技 術 戦 略 研 究 セ ン タ ー レ ポ ート

Vol.

機能性化学品製造プロセス分野の技術戦略策定に向けて

1
2

章 機能性化学品製造プロセス分野の概要 ………………………… 2

1-1
1-2
1-3
1-4
1-5

化学産業における機能性化学品の位置付け …………………………………… 2
機能性化学品の製造プロセス …………………………………………………… 2
機能性化学品製造プロセスの環境影響 ………………………………………… 3
政策的な位置付け ………………………………………………………………… 4
機能性化学品製造プロセスの見直し ……………………………………………… 4

章 機能性化学品製造プロセス分野の置かれた状況 …………………… 5
・予測 …………………………………………………… 5
2-1 市場規模（国内、海外）
2-2 特許出願・論文発表の動向 ……………………………………………………… 7

2-3 国内外の研究開発（政策）状況 …………………………………………………… 934

章 機能性化学品製造プロセス分野の技術課題 ………………………… 13
章 おわりに …………………………………………………………… 15

T SC とは Technology S trategy C enter（ 技 術 戦 略 研 究センター）の 略 称です。

国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構
技術戦略研究センター（ TSC）

31

2019年 2月

技術戦略研究センターレポート

機能性化学品製造プロセス分野の技術戦略策定に向けて

機能性化学品製造
1 プロセス分野の概要

1 -2 機能性化学品の製造プロセス章

1

化学品製造プロセスには、反応容器に1回ごとに原料を化学産業における-1 機能性化学品の位置付け

入れて、その都度反応物を得るバッチ法と、反応容器に原料を連続して供給し、連続して反応物を得るフロー法の2種類がある。図 2 にバッチ法とフロー法の概念を示す。

化学産業は、化石資源やバイオマス等の原料からオレフィンや芳香族などの基礎化学品を生産する川上領域、化学品製造プロセスは、研究室での研究開発から始まり、基礎化学品を化学的に加工して有機化学品や合成樹脂

スケールアップを経て実用化されるため、プロセスとしてはなどの中間化学品を製造する川中領域、さらに中間化学バッチ法が使われることが多く、現在、機能性化学品につい品を加工して自動車、電化製品、住宅素材等の部品となるても、その多くがバッチ法で製造されている。

部材や素材である最終化学品、あるいは日用品として利用される殺虫剤や洗剤などの製品を製造する川下領域で構

バッチ法

バッチ法

フロー法

原料
フロー法

原料

成される（図１）。
とりわけ中間化学品は、機能性化学品とも呼ばれ、様々な機能を有し、中間製品である機能性材料の原料となり、固体触媒

多くの製品の付加価値を高める重要な生産物である。そして、機能性化学品の製造を受け持つ川中（川上も含む）に

触媒は溶媒に溶解する
触媒は溶媒に溶解する
均一系触媒で構わない
均一系触媒で構わない

位置する企業が、その技術力や研究開発力を用いて新た

図 2 バッチ法とフロー法の概念図な機能を発揮する機能性材料を生み出すことで、多様な川

出所 ：東京大学 小林修教授より提供（2017）

下企業を形成し、グローバルな競争力の源泉となっている。

図 1 化学産業のサプライチェーンと事業領域

出所 ：各種資料を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2018）

31

2

生成物

生成物

固体触媒

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機能性化学品製造プロセス分野の技術戦略策定に向けて（1）CO2 排出量得られた反応物については分離・精製が行われる。分離・精製には、一般に蒸留プロセスが使用されるが、加熱・冷

機能性化学品製造プロセス単体での CO2 排出量評価

却のために多大なエネルギーが使われており、製造コストのは困難なため、化学産業としての CO2 排出量に触れる。国50%を占めるともいわれている。またバッチ法では、1kg の立環境研究所温室効果ガスインベントリオフィス「日本の温製品を得るために100kg 以上の廃棄物が排出される例も多室効果ガス排出量データ（1990 ～ 2013 年度確報値）」

く、その廃棄、無害化処理にも多大なエネルギーが消費さによれば、2013 年度の温室効果ガス排出量は14 億 780

れ、CO2 が排出されている。

万トンCO2 換算であり、そのうちエネルギー起源の CO2 排
出量は12億 3,480万トンである。
エネルギー起源の CO2 排出量のうち、産業部門の CO2

1 -3 機能性化学品製造プロセスの環境影響

排出量が 35％（4 億 2,950 万トン）を占めている。このうち、18％（7,930 万トン）が化学産業に起因するものであり、化

機能性化学品は、汎用化学品に比べて、純度が高い、

学産業は、産業別で鉄鋼業に次いで CO2を大量に排出し添加物が多い、製造プロセスが多段であるなど、CO2を大ている（図 3）。化学産業におけるCO2 排出量の内訳をみる

量に排出するばかりでなく、大量の廃棄物の排出がある。

と、40％が蒸留分離、次いで大きいのは廃棄物等処理等

その原因として、主原料以外に、多くの副原料（酸塩基、によるものである。

溶媒、添加物等）を用いることや、複数の工程で生産が行われるために、1つの工程が高収率でも、最終生成物の段
階では、収率が数％程度に留まってしまうことが挙げられる。

図 3 日本の製造業における CO 2 排出量（電気・熱配分後 [ 間接排出量 ]、単位：百万トン）
出所：国立環境研究所 HP を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2018）331

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機能性化学品製造プロセス分野の技術戦略策定に向けて

1 -5 機能性化学品
製造プロセスの見直し（2）廃棄物発生量
石油製品・石炭製品製造業から出る産業廃棄物は216
万トンであるのに対し、機能性化学品（プラスチック製品製造業を除く）等は、1,219 万トンと6 倍近い量である（2012

1-2で述べたとおり、機能性化学品製造では現在、バッチ

年環境省資料より抜粋）。また将来予測として、我が国のエ

法が主に使われており、CO2 排出や廃棄物排出に関して改

ネルギー消費は、基礎化学品由来については 2005 年から

善すべき点がある。この改善方法として、段階ごとに省エネ、2020 年にかけて原油換算で約 100 万 kl 相当減少する見収率向上等の対応をしていくアプローチに加えて、プロセス込みであるのに対し、機能性化学品由来については140

全体を１つの流れとして構成する連続フロー製造法がある。

万 kl 程度増加することが予想されている※ 1。そして2030

機能性化学品製造の分野で連続フロー製造法が確立できれば、プロセスの省エネ、収率向上だけでなく、装置の小年以降は、さらに増加すると予想されている。

型化やプロセスのシンプル化等の効果も期待でき、CO2 排出量や廃棄物の削減につながる。そのため、欧米各国を中心

1 -4 政策的な位置付けに、付加価値が大きい医薬品原体の製造について、反応から分離、精製、錠剤工程に対して連続フロー製造法の研究が急速に進められている。

COP21（2015年、フランス・パリ）において、パリ協定が採択され、世界共通の長期目標として気温上昇を産業革命
前から2℃未満に抑えることを目標とし、1.5℃に抑える努力を追求することにも言及した。2050年までに2℃目標と整合的なシナリオ（240億トン程度）に戻すには、300億トン超の追加的削減が必要であり、世界全体で抜本的な排出削減を実現するイノベーションが不可欠である。
日本では、総合科学技術・イノベーション会議において、「エネルギー・環境イノベーション戦略」が策定され、温室効果ガスの抜本的削減を実現する革新技術の研究開発を強化することとした。この戦略の省エネルギー分野において、革新的生産プロセスの研究開発が取り上げられている。

※ 1 出所：日本化学工業協会資料（2014 年）

31

4技術戦略研究センターレポート

機能性化学品製造プロセス分野の技術戦略策定に向けて

機能性化学品製造プロセス
章
分野の置かれた状況

機能性材料を加工、製造する上で、有機合成を利用した

2

機能性化学品の需要は、今後、年率 5％以上の成長が見込まれ、世界市場規模は、2015年に16.2兆円だったものが2030年には35.9兆円に成長すると予想される（表 2）。この2 -1 市場規模（国内、海外）・予測

傾向は、機能性材料の市場における製品が多岐にわたること、または製品の寿命が短いことに起因すると考えられる。

機能性化学品を原料として作られた機能性材料は、付加

世界の機能性材料（化学品を含む）市場は約 5,500億

価値が大きく、衣食住に係る様々な製品のキー材料となってドル（2014年、医薬中間体を除く）であり、化学品全体のいる。現状、機能性材料の世界市場規模は169兆円（201515％程度を占める。市場成長率を見ると、2014年は前年比

年）であり
（表１）
、今後も、アジア、南米、アフリカ諸国を含＋4％、2020年にかけては、新興国が牽引し、数量ベース

めて、生活水準の向上とともにマーケットの飛躍的な拡大がで年率＋3％台半ばの成長が見込まれている。建材用化学

進むと考えられている。

品、産業用洗浄剤、界面活性剤、フレーバー・香料等が

表1

機能性材料の世界市場規模

機能性材料（2015年の市場規模）

関連する完成品市場

電子材料（13兆円）

EV、電化製品、エレクトロニクス

有機顔料・染料（3兆円）、塗料・インク（18兆円）

塗料・インク、
アパレル

食品添加物（2.5兆円）

食品

医薬品（117.6兆円）

医療用医薬品、OTC医薬品

香料（2.8兆円）

化粧品、
日用雑貨

農薬（6兆円）農業

界面活性剤（4兆円）、粘接着剤（2兆円）等

日用品等

合計

169兆円

出所：各種資料を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2018）表2

有機合成によって製造される機能性化学品の世界市場規模機能性化学品（有機合成品のみ）

2015年の市場2030年の市場（予測）電子材料

0 . 5 兆円

1 . 2 兆円

染料・顔料

0 . 4 兆円

1 . 0 兆円

食品添加剤

0 . 5 兆円

1 . 2 兆円

医薬品原体

1 1 . 5 兆円

2 5 . 7 兆円

香料

0 . 9 兆円

1 . 9 兆円

農薬原料

1 . 7 兆円

3 . 5 兆円

その他

0 . 7 兆円

1 . 3 兆円

合計

1 6 . 2 兆円

3 5 . 9 兆円

出所：各種資料を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2018）531

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機能性化学品製造プロセス分野の技術戦略策定に向けて欧米企業が圧倒的なプレゼンスを有しているが、これは、上位 10製品で5割を超えているが、これらの大型市場は、

高成長、高収益が追求できる事業を見定め、選択と集中を欧米企業が強く、日系企業の存在感は小さい。
需要地別にみると、現在は、日米欧が過半を占めてい継続的に図ってきたためである。一方、国内企業は既存のるが、今後はアジアが高成長を遂げると予想される。その国内マーケット、事業を維持することに注力してきたため、大背景には、消費者の購買力及び生活水準が上がり、高きく成長していない状況にある。

品質な製品・素材の需要の高まりがある。中長期的には、

なお、Dow ChemicalとDuPont が2017年に合併した。

新興国シフトが加速し、中国が世界最大の市場となる見その狙いとしては、事業の選択と集中による企業価値の向上が通しである。一方で、日米欧はシェアを落としていくと予想挙げられる。両社とも事業売却による選択と集中を進めていたされる※２。

が、抜本的な改革には至っていなかった。今回の合併により、コ

機能性化学品製造プレイヤーの世界シェアでは、上位 20スト削減や成長のシナジー獲得、事業の選択と集中（農業、素社が市場全体の約 40％を占め、そのすべてが日米欧の企

材化学、特殊化学品に特化した3社の設立）を迅速に実現する業である 。 売上上位は、BASF（独）、Dow Chemical、としている。今後は、BASFに迫る規模となり、2強体制が構築

DuPont、Ecolab（米）、Henkel（独）、Akzo Nobeol（蘭）されたことから、さらなる業界再編が加速する可能性もある。

であり、国内企業は住友化学（11位）、DIC（15位）、東レ

表 3に、国内における主な機能性化学品の用途と製造（16 位）、信越化学（19 位）である。日系企業のシェアはメーカー、市場規模を示す。生産量が年間数 10トン～ 1万ト

約 10％（上位 20 社のシェア合計 39.8％中、約 4％）となっ

ン以下であり、多くの製品が2 ～ 3社によって製造されていている。

ることから、機能性化学品は多品種少量生産品と言える。

※3

表3

国内における様々な機能性化学品の用途、主要メーカー、国内市場規模等

出所：シーエムシー出版「ファインケミカル年鑑」2017 年版を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2017）※ 2    出所 : 製造基盤技術実態等調査（機能性素材動向調査）報告書（みずほ情報総研・経済産業省 , 2016）※ 3    出所 「: みずほ産業調査 Vol.56」（みずほ銀行 , 2016）31

6

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機能性化学品製造プロセス分野の技術戦略策定に向けてものであり、国策に対応している状況である。また、日本の2 -2 特許出願・論文発表の動向

特許出願件数シェアは5％であり、一方、欧州は論文発表
シェアに比較して特許出願シェアが低い傾向にある。

（1）特許出願

表 4に示す出願人別特許出願件数では、主にグローバル化学企業であるBASF や Dow DuPontなどの企業が上位に関する国別特許出願件数の推移を示す。ここ10年で、に位置している。日本からは三菱化学（現三菱ケミカル）が特許出願の総数は増加傾向にある。その増加は中国による8位となっている。

総特許出願件数

出願人国籍別特許出願件数

図 4に、連続フロー製造技術を含むフロー製造技術全般

図 4 フロー製造技術に関する国別特許出願件数の推移（2008 年～2017 年）

出所：Derwent InnovationTM での検索結果を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2018）

表 4 フロー製造技術に関する出願人別特許出願件数（2008 年～ 2017 年）

順位

出願人

出願件数

1

China Petroleum & Chemical（中）143

2

BASF（独）134

3

Chinese Academy Of Science（中）974DowDuPont（米）915

Qingdao Haolite Biopesticide（中）52

6Univ. Nanjing Technology（中）517Arkema（仏）

45

8

三菱化学

44

9

DSM（蘭）

42

10

Bayer（独）41

出所：Derwent Innovation での検索結果を基にNEDO 技術戦略研究センター作成（2018）
TM

7

31

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機能性化学品製造プロセス分野の技術戦略策定に向けて（2）論文発表

連続フロー製造技術に関する国別論文発表件数の推移

図 5に、フロー製造技術の全般的な技術に関する国別を図 6に示す。2005 年前後から論文発表が始まり、欧米

論文発表件数の推移を示す。欧米を中心に、全体的に増での研究開発プロジェクトの進行に伴い増加してきている。

加傾向にある。最近では、中国からの論文投稿件数が急現状では、欧米日が中心であるが、次第に中国やインドか増している。また、表 5の所属機関別発表件数を見ると、日らの発表も散見されるようになってきた。

本の研究機関のプレゼンスは薄れている状況がわかる。

国別論文発表件数

総論文発表件数

表 5 フロー製造技術に関する所属機関別
論文発表件数（2008 年～ 2017 年）

発表年

図 5 フロー製造技術に関する国別論文発表件数の推移（2008年 ～2017年）

所属機関

発表件数

1

ケンブリッジ大学 (英)

12 7

2

中国科学院 (中)11 7

3CNRS (仏)11 5

4

MIT (米)96

5

グラーツ大学 (墺)

93

19

東京大学

46

38

京都大学

34

49

大阪府立大学

29

50

AIST

28

出所：Web of ScienceTM での検索結果を基にNEDO 技術戦略研究センター作成（2018）

国別論文発表件数

出所：Web of ScienceTM での検索結果を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2018）順位

図 6 連続フロー製造技術に関する国別論文発表件数の推移（1987 年～ 2017 年）
出所：Web of ScienceTM での検索結果を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2018）31

8

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機能性化学品製造プロセス分野の技術戦略策定に向けてロジェクトが産学連携で実施されている（表 6、7）
。また、2010

2 -3 国内外の研究開発（政策）状況

年頃からは、バッチ法を連続フロー製造法に置き換える革新を狙う研究開発が、欧米を中心に活発化している。そのため、（1）海外の研究開発政策状況

国際学会組織Flow Chemistry Societyが2010年に発足し、以後、欧州、米国、インドで国際学会が毎年開催されている。

2009年以降、各国で行われている国家プロジェクトをまとめると、化学品等の製造に関する革新的なフロー製造技術のプ
表6

各国の連続フロー製造技術の研究開発政策状況

国による主な研究開発プロジェクト
F3 factory (FP7)
EU

アメリカ

EU内9カ国（2009～2013年：3,000万ユーロ）

SPIRE
英、
独、
蘭等
(HORIZON2020),
COSMIC, One-Flow等 （2015～2020年：5,800万ユーロ）
The Pharmacy
on Demand（2011年～：1,000万ドル/年）（Battleﬁeld Medicine）

オーストラリア FloWorks（CSIRO全体で2億ドル）

小規模化学プロセス開発
・触媒、反応器、制御機器等開発(約3,330万ユーロ)・プロセス連携制御、最適化技術開発(約2,430万ユーロ)

化学企業が主導大学が 研究開発拠 点化
し、化学・製薬等の企業とともに研究開発

冷蔵庫大のコンパクトなAPI（医薬原体）
製造プロセスを目指す
MITにて試作成功

国防総省研究計画局(DARPA)のプロジェクト
研究機関へ委託

化学プロセス強化を目指す連続
フロー合成技術開発

CSIRO(科学技術研究機
関)が実施

出所：NEDO 技術戦略研究センター作成（2017）

表7

欧州の研究開発プログラム

出所：NEDO 技術戦略研究センター作成（2017）931

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機能性化学品製造プロセス分野の技術戦略策定に向けて（2）国内の研究開発政策状況

欧米のフロー製造技術の開発拠点を表 8に示す。各国の有力研究機関に開発拠点が設置され、企業との共同研究

1990年代に、米国 Yale 大のP.T.Anastas 教授がグリーが行われている。なかでも、ケンブリッジ大学（S.Ley）やMIT

ンケミストリーを提唱し、欧米を中心に、化学品製造におけ（K.Jensen）などは、有力な開発拠点となっている。

る廃棄物削減や CO2 削減に関する研究が活発に行われる

連続フロー製造法は2010 年頃からMIT やケンブリッジようになった。2000年には、国内でもGSC（グリーン・サステ

大学など欧米での国家プロジェクトで進展してきた。ただイナブルケミストリー）ネットワークが設立され、高性能な触媒

し、固定床反応、錠剤成型、無触媒反応などの狭い範囲

に関する研究が行われてきた。

での研究開発が行われてきており、フロー製造法としては2015年 7月に開催された GSC 東京国際会議において、進化しているが、適用できている反応は、未熟な反応を組

GSC の新たな方向を示した「東京宣言 2015」を採択した。

み合わせたプロセスにとどまっている。

同宣言では、長期的・全地球規模の課題の解決と、健康Pfizer 社では、原薬製造工程のような化学プロセスに限定

で豊かな社会の持続可能な発展をもたらす牽引役としてのし、原薬、あるいはその中間体の製造において、どのような広がりを持つ活動を、新たなGSC の方向と位置づけ、世界反応（C-C 結合生成、カルボン酸経由反応、C-N 結合生成、に開いた協調と連携により推進することとしている。

C-O 結合形成、酸化還元反応）が用いられているか検討し新化学技術推進協会（JACI）では、2015 年 3 月に「GSCている。受託製造大手のLonza 社では、流通式反応につい活動の指針」、「GSCの事例」※ 4を改訂するとともに、同年 7て、超小型の反応器で反応させるマイクロリアクター技術を

月に第 4回 JACI/GSCシンポジウム/ 第 7回 GSC 東京国際

一部実用化し、同技術を用いることによって、自社の受託した会議（GSC-7）を主催し、GSC の新たな方向を示した「東京反応のほぼ50％についてメリットがあると報告している。また、

宣言 2015」※ 5を行った。同宣言では、長期的 ･ 全地球規模

SK Biotek 社（韓国）では触媒を用いた水素化反応についの課題の解決と、健康で豊かな社会の持続可能な発展をもて、300気圧までの高圧反応可能な各種反応器（気泡塔かたらす牽引役としての広がりを持つ活動を新たなGSCの方向

ら固定床まで）を保有し、これら反応器による水素化プロセスと位置づけ、世界に開いた協調と連携によりこれを推進するの受託を行っている。

こととなった。さらに、同年 9月には、国連で「持続可能な開表8

欧米各国のフロー製造技術開発拠点
CMAC

イギリス
（2011～：5,000万ユーロ）

Fraunhofer-ICT
Fraunhofer-ICT-IMM

ドイツ

CPAC

アメリカ
（1984～）

Novartis-MIT

分離精製（特に晶析）
を重点的に開発

イギリス7大学＋大手製薬企業

マイクロリアクター開発

F3 factory実施

PAT(process analyticaltechnology)のためのコンソーシアム

ワシントン大応用物理学科内。
その場計
測ラマン、GC、LC分析の迅速化を行う

アメリカ
合成から製剤までの連続生産を目指す（2007～2017年：6,500万ドル）

出所：NEDO 技術戦略研究センター作成（2017）※ 4    http://www.jaci.or.jp/gscn/page_01.html※ 5    http://www.jaci.or.jp/images/The_statement_2015.pdf

3110

MIT化学科・化学工学科が関与

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機能性化学品製造プロセス分野の技術戦略策定に向けて発目標（SDGs）」が採択され、人々と地球にとって持続可能抑制し、2）反応器において微細加工により整流機構をつくりかつ強靭な未来に向けた世界各国の包括的な取組がスター込むことで、気液混相流が均一かつ定常的に固体触媒上にトしている。また、COP21で採択されたパリ協定を受けて、日接触する理想的な反応場が形成され、かつ、3）MEMS 技

本では長期的な目標を見据えた戦略と計画が策定した。この術を駆使した加工法により、除熱機構を強化した反応器のデ状況のもと、JACIでは、革新的な化学技術の開発を推進に

ザイン及び製造に成功している。

よりイノベーションを創出し、我が国の諸産業の発展ならびにまた、京都大学ではマイクロフロー製造に基づいた、短寿

国際競争力強化とプレゼンスの向上を図るため、GSCを基盤

命活性種を用いた有機合成プロセスの開発を行っており、ことした長期的展望をもった活動（ロードマップ、分野別戦略

れまでナノ粒子等の機能性化学品からエマルションのようなマ

作成プラン、未来社会の創成等）を推進している。

クロ製品まで種々のマイクロミキサーを開発している。現在、国内ではEYELA（東京理化器械）が、固体触媒を用い少なくとも反応時間の10分の1で所定の温度に到達し、かつた水素化反応用の小型反応システムを開発した。反応器と反応速度、反応熱に応じて温度を均一に保持することが可

しては固体触媒を充填した固定床反応器を用いているが、能なリアクターの設計手法を確立している。

小スケールでは等温反応器として扱えるものの、スケールアッ

2013年、NEDOの「グリーンサステイナブルケミカルプロセ

プに伴って反応器からの除熱が追いつかず、反応器が断熱ス開発」プロジェクトの中で、産総研と昭和電工がハロゲン含的になる。このため、酸化反応のような多大な発熱を伴う反有量の少ない超長寿命絶縁材料（ハロゲンフリーレジスト）を応に対しては、除熱を考慮した研究開発が産業技術総合研

製造する触媒反応の開発に成功し、その技術を応用した製究所（産総研）と共同で行われている。

品は多くの液晶パネル製造工程に採用された（図7上）※ 6。

具体的には、1）マイクロチャンネルを用いて爆発のリスクを

図 7 不均一系触媒による機能性化学品製造の成功例
出所：産業技術総合研究所より提供（2017）※ 6 http://www.nedo.go.jp/hyoukabu/articles/201009sdk/index.html

1131

技術戦略研究センターレポート

機能性化学品製造プロセス分野の技術戦略策定に向けてまた、三井化学はメタノールをCO2と水素から連続フローResearch for Advanced Technology）プロジェクトで、製造法によって製造する触媒開発に成功しており（図 7左

高分子担体触媒による研究開発が精力的に行われたり、

下）、触媒活性のメカニズム解明やパイロットプラントによる実

NEDOプロジェクトの中で、有機溶媒から水系に展開でき

証実験も行っている※ 7。さらに N.E.ケムキャットは、遷移金属

る革新プロジェクトの開発が行われてきた。
2015 年、東京大学の小林修教授が固定床触媒を用い錯体をシリカに固定化した触媒の開発が行われており、このた全工程連続フロー製造法による医薬原体合成（図 8）の8
知見をベースにした触媒が上市されている※（図7右下）。

このような実用化触媒を開発する中で、機能性化学品の論文をNature 誌に発表した。本発表は世界的に注目を集

合成において、不均一系触媒の活性点の周りの環境が触媒

め、関連する固体触媒による有機合成に関する論文は多活性や選択性に大きく影響することが明らかとなっている。ま数引用されている。

た、シリカ担持触媒の表面に有機ポリマーを結合させることでその後、フロー精密合成コンソーシアム（FlowST:Flow

活性が変化することや、類似の活性点を有する固体酸触媒

Science & Technology consortium）が設立され、日本化でも担体になる有機ポリマーや無機酸化物の違いで活性が学会のCSJフェスタにおいてフロープロセスが取り上げられ異なることが見出されている。

るなど、国内における研究開発が活発に進められている。

JST（科学技術振興機構）の ERATO（Exploratory

図 8 連続フロー製造法によるロリプラムの合成
出所：東京大学 小林修教授より提供（2015）※ 7 http://irc3.aist.go.jp/column/post-17361/※ 8 化学工業日報 :2012 年 5 月 15 日、Chem. Lett., 42（2013）275

31

12

技術戦略研究センターレポート

機能性化学品製造プロセス分野の技術戦略策定に向けて

機能性化学品製造章
プロセス分野の技術課題（1）反応器に関する技術課題

3

マイクロリアクターは、反応部分に対して高い比表面積
ゆえに除熱有利である点や、多相反応（気液混相反応も含め）においては、比表面積の高さが物質移動の効率化

1章で述べたとおり、多品種少量製品である機能性化学につながるといった特長を有する。したがって、反応そのも品の製造は、一般的にバッチ法で行われている。これを連続のが律速となり得るという意味では理想的な反応器である

フロー製造法に変えることができれば、低 CO2 排出、低副産が、固体が析出する反応における反応管閉塞など、実際物排出で持続可能なプロセスイノベーションが実現する。

の利用において課題がある。特に、機能性化学品の製造

バッチ法から連続フロー製造法に転換するためには、単では、多品種少量への対応、多段プロセスへの対応、さら位プロセスごとの連続化が求められる。図 9に、プロセスのには反応容器の洗浄しやすさ、といった点から、より融通

転換イメージを示す。1つの反応工程ごとに反応、分離、の利くバッチ式反応器が用いられてきた経緯があるため、精製をバッチで行っている製造プロセスを、一連の行程でこの課題解決は必須となる。

スムーズに連続製造するプロセスに転換することになる。

図 9 機能性化学品製造プロセスに求められる革新

出所：産業技術総合研究所 FlowST（フロー精密合成コンソーシアム）より提供（2017）13

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機能性化学品製造プロセス分野の技術戦略策定に向けて

また、単位容積当たりの収率の向上、廃棄物の削減、

従来の化学品製造では、高価な触媒を少量で生産して品質の保持維持に加え、連続製造時のモニタリング、すな

いるのに対して、機能性化学品の製造におけるフロー製

わち、計装、分析のオンライン化による精緻なコントロール

造では、基質 / 触媒を大きくして生産速度を向上させていや、トラブル時の製造停止などの迅速な対応が連続フロー

る。このため、原材料に対する触媒コスト比率が下がり、製造では求められる（図 10）。

触媒コストに関する制約は緩くなる。しかし、反応から精製分離まで、一気通貫の構成とするため、反応工程で反応率と選択性の両者（収率）を高くすることが必要となる。したがって、極力、副生成物ができない触媒や反応ルートの選択が重要となる。
②分離技術
連続フロー製造技術においても、エネルギー消費が大き

図 10 連続製造するプロセス転換

出所：NEDO 技術戦略研究センター作成（2017）

くなる工程は、後段の分離精製工程であり、従来の蒸留分離に代わって、コンパクトで、省エネが実現できる膜分離（2）触媒と膜利用に関する技術課題

プロセスの開発が必須となる。膜分離における重要な指一般的なバルク化学品（数万トンから数百万トン生産）

標は、透過性、選択性とその性能の安定化である。分離

製造に関わる多くの反応には、触媒が用いられ、反応速

対象物の膜の透過性が高ければ、膜面積当たりの分離処度の向上や反応条件のマイルド化が図られる。触媒反応理能力が高くなるため装置をコンパクト化できる。また、分工程には、触媒と分離工程を単に組み合わせたタイプと分離対象物に与える圧力を低下させることができるので省エ

離膜上に触媒を固定化したタイプ（メンブレンリアクター）がネが実現できる。選択性は、分離対象とする複数成分のある。前者は反応器と分離工程が分かれており、一般的

透過性の比であり、この値が高いほど（分離対象とする成に後段の分離プロセスがエネルギー多消費プロセスとなっ分間の透過性の差が大きいほど）効率の高い分離を実現ている。一方、膜分離と反応とを複合化したメンブレンリア

できることになる。したがって、高い透過性と高い選択性をクターは、触媒と膜分離の組み合わせにより反応器をコン両立させ、それを長期間安定化させることが、経済的な分パクト化でき、より省エネ型のプロセスが実現できる。

離の実現のために必須となる。

バッチ法から連続フロー製造法への転換においても、この観点でメンブレンリアクターが 1つの解となる。メンブ

バルク製品の生産プロセスと同じように高性能な触媒開発

レンリアクターは、反応と分離を一体で行う装置であり、装とコンパクトな分離・精製が実現できる膜材料等の開発

置のコンパクト化にとどまらず、反応系から中間体や生成が重要となる。

物を高選択的に分離して熱力学的な平衡を上回る生成物収率、触媒に対する阻害物質の除去や反応物の濃度①触媒技術向上による反応速度の向上などの相乗効果が期待できる。
なお分離に際して相転移を伴わない膜分離と反応を複合触媒開発では、活性、選択性、寿命とその安定性が重化すれば、より省エネルギー化が図られる。

要な性能指標となるが、フロー製造用の触媒開発では、
既存プロセスの触媒開発と異なる視点が必要である。

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機能性化学品製造プロセス分野の技術戦略策定に向けて

4 おわりに章

日本の化学産業は、川上から川下まで世界でもトップレ
ベルの品質、機能を有する化学品を製造し、様々な産業に供給している。また、連続フロー製造法については、国内にキーとなる重要な技術が蓄積されており、その実現により、既存のバッチ法に代わるGame-change が起こり、革新的な製造技術としての成長に加え、世界の廃棄物削減、CO2 削減に貢献できる。
連続フロー製造法を用いた機能性化学品製造では、現在、各種工程ごとに反応、分離、精製をバッチ法で行っている製造プロセスを、一連の工程でスムーズに連続して行
わなくてはならない。また、高効率な触媒反応を実現する
ために、高収率ばかりでなく、副反応の抑制、触媒の耐久性等が求められる。
世界の機能性化学品、機能性材料（機能性化学品を原料とした製品）の需要は、今後も高まっていくことが予想される。我が国の化学産業の競争力を強化していくために、低 CO2 排出、低廃棄物排出で持続可能な機能性化
学品製造プロセスにおいて、他国では真似できない革新的なイノベーションの実現が期待できる。

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Vol. 31
機能性化学品製造プロセス分野の技術戦略策定に向けて2019 年 2月 8日 発行

TSC Foresight Vol.31

機能性化学品製造プロセス分野 作成メンバー

国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構
技術戦略研究センター（TSC）■ センター長

川合

知二■ センター次長 竹上嗣郎

矢島秀浩 （2018 年 7 月まで）

■ 環境・化学ユニット
・ユニット長土肥英幸

石田

勝昭 （2018 年 3 月まで）・主任研究員

山下

勝

・研究員

森

智和

加藤

知彦

定兼

修

林

直之

指宿

堯嗣

産業環境管理協会

技術顧問

島田

広道

産業技術総合研究所理事

室井髙城 アイシーラボ

・フェロー

・フェロー

（2018 年3月まで）

代表

府川伊三郎

旭リサーチ シニアリサーチャー

安井

製品評価技術基盤機構

至

名誉顧問

● 本書に関する問い合わせ先

電話 044-520-5150（技術戦略研究センター）● 本書は以下URL よりダウンロードできます。

http://www.nedo.go.jp/library/foresight.html
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