、維持費や製造コストと言われている。現在、米国とブラジルの2か国で大規模セルロースエタノールプラントが稼働中である（各社website）。
航 空 機 か ら のCO2削 減 の 切 り 札 で あ る バ イ オ
ジェット燃料は、年々普及が進んでおり、海外では調理用廃油などを利用したバイオジェット燃料による商業飛行が継続されている。我が国でも、2017年4月

図3

RITEバイオプロセス（増殖非依存型バイオプロセス）の特徴に微細藻類および木質バイオマスを原料とした2件の本プロセスの特徴は、目的物質を効率的に生産でき技術開発が国立研究開発法人新エネルギー・産業技術るように高度に代謝設計されたコリネ型細菌（スマー総合開発機構（NEDO）に採択された。共に2030年トセル）を大量に培養し、細胞を反応槽に高密度に充の実用化を目指した一貫プロセス（パイロットスケー

填後、嫌気的な条件や、増殖に必須な因子を削除するル）でのバイオジェット燃料生産が検証される予定でことにより細胞の分裂を停止させた状態で反応を行うある。

（図3）。高効率化の鍵は、微生物の増殖を抑制した状態で化合物を生産させることにあり、増殖に必要な栄グリーン化学品養やエネルギーも不要である。これにより微生物細胞バイオ素材やバイオポリマー等のグリーン化学品のをあたかも化学プロセスにおける触媒のように利用す生産は、化石資源からバイオマスへの原料転換やCO2ることが可能で、通常の化学プロセスと同等以上の高の削減に有効である。さらに循環型社会の実現や持続い生産性を備えたバイオプロセスが実現した。また、的なモノづくりに貢献する重要な素材として期待が高コリネ型細菌の代謝系の改良により、C6糖類およびい。欧州バイオプラスチック協会によると、2017年

C5糖類の完全同時利用を達成し、効率的なセルローのバイオプラスチックの世界生産量は440万トン、ス系バイオマス利用を可能とした。さらに、本プロセ2021年は611万トンの予測である。従来予想よりもスは、セルロース系バイオマスを加水分解した混合糖市場拡大の速度が遅くなっているのは、製造コストなに存在するフラン類等の発酵阻害物質に対しても耐性

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研究活動概説⃝バイオ研究グループ

が高い（詳細はRITE Today 2013〜2017参照）。
現在、エタノール、L-乳酸、D-乳酸、アミノ酸等のＲＩＴＥ

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非可食バイオマス由来の混合糖を原料としたバイオブタノール生産技術の開発を加速させている。

高効率生産に加えて、ブタノールやジェット燃料素材、更に、2017年からは米パシフィック・ノースウエ

フェノール等の芳香族化合物など幅広い展開を図ってスト国立研究所（PNNL）と連携し、ブタノール等をいる。次章では、当グループの主要ターゲットである化学的にオリゴマー化してジェット燃料などのdrop-バイオ燃料の生産技術開発について紹介する。

in燃料に変換する技術開発を進めている。
ブタノール生産においては、世界最高レベルの高生

3. バイオ燃料の生産技術開発

産性を達成しており、生産菌のブタノール耐性の向上、3.1. バイオブタノール生産菌の代謝経路の最適化、および省エネルギー型ブブタノールは、ガソリン代替としてエタノールよりタノール回収技術の開発、などの個別要素技術開発をもエネルギー密度が高く、蒸気圧が低く、水と混和し進め、更にバイオブタノールの高速・高収率な生産をにくいという優れた特性を有している。さらにブタ目指している。

ノールを出発原料として化学変換によってジェット燃料を製造することができる。即ち、植物由来のバイオ

3.2. グリーンジェット燃料

ブタノールから製造したバイオジェット燃料で航空機

ジェット燃料は炭素数C10〜C15の直鎖・分岐鎖を飛ばすことができる。航空機からのCO2排出削減におよび環状飽和炭化水素と芳香族化合物を主成分とすはこれが必須と認識され、業界団体の動きが加速してる混合物であり、安全性のために析出点や引火点などい る。 ブ タ ノ ー ル を 原 料 と し た ジ ェ ッ ト 燃 料 は、の物理的性質が厳格に規格化されている。

Alcohol to Jetを略してATJ燃料と呼ばれ、2016年現在ASTMの認証によって商用利用が可能となってに米国材料試験協会（ASTM）の規格をクリアしたこいるバイオジェット燃料は、いずれも必須な成分の不と か ら、 商 業 フ ラ イ ト へ の 利 用 が 可 能 と な っ た

足などによって単独では使用できず、石油系ジェット（http://www.gevo.com/）。

燃料と混合する必要があり、いずれも混合比率は最大こうした動きに先駆け、当グループでは、RITEバでも50％までとなっている。

イオプロセスを利用した高効率バイオブタノール生産

航空機からのCO2排出量削減対策として、国際民間プロセスの開発を進めている。2015年度からは、経航 空 機 関（ICAO） は2020年 以 降、 航 空 機 か ら の

済産業省の「革新的なエネルギー技術の国際共同研究CO2排出量を増やさないという目標を立て、国際航空開発事業」を推進中である（RITE Today 2016トピッ

運送協会（IATA）は2050年時のCO2排出量を2005

クス参照）。我々の生産技術の特徴は、原料としてセ年時の50％まで削減するという目標を立てている。

ルロース系バイオマスを利用可能で、且つ高速・高収

こ れ ら の 目 標 を 達 成 す る に は2050年 時 に お い て、率生産が可能な点にある（図4）。

ジェット燃料消費量の60％以上をバイオジェット燃

しかし、ブタノールは細胞毒性が強い問題がある。

料で代替させる必要があり、混合比率50％までのバ

そこで、本事業では高度な育種技術により、RITEバイオジェット燃料では目標を達成できない。そこで当イオプロセスの高い生産性を更に引き上げると共に、グループでは、芳香族化合物も含んだ様々な炭化水素

米国立再生可能エネルギー研究所（NREL）と連携し、成分からなる、最大で100％使用も可能な「100％グリーンジェット燃料」製造技術の確立を目指している。
本技術では、有機分子触媒を細胞内に導入することで、酵素では困難な反応も可能な新規ハイブリッド微生物を創製し、これをバイオ触媒とする点に特徴がある。本ハイブリッド微生物を用いれば、様々な非可食バイオマスを原料として、炭素数が10〜15個の分岐鎖や環状の多様な構造をもったジェット燃料前駆体を

図4

 ITEバイオプロセスによるバイオブタノールおよびジェット燃R料生産生産させることが可能となる。これまでの研究の結果、グルコースからC10のジェット燃料前駆体を生産さ24

研究活動概説⃝バイオ研究グループ

せることに成功している。さらに石油化学企業の協力

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２０１８ター（CNRS）と連携して研究開発を進めている。のもと、生産させたC10ジェット燃料前駆体をジェッ

本研究開発では、バイオマス由来糖類からの水素収ト燃料として利用しうる炭化水素成分に変換させるこ率の向上のため、新たな水素生産経路の導入、暗発酵とにも成功しており、実用化の早期実現を目指して研で副生する酢酸から光発酵により水素を生産する光合究を加速している（図5）。

成細菌の改良、セルロース系バイオマス（コーンストーバー）からの水素生産における条件検討を進めている
（図6）。

図5

ハイブリッド微生物を用いたジェット燃料製造

3.3. バイオ水素
水素は燃焼時に水しか生成しないため、究極のクリーンエネルギーとして期待される。しかしながら、現行の主要な水素製造技術は化石エネルギーを原料と図6

 ルロース系バイオマスからの高効率バイオ水素生産プロセス
セの研究開発するため、これに由来するCO2の排出が大きな課題となる。この課題を克服するため、再生可能エネルギー

4. バイオ化学品の生産技術開発

から水素を安定的かつ安価に製造する技術について中4.1. NEDOスマートセル

長期的な基盤的研究が必要とされており、経済産業省バイオテクノロジーの急速な進展により、これまでのロードマップでは、2040年頃までにCO2フリー水利用し得なかった、潜在的な生物機能を引き出すこと素供給システムを確立することが目標として掲げられが可能となった。この大きな技術革新の流れを背景に、ている。

経済産業省は「高度に機能がデザインされ、機能の発微生物を利用した水素生産（バイオ水素生産）は、現が制御された生物細胞」をスマートセルと定義し、将来の持続可能なCO2フリー水素製造技術となり得これを活用した新産業（スマートセルインダストリー）

るが、経済性あるバイオ水素生産技術の確立には、生創出の戦略を示した。

産性の飛躍的な向上が必要とされる。バイオマス由来

これを受けてNEDOが実施する「植物等の生物を糖類などの有機物を原料としたバイオ水素生産は、光用いた高機能品生産技術の開発」（スマートセルプロ

エネルギーに依存しない「暗発酵水素生産」と光エネジェクト）に当グループは参画し、コリネ型細菌に特ルギーを利用する「光発酵水素生産」とに大別される。

化した高精度な代謝モデルの開発を開始した。細胞の当グループは、シャープ（株）との共同研究により、持つ有用物質生産に関する潜在能力を最大限引き出すギ酸を介する暗発酵水素生産経路を利用した高速バイよう、このモデルを用いて代謝設計を行い、実際にこオ水素生産プロセスを開発し、従来の発酵水素生産との生産菌（スマートセル）を構築して生産性を検証す比較して2桁程度高い生産速度を達成している。このることで代謝モデルを利用した情報解析システムの有成果を基盤として2015年に提案した「セルロース系効性を示すことを目指す（図7）。

バイオマスからの高効率バイオ水素生産プロセスの研2017年度は5年計画の2年目にあたる。目的有用物

究開発」が、経済産業省の「革新的なエネルギー技術質に対する高耐性株の取得と解析および生産に必須なの国際共同研究開発事業」に採択され、現在本事業の遺伝子のスクリーニングを行った。並行して神戸大学、中で、京都大学、NREL、フランス国立科学研究セン

産業技術総合研究所と連携して代謝モデル開発とその25

研究活動概説⃝バイオ研究グループ

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２０１８

高精度化、さらにモデルから提案された代謝経路の有酸、ポリマー原料として有望な4-アミノ安息香酸、お効性検証を進めている。

よび医薬品や化粧品原料として有望な芳香族ヒドロキシ酸のバイオ高生産プロセスの確立に成功しており、企業と共同で実用化に向けた研究を加速させている。
また、他の種々の有用芳香族化合物についても代謝改変を駆使して高生産菌株の育種を進めている（図8）。
特に菌株改良においては、前述したスマートセルプロ
ジェクトでの情報解析技術や統合オミクス解析技術を融合させ、最適な代謝設計を生産菌株に反映させることにより、生産性を飛躍的に向上させた有用芳香族化合物高生産菌の開発に取り組んでいる。

図7

5. 実用化への取り組み

スマートセルプロジェクトの概要

5.1. フェノール
4.2. 様々な芳香族化合物への展開

現在の工業生産されているフェノールはすべて石油

芳香族化合物はポリマー等の原料として重要な基幹由来の原料から製造されている。我々は地球環境保全

工業化学品であると同時に、医薬品、機能性栄養素材、や温室効果ガス削減の観点からグリーン化が困難とさ香料、化粧品等の原料となる高付加価値な化合物が数れてきたバイオ法によるフェノール製造技術開発を進多く存在する。芳香族化合物は現在、石油や天然の植めてきた。我々の開発した2段工程法を利用した実用物等を原料として製造されているが、脱石油依存、環生産を早期に実現するため、住友ベークライト（株）境保全、および生産性の観点から、高効率なバイオ生と共同で2014年5月にグリーンフェノール開発（株）産法の確立が望まれている。
このような背景の下、我々（GPD） を 設 立 し た（RITE Today 2015参 照 ）。

はコリネ型細菌を用いた高効率バイオ変換技術を用い2015年にはNEDOプロジェクト「非可食バイオマスて、様々な有用芳香族化合物を非可食バイオマスを原由来グリーンフェノールの工業生産に向けた技術開発料として高効率生産させる技術開発に取り組んでい（2015〜2017年）」が採択され、既存のGPDのバイる。これまでに芳香族化合物合成の中間体であり、イオ変換プラントに併設する形で濃縮精製プラントが新ンフルエンザ治療薬タミフルの原料とされるシキミ設された（2016年6月、住友ベークライト（株）静図8

様々な芳香族化合物の生産技術開発

26研究活動概説⃝バイオ研究グループ

ＲＩＴＥＴｏｄａｙ２０１８岡工場内）。これにより、非可食バイオマス由来の糖の段階に進んでいる。試験生産には、当グループの研を原料としたバイオマス由来フェノール生産における究員も参加し、現地の職員と力を合わせて成功へ導いバイオ変換工程と濃縮精製までの一貫製造システムがた。RITEが開発したアラニン生産株を利用して生産完成した。図9は、グリーンフェノールを原料としたされたL-アラニンは、2017年8月、厚生労働省食品フェノール樹脂成型品である。現在、実用化を目指し安全委員会による評価の結果、食品添加物としての安て各種原料の検討、フェノールのバイオ生産、精製濃全性が確認され、工業用用途のみならず食品添加物と縮、および実廃液のリユースなどを有機的に統合すべしても利用可能になった。現在、海外の複数の国でのく実用化検討を進めている。

アラニン生産プロジェクトが進行中である。また、アミノ酸の一種であるバリン生産に関してもGEIとの共同研究を本格化させ、生産性向上のための菌体改良や、スケールアップによるサンプル製造等に取組んでいる。
6. おわりに2017年10月、 経 済 産 業 省 は「ConnectedIndustries」東京イニシアティブ2017を発表した。
Connected Industriesとは、第4次産業革命におい

図9

BioJapan2017でのフェノール生産展示

5.2. アミノ酸て我が国が目指す産業の在り方を示す新しいコンセプ
トであり、2030年以降の超スマート社会（Society5.0）に向けた行動計画である。この中の重点分野の一般的なアミノ酸発酵は、微生物の培養と発酵生産一つであるバイオ・新素材では、前述したスマートセに通気（酸素）を必要とし、この通気量が適切にコンルを利用したバイオリファイナリー技術が中核技術とトロールされることが、高生産性の達成に重要である。

して大きな役割を果たすことは間違いない（図10）。

これに対してRITEでは、前述したように通気の必要のないRITEバイオプロセスを用いて、シンプルなプロセス制御による省エネルギー、高生産なアミノ酸生産プロセスの開発を進めてきた。非通気条件でアミノ酸を生産するには、酸素を使わずに細胞内の酸化還元バランスを適正に保つ仕組みが必要であり、この目的のためには非天然型のアミノ酸生合成経路を細胞に導入する必要がある。当グループでは、こうした課題を解決した非通気条件でのアミノ酸生産プロセスのコン
セ プ ト を2010年 に 学 術 雑 誌 に 発 表 し た（Appl.
Microbiol. Biotechnol. 87: 159-165. 2010.）。

図10

バイオ技術 × デジタルの融合（Connected Industries）

RITEは、RITE発 ベ ン チ ャ ー 企 業Green Earth

当グループでは、2018年も次世代燃料であるバイInstitute（株）（GEI）を2011年9月に設立し、RITEオブタノールやバイオ水素、およびグリーンジェットバイオプロセスによるアミノ酸等のバイオ化学品やバ燃料等の生産技術開発や、「スマートセル」技術を適イオ燃料の事業化を目指した共同研究を実施してい用した芳香族化合物生産などの高機能化学品のバイオる。本共同研究において、アミノ酸の一種であるアラプロセスによる効率的生産を目指した研究開発を進めニン生産に関しては、生産菌株の開発、スケールアッていく予定である。今後とも、バイオリファイナリー

プ検討やコスト低減のための各種検討を進め、2016

技術開発を進め、地球環境保全や低炭素社会の実現に年には、GEIの国内パートナー企業が保有する商業ス貢献していきたい。

ケールの発酵槽を用いた試験生産に成功し、実用生産

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