革新的環境技術シンポジウム2018～長期低排出発展戦略の実現に向けたイノベーションの推進～

2018年12月19日

持続可能な社会の実現を目指した
グリーンバイオプロセスの開発
公益財団法人地球環境産業技術研究機構(RITE)
バイオ研究グループ／グループリーダー、主席研究員

乾 将行

Presentation OutlineConfidential

1 はじめに・SDGs、バイオエコノミーの紹介

2 研究開発・バイオ燃料; バイオジェット燃料生産
・バイオ化学品; 芳香族化合物生産

・NEDOスマートセル
3 国家プロジェクト
・SIP戦略的イノベーション

4 実用化事業

・GEI (Green Earth Institute㈱)・GCC (グリーンケミカルズ㈱)5 終わりに・まとめと今後の展開
2

Confidential

持続可能な開発目標 (SDGs)

2015年9月の国連サミットで全会一致で採択。先進国を含む国際社会全体の開発目標として、2030年を期限とする包括的な17の目標を設定。前身は2000年の「国連ミレニアム宣言」。
発展途上国の目標に追加された、先進国を含む国際社会全体の目標。

バイオテクノロジーが貢献すべき目標は17項目中 10項目以上
The Global Goals for Sustainable Development (SDGs)

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出典: 国際連合広報センター✔
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3

BioeconomyConfidential

バイオテクノロジーと再生可能な生物資源を活用して地球規模での課題を解決しながら経済成長を図る
・OECDは、2030年のバイオ市場はGDPの2.7％(約1.6兆ドル(約200兆円))に成長と予測。
・工業分野の割合が40％。
The Bioeconomy to 2030. OECD(2009)http://www.oecd.org/

グローバルバイオエコノミーサミットの開催(GBS)
2018年4月ベルリン(独)http://gbs2018.com/home/2016 Bioeconomy Report (European Commission)

2014年にEUで2.2兆€の売上高
農林業・漁業・食品・バイオ化学品・衣料・木製品
工業・製紙・医薬品・燃料・バイオ発電分野など
https://www.european-bioplastics.org/europeancommission-2016-report-on-the-bioeconomy/4バイオものづくりの市場拡大

Confidential

バイオプラスチックの生産量は2022年までに2017年の20％増まで拡大(244万トン)

出典: http://natureplast.eu/en/evolution-bioplastics-market/

5Confidential

バイオ×デジタルが変える工業／エネルギー分野
生物情報（BD）
DNARNA
タンパク質
代謝物他

✖

高度AI・
IT技術
深層学習
機械学習
進化工学
シミュレーション
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

スマートセル
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

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
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

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

6増殖非依存型バイオプロセスの概念図

Confidential

RITE Bioprocess®
特許 JP3869788 DE602004026192.0 JP4927297

反応槽に微生物を高密度充填し反応JP4451393 DK1647594
US7368268 FR1647594
EP1647594 GB1647594
CH1647594

混合糖完全同時利用可
高生産性

C5, C6糖

微生物が増殖しないため、生産物
バイオ燃料
バイオ化学品

発酵阻害
物質耐性

菌体触媒
（増殖なし）

US7598063
EP1291428
JP4294373■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。

＊RITE Bioprocessは、公益財団法人地球環境産業技術研究機構の登録商標(登録第5796262号)です。

従来の発酵法微生物が増殖しながら物質を生成■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。

増殖■生産(反応)時間は微生物の増殖に依存。
7Confidential

非可食バイオマスを原料とする必須要素技術の基礎確立
混合糖完全同時利用

発酵阻害物質耐性

ペントーストランスポーターの導入による混合糖同時利用能の向上(増殖非依存型バイオプロセス(RITE Bioprocess®))

バイオマス由来の発酵阻害物質
バイオマス成分

Pentose transporter 遺伝子(araE) 導入
200150
糖濃度(mM)

糖濃度(mM)

150

グルコース
キシロース
アラビノース100

リグニン

5000024681012

反応時間(h)OH02468
反応時間(h)10Fructose

Fructose-PTS

SucroseSucrose-PTS

Cellobiose
Galactose

β-Glucoside-PTS

Arabinose

OCH34-HB

フルフラール

100Glycolysis

BglA

100806040200Xylobiose
Xylose5-hydroxymethyl2-furaldehyde

増殖非依存型バイオプロセス(RITE Bioprocess®)の発酵阻害物質に対する耐性

Pyruvate
ManA

05101520Concentration（mM）

Pentose transporter

XylAB
AraBAD

Pentosephosphate
pathway

CHO

E. Palmqvist, B. Hahn-Hägerdal. Bioresource Technology 74:25-33. 2000. より改変

Relative ethanol
productivity(％)

MannoseO5-HMFOH

Syringaldehyde
OH

HOH2C

O

4-hydroxybenzaldehyde

OCH3O

C. glutamicum R株による糖代謝利用能
Glucose-PTSOH

OCH312CHO

FurfuralAcetic acid

4-HB

Vanillin

RITE論文: Appl. Microbiol. Biotechnol. 85:105-115. 2009.

GlucoseOO50FuransO

Phenols100

Pentose

ヘミセルロース

productivity(％)

グルコース
キシロース
アラビノースHexoseセルロースRelative ethanol

20080604020002040

RITE論文: Appl. Environ. Microbiol. 73:2349-2353. 2007.

●RITE Bio-Process■ザイモモナス菌

60Concentration(mM)▲アルコール酵母

8Confidential

Product portfolio by RITE Bioprocess®
(1) バイオ燃料(2) グリーン化学品

 ガソリン混合・代替・エタノール

 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(老化防止剤))

 バイオジェット燃料
・イソブタノール・n-ブタノール

・100％グリーンジェット燃料
C9~C15飽和炭化水素+ 芳香族化合物
 バイオ水素 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 (キレート剤)
・バリン (次世代飼料用アミノ酸、医薬品原料、食品)
・トリプトファン (飼料用アミノ酸、医薬品原料、飲料)
・メチオニン (飼料用アミノ酸、調味料)
 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)9バイオ燃料生産技術の開発10

Confidential

2020年 東京オリンピックでの導入を目指してO

http://www.jica.go.jp/

OOO

水素化処理

OO

油脂:トリグリセライド
C12 - C18

http://biodiesel-news.com/

50％混合

http://www.treehugger.com/

ヤトロファ
カメリナ

有機廃棄物他藻(Algae)

ガス化/熱分解

HOH2C

OOH

バイオマス（セルロース系）

CH2OH
OOH

OHOH

酵素加水分解syngas

HO50％混合
FT法

水素化処理

微生物変換

微生物
変換

H 3C

熱分解油～30％混合

OHOH

ブタノール

オリゴマー化
水素化処理

分岐鎖飽和炭化水素化合物
環状飽和炭化水素化合物
芳香族化合物CH3

100％

CH3C10 - C15
パラフィン系
炭化水素
成分調整
CH3S

<25％

<5％

ジェット燃料11

Confidential

バイオブタノール製造技術
原料バイオマス
非可食バイオマス
セルロース系

ｺｰﾝｽﾄｰﾊﾞｰ
ｺｰﾝｽﾄｰﾊﾞｰ
ｽｲｯﾁｸﾞﾗｽ他
ｽｲｯﾁｸﾞﾗｽ他
トウモロコシ小麦
サトウキビ他
食品由来の澱粉
ショ糖系

食糧系バイオマス

製造技術（微生物変換）

工業用
微生物
酵 母
大腸菌

コリネ型細菌オリゴマー化ジェット燃料

METI「国際共同研究開発プロジェクト(H27～31年)

米海軍、米空軍

RITE

ジブチルエーテル

Isobutanol
Butamax
Gevo

OH

ディーゼル燃料
ガソリン添加剤
ブチルゴム
LANXESS 脱水→ブチレン

PET

ABE
クロストリジウムOH

東レ ﾊﾟﾗｷｼﾚﾝ→ﾃﾚﾌﾀﾙ酸
Coca-Cola

n-Butanol

アクリレート類

Eastman Chemical (TetraVitae)
Ji-An Biochemical Co., Ltd.
Cathay Industrial Biotechnology Co., Ltd.
Green Biologics

アセテート

ABE:アセトン･ブタノール・エタノール発酵法

溶剤
グリコールエーテル
12Confidential

コリネ型細菌におけるイソブタノール生合成経路
2NAD+2NADH

SugarsPhosphoenolpyruvate
Lactatepyruvate

副生経路の遮断

Succinate
Acetateブタノール生合成系遺伝子の高発現

Pyruvate + Pyruvate

コリネ型細菌由来
酵素遺伝子(バリン経路)① Acetohydroxyacid synthase(AHAS)
NADH
NAD+

② Acetohydroxyacid isomeroreductase(AHAIR)

2,3-Dihydroxyisovalerate③ Dihydroxyacid dehydratase(DH)D-Pantothenate

2-Ketoisovalerate

Isobutyraldehyde
NADH
NAD+

⑤ Isobutanol dehydrogenase(IDH)

Isobutanol

細胞内
酸化還元
バランスの調整

L-Valine④ 2-ketoacid decarboxylase(KDC)

L-Leucine

他微生物
酵素遺伝子

フィードバック
阻害の解除

Acetolactate

高基質特異性酵素遺伝子の探索・改良
13Confidential

生産性比較: イソブタノール生産
Isobutanol
productivity(g/L/h)Aerobic /Anaerobic

KDCADH

220.20Micro-aerobic

kivD

adh2

Saccharomyces
cerevisiae 2)

0.63

0.007

Aerobic

aro10

adh2

Bacillus subtilis 3)

5.5

0.09

Micro-aerobic

kivD

adh2

Synechococcus
elongatus 4)

0.45

0.003

Aerobic

kivD

yqhD

Corynebacterium
glutamicum 5)130.26

Shift tooxygen deprivation

kivD

adh2

Corynebacterium
glutamicum 6)

27

1.1

RITE bioprocess

kivDadhP

1) Nature 451:86-90. 2008.
2) Biotechnol. Biofuels 5:65. 2012.
3) Microb. Cell Fact. 11:101. 2012.

4) Nat. Biotechnol. 27:1177-1180. 2009.
5) Appl. Environ. Microbiol. 77:3300-3310. 2011.（Germany）
6) Biotechnol. Bioeng. 110:2938-2948. 2013.（RITE）

Microorganisms

Isobutanol(g/L)

Escherichia coli 1)

kivD : Lactococcus lactis
aro10: Saccharomyces cerevisiae
adhP: Escherichia coliadh2: Saccharomyces cerevisiae
yqhD: Escherichia coli

14Confidential

二相反応系を用いたイソブタノール生産
600

反応槽全体

イソブタノール(mM)

500
400

二相反応系
有機溶媒相
反応液相

有機溶媒相

300200反応液相

1000010203040時間(h)50

イソブタノール(mM)

生産性(mol/mol％)

RITE Bioprocess®

24057

RITE Bioprocess®
+ 二相反応系

50578607015

グリーン化学品生産技術の開発

16増殖阻害物質の生産技術確立への挑戦
生成物による増殖阻害のため増殖阻害物質を増殖を伴う発酵法で生産する場合の課題

低生産性(生成速度の低下、最終生成物濃度の低下等)

Confidential

実用生産は非常に難

増殖非依存型バイオプロセス（RITE Bioprocess®）
混合糖完全同時利用
発酵阻害物質耐性

非可食バイオマス

前処理
糖化混合糖(C6,C5糖)増殖阻害物質・芳香族化合物(フェノール等)
・アルコール(ブタノール等)• コリネ型細菌は、芳香族化合物やアルコールに対する耐性が高い。

優位点 • 生成物が増殖阻害物質の場合、増殖を伴う発酵法と比較して、増殖非依存型バイオプロセスは影響が低い。

17

ターゲット; 高付加価値 “芳香族化合物”

高価値

低価値

アミノ酸など医薬、食品向け

芳香族医薬品、香料向け

バイオ燃料など

芳香族
溶剤、汎用化成品

脂肪族

芳香族

Confidential

これまで、毒性が強いためバイオプロセスによる高生産が極めて難しかった

18Confidential

芳香族化合物の生産技術開発
Glucose4-HBA: 4-hydorxybenzoic acid
4-ABA: 4-aminobenzoic acidPTS
CA: trans-cinnamic acidFA: ferulic acid
4-HCA: 4-hydroxycinnamic acid(p-coumarate)
4-HS: 4-hydroxystylene
3,4-CHD: S, S-3,4-dihydroxy-3,4- EM pathway
dihydrobenzoic acid
G-6-P
2,3-CHD: S, S-2,3-dihydroxy-2,3dihydrobenzoic acid
F-6-P
CHA: chorismate
ANT: anthranilate
F-1,6-P2(2-aminobenzoate)
PPY: phenylpyruvate
GAP
DHAP
4-HPE: 4-hydroxyphenylethanol
NAD+
GAPDH
4-HPPA: 4-hydroxyphenylpyruvate
NADH
4-HPAAL: 4-hydroxyphenylacetaldehyde
PGP
4-HA: 4-hydroxyaniline
4-CAL: 4-coumaryl alcohol
PAAL: phenylacetaldehyde
PYR
PEP

PEP

PYR

CH2OH
OH
OH

Catechol
Gentisate

Phenylacetate
4-HS

4-HCA
StyreneCA

PheArabinose

Pentosetransporter

OH

XylosexylA

PP pathway

NADPH

6-PGlucono-lactone

DHQ

Gallate

DHS

ANT
PPY
PAAL

NADPH

Ribulose-5P
araD

Ribu5P

Xlu5P
Sed-7-P

F-6-P
F-6-P
GAP

Ery-4-P
cis, cismuconateCatechol

4-HBA
Phenol PCA

4-HPPA

Aniline4-HPAAL

OH

4-Hydroxyphenylethanol
4-Hydroxyphenylacetate

Tyramine

4-ABAOH

4-Hydroxyphenyllactate

PCA

Shikimate
Chorismate

HOCH2GAP

DAHP
QuinateCO2OOH

Arabinose
araA
Ribulose
araB

xylB

6-PGluconate
Rib5P

Salicylate
Isochorismate
CatecholAnilinePhenyllactate

XyloseNADP+

Pyrogallol

Trp

OH

OH

Xylulose

Pyruvate
3,4-CHD,2,3-CHD

OH

NADP+

HOCH2 OOHO

Tyr

Phenol4-HCA

Homogentisate

4-HydroxyCatechol
2-Phenylphenylacetate
2-Hydroxy- ethanol
Phenyl-acetate
phenylacetate
p-Cresol

Gentisate

4-Vinylcatechol

4-HSp-Cresol

Caffeic acid
Ferulic acid

4-Vinylguaiacol
4-Hydroxyphenylethanol194-ヒドロキシ安息香酸
HOConfidential

O・4-Hydroxybenzoic acid(4-HBA)・ユビキノン生産経路の中間体

・ベンゼン環、カルボキシル基、水酸基
OH・対角の位置に置換基

用 途■液晶ポリマー原料■防腐剤(パラベン)■バイオフェノール前駆体■防カビ剤 ■写真薬 ■香料の原料■ナイロン樹脂の可塑剤
20Confidential

コリネ型細菌の耐性評価

濁度（菌体濃度に比例）

4-ヒドロキシ安息香酸存在下での各微生物の増殖曲線
コリネ型細菌2.0

シュードモナス

2.0

大腸菌

2.0

1.5

1.5

1.5

1.5

1.0

1.0

1.0

1.00.50.5

0.5

0.5000051015202505時間 (hr)1015202501015202500510時間 (hr)

時間 (hr)

培養液に加えた4-ヒドロキシ安息香酸濃度(mM)

増殖阻止濃度（mM）

5ロドバクター2.00100

152025時間 (hr)

200

250

300

コリネ型細菌シュードモナス

大腸菌

ロドバクター

> 300

250

200

100

コリネ型細菌が最も高い耐性を持つ

21

Confidential

生産性比較: 4-HBA生産
宿主

生産量

収率

反応時間

Escherichia coli 1）

12 g/L

13%

72 h

J.W. Frost et al., 2001.
(ミシガン州立大)Escherichia coli 2）

6.2 g/L－40 h

M. Amaratunga et al., 2000.
(GE)

Escherichia coli 3）

9.7 mg/L－24 h

B.F. Johnson et al., 2000.
(GE)

Escherichia coli 4）

1.8 g/L

～50%

96 h

S. Noda et al., 2016
(神戸大)

Rhodobacter sphaeroides 5）

2.2 mg/L－72 h

氏原ら, 2012.
(協和醗酵バイオ)Klebsiella pneumoniae 6）

0.12 g/L－－

R. Müller et al., 1995.
(ﾗｲﾝ・ﾌﾘｰﾄﾞﾘｯﾋ・ｳﾞｨﾙﾍﾙﾑ大)Pseudomonas putida 7）

1.8 g/L－70 h

S. Verhoef et al., 2007.
(デルフト大)Pseudomonas putida 8）

0.35 g/L－15 h

S. Verhoef et al., 2010.
(デルフト大)Pseudomonas putida 9）

6.0 g/L－70 h

S. Verhoef et al., 2014.
(デルフト大)134 g/L34%

56 hRITE

Corynebacterium glutamicum
1）Biotechnol. Bioeng. 76:376-390. 2001.
2）US patent 6030819
3）US patent 6114157
4）Metab. Eng. 33:119-129. 2016.
5) 特開2012-183048(出願日2011.3.8)

研究グループ6）Appl. Microbiol. Biotechnol. 43:985-988. 1995.
7）J. Biotechnol. 132:49-56. 2007.
8）Appl. Microbiol. Biotechnol. 87:679-690. 2010.
9) New Biotechnol. 31:114-149. 2014.

22Confidential

4-hydroxybenzoateの用途
パラベン類

液晶ポリマー用の原料(モノマー)
omn

重合選択性触媒

可塑剤

感熱紙用顕熱剤

農薬等中間体4-hydroxybenzoate(4-HBA)

写真薬・香料の原料
感光材料の原料
染料・顔料中間体
紫外線吸収剤の原料
https://www.ueno-fc.co.jp/business/technology.html を参考に作成

23

合成生物工学による スマートセルの創製
従来型細胞育種発見(discover)
解析(analysis)

スマートセル(高度に機能がデザインされた生物細胞)の創製
システム生物学ツール
新規遺伝子クラスター同定
統合オミクス解析
ゲノム解析
転写制御解析

構築(Built)

DBTLサイクル
学習(Learn)
人工知能（AI）
機械学習等

試験(test)

合成生物工学ツール
人工代謝パス構築
統合プラットフォーム構築
遺伝子クラスター合成
ゲノム編集

設計(Design)

設計(design)
組換え(built)

Confidential

試験(Test)
自動ハイスループット
アッセイ

人工的な代謝経路・遺伝子回路を計算機科学的に設計し、合成生物工学により設計通りに遺伝子を合成・編集し生産細胞を創製

24

内閣府 戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)に参画

Confidential

研究開発期間 5年

スマートバイオ産業・農業基盤技術

研究課題C: 生物機能を利用したものづくりによる持続可能社会の実現

C1:革新的バイオ素材・高機能品等の開発を加速するインフォマティクス
基盤技術の開発
バイオモノマー生産グループ(バイオモノマー合成酵素開発チーム)として参加

出典: 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構
生物系特定産業技術研究支援センター作成資料から抜粋
http://www.naro.affrc.go.jp/laboratory/brain/sip/files/
SIP2_setumeikaisiryou_gaiyouhen.pdf

25増殖阻害物質の高生産技術開発の戦略
非可食バイオマス由来
糖化液の利用に必須な技術を唯一保有

スマートセル技術や酵素改変技術の導入による更なる生産性向上

Confidential「増殖非依存型バイオプロセス」+「高耐性コリネ型細菌の利用」
により増殖阻害物質の高生産を実現

増殖非依存型バイオプロセス（RITE Bioprocess®）
混合糖完全同時利用
発酵阻害物質耐性

非可食バイオマス

前処理
糖化混合糖(C6,C5糖)増殖阻害物質・芳香族化合物(フェノール等)
・アルコール(ブタノール等)

工学的手法(膜リアクター等)とミューテーターによる生産物耐性株の取得による高生産の実現

26

Green Earth Institute㈱ (GEI)

Confidential■設立目的： RITE Bioprocessの事業化■設 立:

2011年9月1日■代表取締役: 伊原智人
■本 社:

東京都文京区本郷7-3-1
東京大学アントレプレナープラザ■研究所:

千葉県木更津市かずさアカデミアパーク■事業内容:

非可食バイオマスを原料としたバイオ燃料・化学品の生産■製 品:

Green Earth 研究所

アミノ酸／工業用、食品用アミノ酸(アラニン、バリンなど)
海外の複数の国で生産プロジェクトが進行中
バイオ燃料／ブタノールを原料とした「JALバイオジェット燃料フライト」プロジェクトに参画
化粧品原料／化粧品用エタノールの国内販売開始

海外メーカーとのコラボレーション
右はRITE本庄専務理事、左はGEI伊原社長

27

グリーンケミカルズ㈱ (GCC)

Confidential(グリーンフェノール開発㈱から社名変更)■設立目的: グリーン化学品の事業化■設 立: 2014年5月27日(RITEと住友ベークライト㈱で設立したグリーンフェノール・高機能フェノール樹脂製造技術研究組合を組織変更して設立)■代表者: 代表取締役社長 林 茂 (住友ベークライト㈱)■本 社: 京都府木津川市木津川台9-2(RITE内)パイロット生産設備■拠点:
・RITE内■拠点:
・住友ベークライト㈱静岡工場内■事業内容:・NEDO事業を受託し(H26.5～27.3)、千葉県かずさアカデ
ミアパークにパイロット設備を設置、RITEが開発した2段工程法を利用したグリーンフェノールの生産に成功(住友ベーク
ライト静岡工場内に移設)。
・NEDO事業助成により(H27.8～30.2)精製プロセスを導入し、グリーンフェノールのバイオ生産～精製までの一気通貫生産を実現。
・同パイロット設備において各種グリーン化学品生産を検討中。

グリーンフェノールモノマー/樹脂

グリーンフェノール
樹脂材料成形品28

まとめと今後の展開

Confidential

スマートセル創製技術の開発■バイオ技術 × デジタル技術の融合

RITE Bioprocess■高生産性■混合糖類(C6, C5糖)の完全同時利用性■発酵阻害物質への高度耐性

バイオ燃料生産技術の開発■バイオジェット燃料; 目標 → 2020年 チャーターフライト運航

グリーン化学品生産技術の開発■グリーン芳香族化合物(ポリマー・香料・化粧品等の原料);製造技術開発の加速

29

RITE バイオ研究グループ↑
RITEバイオ研究グループ←奈良先端科学技術大学院大学
教育連携研究室
微生物分子機能学(乾研究室)

30

Thank you for your attention
Contact Information:
mmg-lab@rite.or.jp
www.rite.or.jp

31