バイオ研究グループ◦バイオリファイナリー社会の実現を目指したバイオ燃料・グリーン化学品生産

RITE

Today 201７

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

長谷川智

副主席研究員

稲富健一

主任研究員

渡邉彰

副主席研究員

寺本陽彦

主任研究員

小暮高久

副主席研究員

城島透

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

猿谷直紀

主任研究員

北出幸広

研究員

橋本龍馬

主任研究員

豊田晃一

研究員

石田純也

主任研究員

加藤直人

研究員

清水哲

健

バイオリファイナリー社会の実現を目指したバイオ燃料・グリーン化学品生産2）、及び3,100万kLの見通しである。バイオエタノー

１．はじめに当グループでは、非可食バイオマスからバイオ燃料

ルは米国ではトウモロコシ、ブラジルではサトウキビやグリーン化学品を製造するバイオリファイナリー技を主な原料として生産され、自動車燃料に混合されて術の研究開発を進めている（図1）。最初に、バイオいる。最大の生産・消費国である米国では、昨年145燃料やグリーン化学品生産について、世界の概況を紹億ガロン（5,500万kL）のバイオエタノールが生産さ介する。

れた。バイオディーゼルは、EUでは菜種、米国では大豆から主に生産され、ディーゼル自動車の割合が多いEUが最大の消費地である。
米国では、米国環境保護庁（EPA）がバイオ燃料の普及を強力に推進している。昨年11月、EPAは2017年の再生可能燃料使用量の目標値について、前年より6%増えた193億ガロン（7,300万kL）、その中でセルロースバイオ燃料（第2世代バイオ燃料）については

図１

バイオリファイナリーの概要

バイオ燃料
バイオ燃料は、再生可能資源であるバイオマスを原料として製造されることを特徴とする燃料であり、バイオエタノールやバイオディーゼルがその代表である。生産が拡大しており、2015年の世界生産量は、OECD-FAOレポートによると、それぞれ1.16億kL（図20

図２

世界バイオエタノール生産の見通し

バイオ研究グループ◦バイオリファイナリー社会の実現を目指したバイオ燃料・グリーン化学品生産

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3.1億ガロン（120万kL）と発表した。セルロースエ

殖非依存型バイオプロセス）」を確立し、バイオ燃料

タノールは、トウモロコシ等の農業残渣を原料としてや有機酸を始めとしたグリーン化学品を、高経済性で生産されることからCO2排出削減効果が大きく、食料製造する技術開発に大きな成果を上げ、国内外から高資源とも競合しないことから、大きな期待が寄せられい評価を得ている。ている。現在、米国、ブラジル、イタリアでセルロー
スバイオマスを原料とした10万kLレベルの大規模エタ ノ ー ル プ ラ ン ト 5 基 が 稼 働 中 で あ る（ 各 社website）。
バイオジェット燃料については、2020年の東京オリンピックを目指した技術開発が話題になっている
が、昨年10月、日本を含む世界60カ国以上は、国際民間航空機関（ICAO）が提案した国際線の温暖化ガス排出規制に合意した(http://www.icao.int/)。この合意によると2021年以降、航空会社はCO2排出権枠を購入する必要があることから、国内でもバイオ

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

ジェット燃料の活用や技術開発が加速すると予想される。また、米国では非可食バイオマスを原料としたバ

本プロセスの特徴は、目的物質を効率的に生産できイオジェット燃料による民間航空フライトも実施されるように代謝設計したコリネ型細菌を大量に培養し、た。この燃料は、米国のベンチャー企業が木質を原料細胞を反応槽に高密度に充填後、嫌気的な条件で細胞として発酵生産したセルロースブタノールを化学変換の分裂を停止させた状態で反応を行う（図3）。高効して製造され、従来型ジェット燃料に20%混合され率化の鍵は、微生物の増殖を抑制した状態で化合物をた（http://www.gevo.com/）。

生産させることにあり、増殖に必要な栄養やエネルギーも不要である。これにより微生物細胞をあたかもグリーン化学品

化学プロセスにおける触媒のように利用することが可

バイオ素材やバイオポリマー等のバイオ化学品もバ能で、通常の化学プロセスと同等以上の高い生産性をイオ燃料と同様に市場拡大が続いている。欧州バイオ備えたバイオプロセスが実現した。また、コリネ型細プラスチック協会によると、2016年のバイオプラス

菌の代謝系の改良により、C6糖類およびC5糖類の完チックの世界生産量は205万トン、環境省によると、全同時利用を達成し、効率的なセルロース系バイオマ

昨年の日本国内出荷量は32万トンの予想であった。

ス利用を可能とした。さらに、本プロセスは、セルロー

国内では、生分解型のポリ乳酸や、ドロップイン型のス系バイオマスを加水分解した混合糖に存在するフラバイオポリエチレン（PE）やバイオポリエチレンテン類等の発酵阻害物質に対しても耐性が高い（詳細はレフタレート（PET）等の消費が増え、さらに中国やRITE Today 2013～2014参照）。

東南アジアでの生産に伴いアジア各国での市場が拡大

現在、エタノール、L-乳酸、D-乳酸、アミノ酸等のしている。また、バイオプラスチックの高機能化が進

高効率生産に加えて、ブタノールやジェット燃料素材、んでおり、高耐熱性のポリ乳酸（PLA）や耐衝撃性やフェノール等の芳香族化合物など幅広い展開を図って耐薬品性に優れるバイオポリアミド（PA）等が開発いる。次章では、当グループの主要ターゲットであるされている。PLAは繊維やフィルム、PAは自動車部

バイオ燃料の生産技術開発について紹介する。

品等の用途に使われている。
３．バイオ燃料の生産技術開発
２．RITEバイオプロセスの特徴

３．１．バイオブタノール

当グループでは、これまでに新規技術コンセプトにブタノールは、ガソリン代替としてエタノールより基づく革新バイオプロセス「RITEバイオプロセス（増も優れた特性を持つ物質であり、また、化学的にオリ21

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ゴマー化することでジェット燃料に変換可能なため、RITE

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３．２．グリーンジェット燃料

近年になってバイオマス原料の中でも、特に非可食原航空機から排出されるCO2は、全世界のCO2排出料であるセルロース系バイオマスからの生産が期待さ量の約2%を占めており、新興国での航空利用需要のれている。ブタノールから製造したジェット燃料は、増大などから、今後ますます増加すると予測されていAlcohol to Jetを略してATJ燃料と呼ばれ、2016年る。航空機の燃費向上や運航方法の改善により、CO2に米国材料試験協会(ASTM)の規格をクリアしたこと排出量の削減が検討されているが、さらなる削減には、から、商業フライトへの利用が可能となった（http://

前述したようにバイオジェット燃料の利用が不可欠とwww.gevo.com/）。また、前述したように航空機か考えられている。

らのCO2排出削減へ向けた業界団体の動きも加速しジェット燃料は、炭素数C10～C15の直鎖・分岐ており、バイオジェット燃料への社会的期待が高まっ

鎖および環状飽和炭化水素と芳香族化合物を主成分とている。

する混合物であり、その物理的性質は厳格に規格化さこうした動きに先駆け、当グループでは、RITEバイオプロセスを利用した高効率バイオブタノール生産れている。バイオジェット燃料についても同様の燃料規格を満たす必要がある。

プロセスの開発を進めてきた。我々の生産技術の特徴

当グループは、2014年に提案した「生物・有機合は、原料としてセルロース系の非可食バイオマスを利成ハイブリッド微生物による100%グリーンジェット用可能であり、且つ高速・高収率生産が可能な点にあ燃料生産技術の開発」が国立研究開発法人新エネル

る（図4）
。

ギー・産業技術総合開発機構（NEDO）に採択され、ジェット燃料の規格に適合する多様な分岐および環状飽和炭化水素化合物と芳香族化合物の全てをバイオマ
ス 由 来 の 混 合 糖 か ら 製 造 可 能 な、100%グ リ ー ン
ジェット燃料生産技術の開発を進めている。

図４

RITEバイオプロセスによるブタノール及びジェット燃料生産

2015年度からは、経済産業省の「革新的エネルギー技術国際共同研究開発事業」において、革新的なブタ

図５

100%グリーンジェット燃料生産微生物の概要

ノール製造技術の開発を推進している（RITE Today
2016トピックス参照）。本事業では、高度な育種技

本技術では、これまで発酵法では利用されていな術により、RITEバイオプロセスの持つ高い生産性をかった有機合成反応を微生物細胞内に導入し、新規な更に引き上げると共に、米国立再生可能エネルギー研

バイオ触媒である「生物・有機合成ハイブリッド微生究所（NREL）との共同研究により、非可食バイオマ物」を創製し、これをバイオ触媒とする点に特徴があス由来の混合糖を原料としたバイオブタノール生産技る（図5）。本ハイブリッド微生物を利用すると、非術の開発を加速させている。その結果、非可食バイオ

可食バイオマス由来のC5,C6糖から炭素数がC9〜マスからのブタノール生産において、世界最高レベル

C14の範囲で多様な炭素数と、分岐鎖や環状の多様の高生産性を達成することができた。現在は、生産菌な構造をもった化合物を同時に生産させることが可能の代謝経路の最適化、生産菌のブタノール耐性の向上、となる。また、本技術では、従来の発酵法では製造でおよび生産菌の安定性向上に取り組んでおり、早期実きなかった化合物の生産も可能になるため、応用範囲用化へ向けて開発を進めている。

はジェット燃料製造にとどまらない。これまでの研究の結果、ハイブリッド微生物のカギとなる有機合成反22

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応の効率を顕著に向上させることに成功しており、実素生産」とに大別される。両者を組み合わせて、暗発用化の早期実現を目指して研究を加速している。

酵水素生産プロセスで副生する酢酸を光発酵水素生産プロセスの基質として利用すれば、バイオマス原料あ３．
３．バイオ水素たりの水素収率は大幅に向上する。現在、それぞれの水素は地球上に大量に存在し燃焼時に水しか生成しプロセス（暗発酵と光発酵）の水素収率向上のため、ないため、究極のクリーンエネルギーとして期待され遺伝子工学による水素生産微生物の改良を進めている。しかしながら、現行の主要な水素製造技術は化石る。

資源を原料とするため、これに由来するCO2排出が大きな技術課題である。この課題を克服するため、再生

４．バイオ化学品の生産技術開発

可能資源から水素を安定的かつ安価に製造する技術に

１．バイオマス由来フェノール
４．

ついて中長期的な基盤的研究が必要とされており、経フェノールは、自動車部品、電子材料等に不可欠な済産業省のロードマップでは、2040年頃までにCO2材料であるフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーフリー水素供給システムを確立することが目標としてボネート樹脂等の有用な樹脂原料であり、巨大市場を掲げられている。

有し今後も需要拡大が見込まれる。しかし、現在の工微生物を利用した水素生産（バイオ水素生産）は、業生産されているフェノールはすべて石油由来の原料

将来の持続可能なCO2フリー水素製造技術となり得から高温高圧（～250℃、30気圧）条件で有機溶媒るが、経済性あるバイオ水素生産技術の確立には、生や強酸を用いて製造されている。我々は、地球環境保産性の飛躍的な向上が必要とされる。当グループは、全や温室効果ガス削減の観点からグリーン化が困難とシャープ（株）との共同研究により、高密度菌体触媒されてきたバイオ法によるフェノール製造技術開発をによる高速バイオ水素生産プロセスを開発し、従来の進めてきた。その結果、RITEバイオプロセスによる発酵水素生産と比較して2桁程度高い生産速度を達成

バイオマス由来グリーンフェノールの「2段工程法」している。この成果を基盤として2015年に提案したによる製造技術開発に成功し、既存の報告を大幅に上「セルロース系バイオマスからの高効率バイオ水素生

回 る フ ェ ノ ー ル を 生 産 可 能 と し た（RITE Today

産プロセスの研究開発」が、経済産業省の「革新的エ2016参照）。本法は、従来の石油由来フェノールのネルギー技術国際共同研究事業」に採択され、NREL

製 造 法 と 比 較 し て、 エ ネ ル ギ ー（ 原 油 換 算 ） は 約との共同研究により、対糖水素収率の大幅向上に向け69%の削減、CO2排出量は焼却廃棄まで考慮するとた技術開発を進めている（図6、RITE Today 2016

約70%削減可能と試算される（図7）。

トピックス参照）。

現在、実用化へ向けて菌株改良による更なるフェノール濃度向上、実廃液のリユースとの融合など種々の検討を進めている。

図６

暗発酵と光発酵の統合型水素生産プロセス

バイオマス由来糖類などの有機物を原料とした微生

図７

工業的フェノール生産法とバイオ生産法の比較物による水素生産は、光エネルギーに依存しない「暗発酵水素生産」と光エネルギーを利用する「光発酵水23バイオ研究グループ◦バイオリファイナリー社会の実現を目指したバイオ燃料・グリーン化学品生産

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201７

５．実用化への取り組み

４．
２．様々な芳香族化合物への展開
前述のとおり、我々はグリーン化が困難とされてき

５．
１．アミノ酸たバイオ法によるフェノール生産に成功した。本技術

一般的なアミノ酸発酵は、微生物の培養と発酵生産は、他の様々な芳香族化合物のバイオ生産に対してもに通気（酸素）を必要とし、この通気量が適切にコン発展的に適用可能で、ポリマー原料としてだけでなく、トロールされることが、高生産性の達成に重要である。

医薬品中間体や、農薬、香料、化粧品原料などの高付

これに対して我々は、前述したように通気の必要のな加価値な物質への応用展開など、高い発展性を有していRITEバイオプロセスを用いて、シンプルなプロセいる。

ス制御による省エネルギー、高生産なアミノ酸生産プ

昨年からスタートしたNEDO新規プロジェクト「スロセスの開発を進めてきた。非通気条件でアミノ酸をマートセル」では、様々な芳香族化合物を生産する細生産するには、酸素を使わずに細胞内の酸化還元バラ胞プロセスをコンピュータ上で解析し、最適なプロセンスを適正に保つ仕組みが必要であり、この目的のたス設計を可能とする統合オミクス解析等の情報解析技

めには非天然型のアミノ酸生合成経路を細胞に導入す術開発を行う予定である（本誌トピックス参照）。さる必要がある。当グループでは、こうした課題を解決らに、得られた成果を統合して高性能なスマートセルした非通気条件でのアミノ酸生産プロセスのコンセプを創製し、このセルを利用したグリーン生産技術を開ト を 2010 年 に 学 術 雑 誌 に 発 表 し た（Appl.

発するなど、高付加価値芳香族化合物の高生産への新Microbiol. Biotechnol. 87: 159-165. 2010.）。

たな展開を目指して研究開発を進めている（図8）。

Green Earth Institute（株）（GEI）は、RITEバイオプロセスの実用化に向けて設立されたRITE発ベンチャーである（RITE Today 2012参照）。アミノ酸

図８24

様々な芳香族化合物の生産技術開発

バイオ研究グループ◦バイオリファイナリー社会の実現を目指したバイオ燃料・グリーン化学品生産RITEToday 201７

生産に関しては、2011年よりRITEと共同研究を開始

ルのバイオ生産、精製濃縮、および実廃液のリユースし、生産菌株の開発、スケールアップ検討やコスト低などを有機的に統合すべく実用化検討を進めている。

減のための各種検討を進めてきた。対象としたアミノ酸は、通常、石油由来の原料を用いて製造されている

６．おわりにが、製品のライフサイクルCO2排出量の削減の観点か

2016年の世界穀物生産は、天候にめぐまれ、干ばら、バイオマス原料からの製造方法の開発が望まれてつ等の被害も少ないことから、トウモロコシや小麦ないた。2016年には、国内パートナー企業が保有するどは過去最高の生産量が予測されている。米国では、商業スケールの発酵槽を用いた試験生産に成功し、実トウモロコシ価格も1ブッシェルあたり3ドル半ばま用化へ向けて大きく前進した（図9）。初回の生産には、で低下し、さらに原油価格も1バレル50ドル付近であ当研究グループの研究員も参加し、現地の職員と力をることから、バイオエタノール生産コストは低下して合わせて試験生産を成功へ導いた。GEIでは2017年いると予想される。また、米国でのガソリン需要も堅には、本格的な商業生産の報告ができるよう、鋭意、調なことから、トウモロコシ由来のバイオエタノール取り組んでいる。

は2017年も150億ガロン（5,700万KL）付近の高い生産レベルが継続する見通しである（図10）。一方、
原 料 安 は バ イ オ 化 学 品 生 産 に も 追 い 風 で あ る が、シェールガス等を原料とした従来型化学品の価格競争力も高く、今後もさらなるコストダウンに向けた取り組みが期待されている。
当グループでは、本年も次世代バイオ燃料であるブタノールや水素、およびグリーンジェット燃料等の生産技術開発や、新規プロジェクトである「スマートセル」などの先端バイオテクノロジーを駆使した高機能化学品のバイオプロセスによる効率的生産を目指した

図９

BioJapan2016でのアラニン生産展示研究開発を進めていく予定である。今後とも、バイオリファイナリー技術開発を進め、地球環境保全や持続可能社会の実現に貢献していきたい。

５．
２．フェノール
前章で述べた世界初のグリーンフェノール製造技術である2段工程法を利用した実用生産を早期に実現するため、住友ベークライト（株）と共同で2014年5月にグリーンフェノール開発（株）（GPD）を設立し。2015年にはNEDOプ
た（RITE Today 2015参照）
ロジェクト「非可食バイオマス由来グリーンフェノー
ルの工業生産に向けた技術開発（2015～2017年）」が採択され、既存のGPDのバ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設された（2016年6月、住友ベークライト（株）静岡工場内）。これにより、非可食バイオマス由来の糖を原料としたバイオ

図10

バイオエタノール価格推移

マス由来フェノール生産におけるバイオ変換工程と濃縮精製までの一貫製造システムが完成した。
現在、実用化を目指して各種原料の検討、フェノー

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