RITE Today 2021

研究活動概説 ● バイオ研究グループ

バイオ研究グループ
グループメンバー（2020 年 12 月末）
グループリーダー・
主席研究員
副主席研究員
副主席研究員
副主席研究員
副主席研究員
主任研究員
主任研究員
主任研究員
主任研究員
主任研究員
主任研究員
主任研究員
主任研究員

乾
将行
寺本 陽彦
平賀 和三
寺崎 肇
宮本 正人
田中 裕也
須田 雅子
北出 幸広
豊田 晃一
加藤 直人
長谷川 智
渡邉 彰
小暮 高久

主任研究員
久保田 健
主任研究員
大島 俊宏
主任研究員
生出 伸一
研究員
清水 哲
研究員
原
知明
研究員
肥後 明佳
研究員 THERESIA Natalia Maria
研究員
柏木 紀賢
研究員
小林 淳平
研究員
橋本 龍馬
研究員
猿谷 直紀
研究員
野嵜 裕貴
研究助手
渡邊 淳子
研究助手
池永 由布子

研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手

水口 祥子
永守 美雪
内藤 香枝
池田 永子
米田 和代
小泉 真夕
西
淳子
森 佳代子
岩島 素巳
吉田 佳世
岡田 亜弥
岸 紀美代

持続可能な社会の実現を目指したバイオリファイナリー技術の開発
1. はじめに新型コロナウイルス感染症の世界的な大流行が、経済社会活動に多大な影響を与えている。一方、地球温暖化

2030年、約1.7兆ドル

や海洋プラスチックなどの環境問題は依然として深刻化している。こういった状況の下、バイオエコノミーの推進
は、感染症収束後の経済回復、および環境問題の解決に向け、益々重要性が高まっている。
バイオエコノミーとは、バイオテクノロジーや再生可能

製造業
39%

農林水産
36%

健康・医療
25%

な生物資源等を利活用して、地球規模での課題を解決しながら、持続的で、再生可能性のある循環型の経済社会の拡大を図るというコンセプトである（図 1）。

出典：The Bioeconomy to 2030. OECD(2009)、NEDO作成資料より

図 2 バイオエコノミー市場予測
再生可能資源
原料・バイオマス

バイオリファイナリー

農業技術

経済協力開発機構（OECD）によると、「2030 年バイ
オ市場は加盟国全体で約 190 兆円規模に拡大、製造業

農業・林業
リサイクル

化学品、医薬品
エネルギー、食品分野は約 4 割に達する」と予測(図 2）されており、全産業がバイオ化するともいわれている。
そのような情勢の中、政府は、「2030 年に世界最先

CO2吸収

CO2、廃棄物

端のバイオエコノミー社会を実現」することを⽬標とする
消費

総合的な政策パッケージとして、2019 年 6 月に、「バイオ戦略 2019」 を策定。これを毎年更新しながら推進

BioValeの資料を参考にRITEで作成

図 1 バイオエコノミーのコンセプト

することとしており、2020 年 6 月に、「バイオ戦略
2020（基盤的施策）」を、2021 年 1 月に「バイオ戦略２

27

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研究活動概説 ● バイオ研究グループ

０２０（市場領域施策確定版）」を公表した。

画を策定した（図 3）。GMBM は、2021 年から開始さ当グループでは、微生物を利用して、このバイオエコノ

れる予定である。それらに伴い、バイオジェット燃料は、

ミーの中核技術であるバイオリファイナリー技術、即ち再主として欧米で年々普及が進んでおり、調理用廃油など

生可能資源（バイオマス）を原料としてバイオ燃料やグリを利用したサステナブルな航空燃料（SAF）として商業

ーン化学品を製造する技術の開発を進めている。

飛行が継続されている。

本項では、まず、バイオ燃料やバイオプラスチック（汎用プラスチック代替）について概況を紹介する。

当グループでも、バイオ燃料に関する研究開発を行っており、日本航空株式会社（JAL）が主催するプロジェク
トでは、国産バイオジェット燃料の製造に国内で初めてバイオ燃料

成功し、国内線定期便に搭載された（第４章１節参照）。

バイオ燃料の代表格であるバイオエタノールは、米国

また、石油系燃料への混合比率の制限をなくしそのまではトウモロコシ、ブラジルではサトウキビを原料として

まジェット燃料に利用できるグリーンジェット燃料の研生産され、ガソリンに 10〜25%ほど混合されて自動車

究開発も行っている（第４章１節参照）。

用燃料として供給されている。最大の生産・消費国である米国では、米国エネルギー情報局（EIA）によれば、2019 年 158 億ガロン（5,981 万 kL）のバイオエタノー ル が 生 産 さ れ た 。 OECD-FAO の 「 Agricultural
Outlook 2020-2029」によれば、2019 年は 1.29

航空機からのCO2排出量（百万トン）
3500

対策しなかった場合のCO2排出量

2500
2000

1500

18億トン～

グリーンジェット
燃料の導入

1000

半分を米国が占めたことになる。この割合は、ここ数年

02000 2005 2010

原料が食料資源と競合しない第 2 世代バイオ燃料で航空機の燃費改善
運行方法の改善3000

億 kL のバイオエタノールが世界で生産されており、その変わっていない。

航空機からのCO2排出量予測

排出権取引

500
2020

2030

2040

2050

ICAO目標8億トン弱

3億トン
IATA目標ICAO：国際民間航空機関
参照）ICAO Environmental Report 2016 IATA： 国際航空運送協会＜ICAO 予測＞
2050年の航空分野からのCO2排出量は少なくとも18億トンに達する＜ICAO目標＞
航空分野からのCO2
排出量を2020年以降増やさない＜IATA目標＞
航空分野からのCO2
排出量を2050年に2005年時点の50％まで削減。

図 3 航空機からの CO2 排出量削減対策

あるセルロースエタノールは、トウモロコシ等の農業残渣を原料として生産される。米国再生可能燃料基準（RFS）

船舶燃料に関しては、一般財団法人日本船舶技術研によるセルロース系原料からのバイオ燃料の 2020 年

究協会（JSTRA）等が連携して設立した、日本の国際海生産見込み（米国環境保護庁（EPA）、2020 年 3 月改

運 GHG（温室効果ガス）ゼロエミッションプロジャクトに訂）は、5.9 億ガロン（約 223 万 kL）である。これはおいて、2050 年ゼロエミッション目標に向けて、次世

2007 年に定められた RFS 目標値の 5.6%余りにと代の低炭素燃料（バイオ水素等）への代替などのイノベー

どまっており、今後、商用化の加速が求められている。

ションの推進など、ゼロエミッション実現に向けた取り組

RITE では、セルロース系バイオマスを効率的に利用でみの加速を図るロードマップを策定している。

きるバイオプロセスを開発している（第２章参照）。
航空燃料に関しては、国際民間航空機関（ICAO）が、バイオプラスチック（汎用プラスチック代替）

2010 年総会において、2020 年以降温暖化ガスの総温室効果ガス削減に対応した化石資源に依存しない

排出量を増加させないこと等を決定した。また、2016

プラスチックの普及・汎用化が停滞していることや、海洋年の総会で、2020 年以降に市場メカニズムを活用した

プラスチックごみによる環境汚染等が重大な世界的課

温室効果ガス削減制度（ GMBM: Global Market-

題となっていることから、再生可能資源であるバイオマ

Based Measures）を導入すると決定した。それに基スを原料としたバイオプラスチックや生分解プラスチッ

づき国際航空運送協会（IATA）は、バイオジェット燃料

クに大きな期待が寄せられている。

の使用、排出権取引の活用などによる具体的な行動計「バイオ戦略 2020」では、バイオ戦略 2019 で示さ

28

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研究活動概説 ● バイオ研究グループ

れた 9 つの市場領域の 1 つである「バイオプラスチック

RITE Bioprocess®
反応槽に微生物を高密度充填し発酵（汎用プラスチック代替）」についても、歩みを止めること

特許

C5, C6 糖

なく、遅滞なく推進することが重要とされている。

混合糖の完全同時利用
発酵阻害物質に対する高耐性

当グループは、国立研究開発法人新エネルギー・産業

バイオ燃料
グリーン化学品

技術総合開発機構（NEDO）のムーンショット型研究開
発事業プロジェクト（非可食性バイオマスを原料とした海増殖非依存型バイオプロセス■ 高収率、高生産■ シンプルなシステム

JP3869788
JP4451393
US7368268
EP1647594
JP4712716
US8604180
DE602004026192.0

FR1647594
JP4927297
US7598063
JP4294373

従来の発酵法微生物が増殖しながら物質を生産

洋分解可能なマルチロック型バイオポリマーの研究開発）に参画し、「非可食バイオマスを原料としたバイオモノマ
増殖

増殖依存型バイオプロセス■生産（反応）時間は微生物の増殖に依存■細胞増殖による炭素損失

ー生産とポリマー分解酵素の開発」に取り組むこととし
図 5 「RITE Bioprocess®」の特長①ている。

（増殖非依存型バイオプロセス）

https://www.rite.or.jp/bio/info/20200928
MoonshotResearchandDevelopmentProgra

高効率化の鍵は、微生物の増殖を抑制した状態で化

m.pdf

合物を生産させるという、増殖非依存型バイオプロセスにあり、増殖に必要な栄養やエネルギーが不要となる。

2. バイオ研究グループのコア技術

これにより、微生物細胞を極めて効率的に利用すること

当グループでは、新しい技術コンセプトに基づく革新®

的バイオプロセス「RITE Bioprocess 」を確立し、バイが可能で、通常の化学プロセスと同等以上の高い生産性を備えたバイオプロセスを実現させることに成功した。

オ燃料や、アミノ酸・芳香族化合物を始めとしたグリーン
化学品を、高効率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（図 4）。

特長② C５&C６糖類の完全同時利用
セルロース系バイオマスは、キシロースやアラビノースなどの C５糖と、グルコースなどの C６糖の混合物から

バイオ燃料
グリーン化学品

RITE Bioprocess®

非可食バイオマス(増殖非依存型バイオプロセス)構成されるため、微生物バイオ燃料の効率的な生産には、

前処理
糖化

C５糖と C６糖の同時利用が不可欠である。しかしなが
回収
精製

代謝設計

O

OH

HO

O

ら、野生のコリネ型細菌は、グルコース（C６糖）に比べ、OH
OH

スマートセル(コリネ型細菌)

OH

NH2

増殖せずに物質生産が可能
・混合糖完全同時利用
・発酵阻害物質耐性・高生産性

図 4 「RITE Bioprocess®」を利用した
バイオリファイナリーの概念

キシロース（C５糖）、アラビノース（C５糖）の利用速度が遅いため（図６左側グラフ参照）、原料を連続的に投入す
ると C５糖が蓄積され、やがて、化合物の生産効率が低下する。
当グループでは、C５糖の利用に関与するいくつかの®

2.１. 「RITE Bioprocess 」の特長
特長① 増殖非依存型バイオプロセス®

「RITE Bioprocess 」では、目的物質を効率的に生産できるように高度に代謝設計されたコリネ型細菌（スマートセル）を大量に培養し、細胞を反応槽に高密度に遺伝子を導入することによってコリネ型細菌の代謝系を改良し、C５糖の利用速度を C６糖並みに高めることに成功している（図６右側グラフ参照）。
これにより、C５&C６糖類の完全同時利用が可能となり、セルロース系原料を効率的に利用できるようにした。

充填後、嫌気的な条件や、増殖に必須な因子を削除することにより細胞の分裂を停止させた状態で反応を行う（図 5）。

29

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研究活動概説 ● バイオ研究グループ

2.2. 「RITE Bioprocess®」による主な生産物質

Improvement of simultaneous
utilization of C6 & C5 sugars by introducing
pentose transporter gene（araE）

現在、エタノール、L-乳酸、D-乳酸、アミノ酸等の高効率生産に加えて、ブタノールやジェット燃料素材、芳香族

Concentration of sugars (mM)

化合物などの高機能化学品生産へ幅広い展開を図って
200

200

glucosexylosearabinose

150

100

100

50

50

0
0

2

4

6

8

10

12

いる（図 8）。

glucosexylosearabinose

150

バイオ燃料
ガソリン混合・ 代替★ エタノール *バイオジェット燃料★ イソブタノール *☆ n-ブタノール *★ C9~C15 飽和炭化水素+ 芳香族化合物

0
0

2

4

Time(h)

6

8

10

12

Time(h)★ バイオ水素グリーン化学品
芳香族化合物★ シキミ酸 (インフルエンザ治療薬タミフル原料)★ フェノール * (フェノール樹脂, ポリカーボネート)★ 4-ヒドロキシ安息香酸 * (ポリマー原料)★ アニリン * (石油外天然資源タイヤ原料)★ 4-アミノ安息香酸 * (医薬品原料)★ プロトカテク酸 * (化粧品原料)
有機酸★ D-乳酸 *, L-乳酸 * (ステレオコンプレックス型ポリ乳酸)☆ コハク酸 *アミノ酸★ アラニン (キレート類)★ バリン (次世代飼料用アミノ酸, 医薬品原料)☆ トリプトファン (次世代飼料用アミノ酸, 医薬品原料)☆ メチオニン (飼料用アミノ酸, 調味料)

RITE’s report: Appl. Microbiol. Biotechnol. 85:105-115. 2009.

図 6 「RITE Bioprocess®」の特長②

アルコール☆ イソプロパノール (プロピレン原料)★ キシリトール (甘味料)（C５&C６糖類の完全同時利用）*：ポリマー原料★ 赤色文字：世界的高水準生産達成

図 8 「RITE Bioprocess®」による主な生産物質

特長③ 発酵阻害物質に対する高耐性
リグノセルロース系バイオマスの前処理中に生成するフェノール類、フラン類などの発酵阻害物質は、目的物次章以降では、当グループが参画している国家プロジ

質の製造過程で強い阻害を示すことが知られている。

ェクトにおける取り組みや、主要ターゲットであるバイオ

このため、目的物質を効率的に生産できるようにする

燃料および芳香族化合物を含むグリーン化学品の生産には、微生物（細菌）の発酵阻害物質に対する耐性を高技術開発について説明し、それらの実用化に向けた取りめることが不可欠である。

組みについても紹介する。

当グループが開発したコリネ型細菌は、いくつかの遺伝子を導入することによって、発酵阻害物質に対する高3. 基盤技術開発

耐性を有することが実証されている（図 7）。

3.1. NEDO スマートセルプロジェクト
NEDO が実施する「植物等の生物を用いた高機能品

Comparison of resistance tofermentation inhibitors
4-HB

FurfuralRelative ethanol
productivity（%）

100

プは初年度の 2016 年から参画し研究開発を継続して

100

80

いる（RITE Today 2019, 2020 参照）。このプロジ

80

O

60

60

40

O

40

20
0

生産技術の開発」（スマートセルプロジェクト）に当グルー

5

10

15

20

0

Concentration (mM)

●RITE Bioprocess

御された生物細胞」いわゆるスマートセルを設計する技

20

OH
0

ェクトでは「高度に機能がデザインされ、機能の発現が制CHO■Zymomonas mobilis

0

20

40

60

Concentration (mM)

術の開発とその技術の有効性検証を行う。

▲Saccharomyces cerevisiae

当グループはこのプロジェクトで扱う宿主微生物をコ

RITE’s report: Appl. Environ. Microbiol. 73:2349-2353. 2007.

リネ型細菌、生産ターゲットを芳香族化合物の１つと定

図 7 「RITE Bioprocess®」の特長③

め、研究開発を進めてきた。この化合物は産業的な利用（発酵阻害物質に対する高耐性）

価値は高いものの、これまで生物を利用して高濃度生産された例はない。微生物全般に対して毒性を示すことと、糖からの代謝経路のステップ数が多く複雑なことがその原因だと考えられる。また、コリネ型細菌は元来この目

30

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研究活動概説 ● バイオ研究グループ

的芳香族化合物の生産経路を持たない。スマートセルプ

スマートセル設計システムとコリネ型細菌の代謝マップ

ロジェクトで開発する技術(スマートセル設計システム)とで、カテコール生産能の付与と高い生産性を示す生産

基盤技術

基盤技術

を活用してコリネ型細菌の代謝経路を適切に改変するこ
グルコース
グルコース

カテコール

基盤技術

株を短期間で開発することを目指した。

基盤技術

基盤技術

まず、既存の代謝経路に対しカテコール生産に必要な

この初期生産株はごく微量のカテコールを培養液中に蓄積することがわかった。このような状況から開発を進

x500
カテコール
生産性

遺伝子のみを補うことで、シンプルな生産株を作製した。

基盤技術

x320

x380

x400

x160

0

x1

基盤技術を適用

め、高生産株の育種を行った。プロジェクトに参画してい図 9 スマートセル設計システム適用によるる複数の大学、研究所、企業と連携することでスマート

カテコール生産性の向上

セル設計システムの高精度化を図るとともに多様な改変指針の提案を挙げることができた。例えば、コリネ型

2020 年度はプロジェクトの最終年度にあたり、すで細菌の代謝モデルを利用したシミュレーションから、最にプロジェクトでの目標値を超える生産性を達成してい適生産代謝経路や高発現すべき遺伝子、削除すべき遺る。現時点では未適用の改変提案においても生産性の伝子の提案が可能となった。また、mRNA 二次構造の改善を示唆する予備検討結果を得ているため、スマート

自由エネルギー計算などから遺伝子の高発現が期待でセル設計システムを利用することで今後もさらなる生産

きる塩基配列が提案された。さらに過去文献の膨大な性向上が期待できる。

データベースから生産性向上が期待できる遺伝子改変の提案も可能であった。このようにスマートセル設計シ3.2. NEDO バイオものづくりプロジェクト

ステムを利用することで複数の改変提案が挙げられ、そ2020 年度から新たな NEDO プロジェクト「カーボれらをコリネ型細菌に反映させることで生産株を育種しンリサイクル実現を加速するバイオ由来製品生産技術のた。その結果、目的芳香族化合物の生産濃度が段階的に開発」（バイオものづくりプロジェクト）がスタートした。こ

向上し、これまで報告されていた世界最高の生産濃度をれまでスマートセルプロジェクトにおいて、生物が持つ物

短期間で大きく上回った（図 9）。

質生産能力を人工的に最大限引き出した細胞“スマートセル”を構築するための基盤技術を開発してきた。これ

https://www.rite.or.jp/news/press_releasesを踏まえ本プロジェクトでは、生物機能を活用した産業/pdf/press20201202.pdf

用物質生産技術の開発を実施する。スケールアップや精製などまで含め、工業化に向けた生産プロセスに関わる技術を開発することで、バイオ由来製品の社会実装の加速化を目指す(図 10)。
当グループはこのプロジェクトに参画し、微生物による物質生産技術の実用化に伴う課題の洗い出しと、課題を解決するための“産業用スマートセル創出技術”の開発に貢献することを目指した。さらに生産目的物質をテ
ルペン系化合物と定め、実用化を目指した生産株開発を行った。
まず、数か所の改変を加えた初期生産株を育種し、生31

RITE Today 2021

研究活動概説 ● バイオ研究グループ

産目的物質を生産可能であることを示した。次に生産株

術の特徴は、原料としてセルロース系バイオマス由来のを用いて詳細な培養プロファイルデータを取得した。デ混合糖を利用可能で、且つ高速・高収率生産が可能な点

ータは連携機関と共有し、産業用スマートセル創出技術にある（図 11）。

の高精度化に使用した。さらに、スマートセル設計システ

しかし、ブタノールは細胞毒性が強い問題がある。そムで開発した代謝モデルシミュレーションを利用し、生産

こで、本事業では高度な育種技術により、ブタノール生

目的物質の生産性向上のための改変候補を抽出した。

産株の耐性化を推進して「RITE Bioprocess® 」の高

現在この提案を採用した生産株の構築を進めており、生い生産性を更に引き上げると共に、米国立再生可能エネ

産検討を今後順次行う。

ルギー研究所（NREL）との共同研究により、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

産業用スマートセル
創出技術
実用化に伴う課題を解決

産条

スマートセル
設計システム技術の開発を加速させた。

生

実生産
・
製品化

RITE
RITE‐NREL件
最スマートセル

炭素循環型
社会実現

産業用
スマートセル

適

持続的
経済成長

ブタノール耐性株の創製、革新的高効率ブタノール生産菌の開発
省エネ型
バイオブタノール
膜濃縮・精製・蒸留

糖化液
NREL
前処理バイオマス

未利用酢酸の
利用

RITE Bioprocess®

化

RITE‐PNNL
オリゴマー化

プロジェクトの研究開発範囲
図 10 バイオものづくり産業基盤開発

ドロップイン燃料（自動車燃料、航空燃料）

バイオブタノール

図 11 「RITE Bioprocess®」によるバイオブタノール
およびジェット燃料生産

4. ターゲット別開発
4.1. バイオ燃料
バイオブタノール
ブタノールは、ガソリン代替としてエタノールよりもエ
ネルギー密度が高く、蒸気圧が低く、水と混和しにくいという優れた特性を有している。さらにブタ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、植物由来のバイオブタノールから製造したバイオジェット燃料で航空機を飛ばすことができる。航空機からの CO2 排出削減には原油から植物由来の原料に置換することが必須と認識され、業界団体の動きが加速している。ブタノールを原料としたジェット燃料
は、Alcohol to Jet を略して ATJ 燃料と呼ばれ、2016 年に米国材料試験協会（ASTM）の規格をクリア
し、商業フライトへ利用が可能となった。
こ う し た 動 き に 先 駆 け 、 当 グ ル ー プ で は 、 「 RITE
Bioprocess®」を利用した高効率バイオブタノール生
産 プ ロ セ ス の 開 発 を 進 め て い る 。 2015 年 度 か ら2019 年度まで、経済産業省の「革新的なエネルギー技術の国際共同研究開発事業」を実施した。我々の生産技

更に、2017 年からは米パシフィック・ノースウエスト
国立研究所（PNNL）との共同研究により、ブタノールを化学的にオリゴマー化したり、ブタノールのバイオ生産時に原料由来の酢酸を同時にエタノール化し、ブタノール/
エタノ－ルの混合物をオリゴマー化したりする新しいア
イディアに基づいて、ジェット燃料などの drop-in 燃料に変換する技術開発を進めた。
ブタノール生産においては、蒸留におけるエネルギー
消費が大きいことから、蒸留と PV（pervaporation）
膜濃縮を組み合わせることによって、精製に必要なエネ
ルギーを約 10 分の 1 に低減する省エネルギー型ブタノール回収技術の開発も並行して進めた。ブタノールのバイオ生産では、世界最高レベルの高生産性を達成し、生産株のブタノール耐性の向上、生産株の代謝経路の最適化、および上記省エネルギー型ブタノール回収技術の開発などの個別要素技術開発に成功し、当初の計画通り
本プロジェクトを完成させた。
一方、事業化に向けた取り組みとして、RITE は、日本航空株式会社（JAL）が主催する「10 万着で飛ばそう！

32

RITE Today 2021

研究活動概説 ● バイオ研究グループ

JAL バイオジェット燃料フライト」プロジェクト（2018 年

合にすることが必須となっている。そのため将来的にバ～2020 年）にて技術協力を行った。本プロジェクトは、

イオジェット燃料の供給可能量が需要量に追いついたとJAL と日本環境設計株式会社が協力して回収した古着しても、需要の 50％以上は石油系ジェット燃料を使いを原料とし、バイオジェット燃料を製造するものである。

続けざるを得ない。

本プロジェクトには、RITE 発のベンチャー企業である

そこで我々は、既存のバイオジェット燃料に課されてGreen Earth Institute 株式会社（GEI）も参画し、いる混合比率の制限をなくすため、シクロパラフィンやRITE が 開 発 し た コ リ ネ 型 細 菌 を 使 用 し て 、 「 RITE

芳香族化合物も含んで単独でも ASTM の規格を満た®

Bioprocess 」 に よ り イ ソ ブ タ ノ ー ル を 生 産 し た 。

す高性能なグリーンジェット燃料の開発も行っている。

2020 年には、このイソブタノールから製造されたバイ本高性能グリーンジェット燃料は石油系ジェット燃料のオジェット燃料が、純国産として、初めて国際規格である混合をほとんど必要とせず、単独使用も期待される。当ASTM D7566 Annex5 Neat に合格し、2021 年

グループでは関連する技術として、C2-C8 化合物を連

2 月 4 日の JAL の羽田ー福岡線に、初の国産バイオジ

結してジェット燃料サイズの C9-C15 分岐鎖・環状ジェェット燃料として使用された。

ット燃料前駆物質を生成できるバイオ触媒などをこれまでに開発している。

https://www.rite.or.jp/news/20210215new
ASTM認証済みバイオジェット燃料

s.pdf

新規高性能バイオジェット燃料

SIP
HCJ
HEFA
FT-SPK(A) ATJ

今後は、これらの要素技術と数々のノウハウを組み合わせることにより、バイオブタノールからのジェット燃料
生産と実用化・事業化を目指す。

イソパラフィン
石油系ジェット燃料の50％以上の混合が必須

イソパラフィン
＋シクロパラフィン
芳香族化合物
単独使用も期待される

図 12 新規高性能バイオジェット燃料の開発

グリーンジェット燃料
ジェット燃料は炭素数 C9～C15 のノルマルパラフィ

バイオ水素

ン、イソパラフィン、シクロパラフィンと芳香族化合物を

水素は燃焼時に水しか生成しないため、究極のクリー主成分とする混合物であり、密度や析出点などの物理的

ンエネルギーとして期待される。しかしながら、現行の主性質が厳格に規格化されている。

要な水素製造技術は化石エネルギーを原料とするため、これまでに、油脂を水素化処理して製造する HEFA、

こ れ に 由 来 す る CO2 の 排 出 が 大 き な 課 題 と な る 。

バイオマスをガス化後に液体燃料化して製造する FT-2017 年に開催された「再生可能エネルギー・水素等関SPK、発酵生産したエタノールやブタノールを化学重合係閣僚会議」において策定された「水素基本戦略」では、して製造する ATJ など 6 種類のバイオジェット燃料製

2030 年前後の水素利用技術の本格的な普及に向けた造法が ASTM International によって認証されてお目標を踏まえつつ、2050 年を見据えた水素社会の実り、2020 年には当グループのバイオブタノール生産技

現のために革新的な CO2 フリー水素製造技術の中長期術を用いたバイオジェット燃料も ATJ 燃料として認証的な開発が必要とされている。

を受けている。しかしこれら認証済みバイオジェット燃料

微生物を利用した水素生産（バイオ水素生産）は、将来

はいずれもイソパラフィンを主成分とし、必須成分であの持続可能な CO2 フリー水素製造技術となり得るが、るシクロパラフィンや芳香族化合物をほとんど含んでい経済性あるバイオ水素生産技術の確立には、生産性の飛ないため単独ではジェット燃料の規格を満たさず、使用躍的な向上が必要とされる。当グループは、シャープ株

するには石油系ジェット燃料と混合して 50％以下の割式会社との共同研究により、高密度菌体触媒を用いた

33

RITE Today 2021

研究活動概説 ● バイオ研究グループ

高速バイオ水素生産プロセスを開発し、従来技術と比較

4.2. アミノ酸 （アラニン、バリン）

して 2 桁程度高い生産速度を達成している。この成果を一般的なアミノ酸発酵は、微生物の培養と発酵生産に基盤として、現在、セルロース系バイオマスからのバイオ

通気（酸素）を必要とし、この通気量が適切にコントロー

水素生産プロセスにおける収率の向上を目指し、代謝工

ルされることが、高生産性の達成に重要である。これに学による水素生産微生物の改良に取り組んでいる。

対して RITE では、前述したように通気の必要がない-

光合成細菌は有機物の分解により生成する還元力（e ）「RITE Bioprocess®」を用いて、シンプルなプロセスを用いて、N2 固定酵素（ニトロゲナーゼ）により水素（H2）制御による省エネルギー、高生産なアミノ酸生産プロセを生成する（図 13）。H2 は、N2 からアンモニア（NH3）をスの開発を進めてきた。非通気条件でアミノ酸を生産す生成する窒素固定反応の副生物であるが、N2 非存在下

るには、酸素を使わずに細胞内の酸化還元バランスを適+ではプロトン（H ）の還元により H2 のみを生成する。こ正に保つ仕組みが必要であり、この目的のためには目的の「光発酵水素生産」では光エネルギーを利用して、熱力

アミノ酸に応じた人工的な生合成経路を細胞に導入す

学的に不利な「暗発酵水素生産」で副生する酢酸からのる必要がある。当グループでは、こうした課題を解決し水素生産が可能となるため、暗発酵と光発酵の統合型

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水素生産プロセスの構築により大幅な収率の向上が期

2010 年に学術雑誌に発表した（Appl. Microbiol.

待できる。しかしながら、光合成細菌において、還元力はBiotechnol. 87: 159-165. 2010.）。

CO2 固定、炭素貯蔵物質（ポリマー）合成などで消費さ

RITE は、RITE 発ベンチャー企業 Green Earthれることにより、水素生産での利用が制限される。また、

Institute 株式会社（GEI）を 2011 年 9 月に設立し、生成した水素は水素取り込み系酵素（ヒドロゲナーゼ）に「RITE Bioprocess®」によるアミノ酸等のバイオ化学

より細胞への還元力の供給に再利用される。これらの知品やバイオ燃料の事業化を目指した共同研究を実施し見を踏まえ、H/C/N 代謝経路の改変を組み合わせるこている（5 章参照）。本共同研究において、アミノ酸の一とにより、酢酸からの光発酵水素生産における収率が大種である L-バリン生産に関しては、生産菌株の開発、ス

きく向上することを示した。

ケールアップ検討やコスト低減のための各種検討を進め、酢酸

2019 年には、GEI の海外パートナー企業が保有する商

光エネルギー
光合成

ATP
e-

有機物分解
ヒドロゲナーゼ

H2利用

ニトロゲナーゼ

光合成細菌
CO2固定
菌体増殖
炭素貯蔵物質（ポリマー）合成

N2固定（H2生成）

H2

業スケールの発酵槽を用いた試験生産に成功。さらに生産の大規模化も成功し、商用生産を実現している。また、
L-アラニン生産に関しても、実用生産の段階に進んでおり、厚生労働省食品安全委員会による評価の結果、食品添加物としての安全性が確認され、工業用用途のみならず食品添加物としても利用可能になっている。更に、他のアミノ酸についても同様の実用化を目指し、研究開発を進めている。

N2 + 8H+ + 8e- + 16ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi
※N2非存在下：2H+ + 2e- + 4ATP → H2 + 4ADP + 4Pi

4.3. グリーン芳香族化合物

図 13 光合成細菌における H2 生成反応（N2 固定反応）

芳香族化合物は、ポリマー等の原料として重要な基幹と還元力（e-）の消費に関する競合

工業化学品であると同時に、医薬品、機能性栄養素材、香料、化粧品等の原料となる高付加価値な化合物が数多く存在する。芳香族化合物は現在、石油や天然の植物等を原料として製造されているが、脱石油依存、環境保34

RITE Today 2021

研究活動概説 ● バイオ研究グループ

全、および生産性の観点から、高効率なバイオ生産法の4.4. SIP（高機能ポリマー用バイオモノマーの開発）確立が望まれている。微生物細胞内ではフェニルアラニ

戦略的イノベーション創造プログラム(SIP: Cross-ン、チロシン、トリプトファンといったアミノ酸や葉酸（ビministerial Strategic Innovation Promotion

タミン B9）、補酵素 Q など種々の芳香族化合物が生合Program)は府省・分野の枠を超えて基礎研究から実成されている。これらの化合物は全てシキミ酸経路と呼用化・事業化までを見据えた取組を産学官連携で進める

ばれる代謝経路から派生する（図 14）。我々は適切な遺プログラムである。課題の一つ「スマートバイオ産業・農伝子組換えを施したコリネ型細菌を高効率バイオ変換技

業基盤技術」では、バイオとデジタルの融合・データ利活術へ適用することで、非可食バイオマスを原料としてイ

用により生物機能を活用したものづくりによる持続可能

ンフルエンザ治療薬タミフルの原料とされるシキミ酸、な成長社会の実現を目指している。

機能性ポリマー原料として有望な 4-アミノ安息香酸、そRITE は本課題のコンソーシアムの一つ「革新的バイオしてポリマー、医薬品、化粧品、接着剤原料として有望な素材・高機能品等の機能設計技術及び生産技術開発」に

芳香族ヒドロキシ酸の高生産プロセスの確立に成功して参画している。市場が所望する新機能を有するポリマー

きた。

を、バイオマスなどの安価な原料から生合成されたモノ

また、多種生物由来の遺伝子を導入することによりコマーを用いて合成することを目標としている。ポリマー

リネ型細菌が本来合成できない有用芳香族化合物につグループとモノマーグループに分かれて取り組んでいる。

いても高生産菌株の育種を進めており、前述したスマー

目標達成のために、前者はポリマー設計技術、機能予測

トセルプロジェクトにおいて開発された技術を適用する技術およびこれらの技術検証を行い、後者は生合成可ことで更なる生産性向上を図る。

能なモノマーの抽出、モノマーの生合成に向けた代謝設
計、酵素機能改変技術の開発並びにその検証を行う。

CH2OH

HOH2C

O

Glucose

OH
OH
OH

HO

PTS

PEP

OH

O
OH
OH

XyloseArabinose

Pentosetransporter

PYR
XyloseNADP+ NADPH

EM pathway

Pentose phosphatepathway

G-6-P
F-6-P

6-PGlucono-lactone

GAP

DHAP

NAD+
NADH

6-PGluconate

PYR：経路上の最終産物

PEP

OH

Ribulose

xylB

Quinate

araB

araD
Xlu5P

GAP

Sed-7-P

F-6-P
F-6-P
GAP

Ery-4-Pと推測された酵素候補および合成能を付与させるための改変候補について、機能検証を行う。
3 年目となる 2020 年度は、芳香族ジオール生合成

Protocatechuateand derivatives

DHQ

Shikimate DHS
pathwayの各チームより提案される目的モノマー合成能を有する

Ribulose-5P

NADPH

DAHP

Pyruvate：経路上の中間代謝産物

Xylulose

Ribu5P

RITE はモノマーグループのリーダーとしてグループ内

araA

CO2
Rib5P

GAPDH
PGP

OH

Arabinose

xylA

NADP+

F-1,6-P2

O
OH

HOH2C

酵素、芳香族ジアミンの前駆体生成酵素を対象に技術検証を行い、機能の向上、拡張を達成した。さらなる確度

ShikimateTyr-derivatives

Trp-derivatives

Trp

ANT

Chorismate

Tyrの向上に向けた技術開発、技術検証を進める。

PPY

Phe

Phe-derivatives

4-HBA

Phenol

4-ABA

PhenolChorismate-derivatives

図 14 様々な芳香族化合物の生合成経路

図 15 バイオマテリアル設計・生産技術統合システム

35

RITE Today 2021

研究活動概説 ● バイオ研究グループ

4.5. NEDO「ムーンショット型研究開発事業 ～非可食5.

性バイオマスを原料とした海洋分解可能なマルチロック

5.1. グリーンケミカルズ株式会社（GCC）

型バイオポリマーの研究開発～」（本社・京都研究所：RITE 本部内、

本プロジェクトでは、使用時には通常の石油由来のポ実用化への取り組み

静岡拠点：住友ベークライト株式会社静岡工場内）

リマー並みにタフで、使用後は海洋などの環境における

現在の工業生産されているフェノールはすべて石油

外部刺激によって速やかに分解する「マルチロック型バ

由来の原料から製造されている。我々は地球環境保全

イオポリマー」の開発を目指す。 これにより、高分子分野

や温室効果ガス削減の観点からグリーン化が困難とさにおける地球温暖化問題および環境汚染問題の同時解れてきたバイオ法によるフェノール製造技術開発を進め決を目指す。一般的にプラスチックの強靭性と海洋分解てきた。我々の開発した 2 段工程法を利用した実用生産性（生分解性）はトレードオフの関係にあるが、本プロジを早期に実現するため、住友ベークライト株式会社と共ェクトではこれらの両立を実現する。

同で 2014 年 5 月にグリーンフェノール開発株式会社（GPD）を設立した。2018 年 4 月には GPD はグリー
ンケミカルズ株式会社（GCC）へ社名を変更した。
現在、グリーンフェノール生産技術開発で培った量産技術とノウハウを活用し、従来は不可能と考えられていた芳香族化合物などの付加価値の高い様々なグリーン
化学品の量産技術の確立を鋭意進めており、顧客ニーズに合致したグリーン化合物の商品化を加速している（第 4 章 3 節参照）。
図 17 に現在の GCC の開発品ラインナップを示した。

図 16 非可食性バイオマスを原料とした海洋分解可能な2020 年には、GCC が保有するパイロットスケールのマルチロック型バイオポリマーの研究開発イメージ

発酵槽を用いて 2 つのターゲット化合物（プロトカテク
酸とシキミ酸）の高濃度生産に成功し、実用生産の段階

https://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP_10に進んでいる。

0161.html

開発品ラインナップ
フェノール

本プロジェクトにおいて、RITE は「非可食バイオマスを原料としてバイオモノマー生産とポリマー分解酵素のプロトカテク酸
O

シキミ酸
O

OH

OH

４-HBA
O

OH

OH
OH
OH

HO

OH

OH

OH

開発」を推進する。具体的には、① マルチロック型バイ
オポリマーの原料となる「バイオモノマー」を高生産可能とするバイオプロセスを確立するため、バイオモノマー高生産株の構築や、バイオモノマースケールアップ生産技術の開発を推進する。 また、② マルチロック型バイオポ
リマーの実用化に向け、マルチロック機構における効率

図 17 GCC の開発品ラインナップ

的な酵素分解のために、ポリマー分解酵素の高機能化や、該酵素の高生産技術の開発を推進する。

36

RITE Today 2021

研究活動概説 ● バイオ研究グループ

5.2. Green Earth Institute 株式会社（GEI）（Learn）のサイクル（DBTL サイクル）を繰り返すことに（本社：東京都文京区、研究所：千葉県木更津市かずさ）

よってデータを蓄積し、生物機能を理解していく合成生

Green Earth Institute 株 式 会 社 （ GEI ） は 、物学（バイオとデジタルの融合）が急速に発展している。

RITE が独自開 発 した前 述 の革 新的 バイオ プロセス

当グループもそのような複数の国家プロジェクトに参画「RITE Bioprocess®」の研究成果を早期に事業化すしている（3 章参照）。

るため 2011 年 9 月 1 日に設立した RITE 発ベンチャ

これらのプロジェクトでは、前述したスマートセルを利ー企業である。同社は、RITE 開発の微生物（コリネ型細用したバイオリファイナリー技術が中核技術として大き®

菌）を用いた「RITE Bioprocess 」によるアミノ酸等な役割を果たし、エネルギーに加えて工業分野（ものづのグリーン化学品生産技術やブタノール等のバイオ燃料くり）にも大きな波及効果を与えることが期待されてい生産技術の実用化のため、RITE との共同研究や事業化る（図 18）。

を目指した活動を実施している。
アミノ酸では、前述のように、L-アラニンや L-バリンに関して RITE が開発した生産株による商用スケールでの生産に成功している。現在、国内外のパートナー企業とのライセンス契約により、商用生産を実現している（4 章

生物情報
（BD）
DNA
RNA
タンパク質
代謝物他

生物機能をデザイン
Design

Build

Learn

Test

先端バイオ技術
ゲノム編集
高速シークエンス
代謝制御
培養・育種技術他

機能発現を制御

新産業創生

スマートセルインダストリー【スマートセル】を用いた工業・エネルギー群参照）。また、L-アラニンに関しては、厚生労働省により食品添加物としての安全性が確認され、工業用用途の工業(ものづくり)エネルギー

再生可能資源利用・省エネルギー

化石資源からの脱却

バイオ化学品バイオプラスチック
バイオ繊維・高機能化学品
バイオエンプラ・香料原料
医薬品・医薬品中間体などみならず食品添加物としても利用可能になっている。
航空機からの CO2 排出削減に向けて大きな期待が寄

高度AI・
IT技術
深層学習
スマートセル
機械学習
進化工学
シミュレーション 高度に機能がデザインされ、機能の発現が制御された生物細胞他

バイオ燃料
バイオエタノール
バイオジェット燃料
バイオディーゼル
バイオガスなど

出典：経産省 バイオエコノミーの実現に向けた国際動向と我が国の取組, H30年9月25日資料を参考に作成

せられている、非可食バイオマスを原料にしたバイオジェ

図 18 バイオ×デジタルが変える

ット燃料に関しても、RITE と継続的に共同研究を実施

工業／エネルギー分野の融合

する等、事業化に向けた取り組みを行っている。（第 4 章
1 節参照）
その他化粧品素材などのグリーン化学品についてもRITE と協力して開発を進め、事業化に向けたマーケテ
ィングや量産化に向けたスケールアップを行っている。
今後も、GEI は、RITE 発技術の事業化を実現するベ

当グループでは 2021 年も引き続き最先端バイオテ
クノロジーである「スマートセル」を中心とした革新的なバイオリファイナリー生産技術の開発に取り組み、低炭素社会の構築や持続可能社会の実現に貢献していきたい。

ンチャーとして、化石資源に頼らない社会の実現に向けて、バイオリファイナリー事業の発展に貢献していく。

※「RITE Bioprocess®」は、RITE の登録商標 (商標登録第 5796262 号)

6. おわりに前述したように、バイオエコノミーの推進は、感染症収束後の迅速な経済回復を見据え、今後、益々重要性が増大してくるものと思われる。
そのような中で、近年、大量の生命情報から法則を発見するという「データ駆動型」のアプローチによる生命現象の理解が進展しており、それを背景に、生物機能について設計（Design）、構築（Build）、評価（Test）、学習37