1

日本国土開発未来研究財団 研究成果発表会（2023年11月25日）

SDGsに向けたパーム油産業からの排水・廃油の有効利用方法

荻野千秋 (神戸大学 工学研究科 応用化学専攻)

2

自己紹介
（お ぎ のち あ き）

荻野 千秋 51歳
(福井県鯖江市出身)（簡単な履歴・・・）
１９９３年 ３月

福井工業高等専門学校(工業化学科）→神戸大に編入学

１９９５年 ３月

神戸大学工学部 化学工学科 卒業

１９９７年 ３月

神戸大学大学院 自然科学研究科博士前期課程

阪神大震災
1995年1月（応用化学専攻）卒業
１９９９年 ７月

神戸大学大学院 自然科学研究科博士後期課程 中途退学

１９９９年 ８月

金沢大学 工学部 物質化学工学科 助手

２００７年 ８月

神戸大学 大学院工学研究科 応用化学専攻 准教授

２０１６年 1０月

神戸大学 大学院工学研究科 応用化学専攻 教授（趣味） テニス・スキー・マラソン(無理な体に、、、)など・・・

3

研究室のメンバー 46名（日本人35人＋海外11名）

4

低炭素社会 / 循環型社会の構築

石油リファイナリーからバイオリファイナリーへ

化石資源利用バイオマス利用

CO2

CO2
原油
分
留

CO2

ガソ
リン

ﾅﾌｻ

バイオマス

CO2

糖
化

灯油 軽油

石油化学プロセス

燃料

CO2

前
処
理

グリーン・
イノベーション

CO2

発
酵

バイオ燃料

化学品
バイオ化学品

石油リファイナリー

バイオリファイナリー

NBRC
↓
InaCC

5

インドネシアにおけるバイオマスの可能性⇒ ほとんど全ての非可食バイオマスが廃棄焼却されている
生産地

生産量[million t/year]

エネルギー容量[million GJ/year]

Rubber wood
(ゴムの木)

Sumatera, Kalimantan,
Java

41(５年間隔で置換)

120

Logging residues（伐木）Sumatera, Kalimantan

4.5

19

Sawn timber residues（製材残基）

Sumatera, Kalimantan

1.3

13

Plywood and veneer
production residues（合板残材）

Kalimantan, Sumatera,Java,
Irian Jaya, Maluku

1.5

16

Sugar residues（サトウキビ残渣）Java, Sumatera,South
Kalimantan

Bagasse (バガス): 10
Cane tops: 4Cane leaves: 9.6

78

Rice residues（稲わら残渣）Java, Sumatera,
Sulawesi,
Kalimantan, Bali/Nusa
Tenggara

Husk: 12Bran 2.5
Stalk: 2
Straw: 49

150

Coconut residues（ココナッツ残差）

Sumatera, Java,
Sulawesi

Shell: 0.4
Husk: 0.77Palm oil residues（パームオイル残差）

Sumatera new areas:
Kalimantan, Sulawesi,
Maluku, Nusa
Tenggara, Irian Jaya

Empty fruit bunch (EFB):
3.4
Fibres: 3.6
Palm shells (PKC): 1.2

67

バイオマスの種類

ゴムの木

バガス

稲わら
EFB

PKC

⇒ 多様なバイオマス原料が想定でき、微生物との適合性を検証が必要•

Source: ZREU (Zentrum fur rationell Energieanwendung und Umwelt GmbH), 2000. Biomass in Indonesia-Business Guide

6

7

インドネシアのプランテーションにおける廃水処理の現状 (1)

粗パーム油
(CPO)

次の貯留池へ遊離脂肪酸濃度が5%以下ならCPOへ混合

パーム工場から
の廃液

第1貯留池

8

インドネシアのプランテーションにおける廃水処理の現状 (2)排水【問題】

第1貯留池の油分
第7貯留池
第6貯留池
第1貯留池より

浮遊油分

第5貯留池

広大な土地が必要
環境負荷が大きい
温室効果ガス発生(メタンガス発生)

第4貯留池

第3貯留池

第2貯留池

メタンガス
20 ton oil/week
高い遊離脂肪酸組成(70 % FFA)

9

現在のパーム産業における物質の流れ
24%50%
パーム椰子プランテーション

21%

100%

Palm seed(椰子花房)

26%

CPO
Crude Palm Oil（粗パーム油）+Hot water(29%)※数値はFFBを100とした場合の割合

食品原料

たい肥として農地還元
EFB(パーム椰子房)

有機排水中、残存する油分は平均3トン/日

58%

精製パーム油POME
Palm Oil Mill Eluent(パームオイル廃液 )PKC(パーム椰子殻)

環境汚染の原因（腐敗臭、高BOD、有機酸廃液)
出所）環境省委託調査報告書2015 （一部を改訂）

10

本研究成果の出口成果：JICA-JST SATREPS

11【背景1】 インドネシアにおける食料安全保障の強化
食糧危機問題の解決に向けた政策（2010年～）「フードエステート（大農園）」プログラム推進エリア
2021年3月6日 USDA report (ID2021-0021)よりhttps://www.youtube.com/watch?v=h3yM800iLRc

第1期 開発地域

第2期 開発地域

インドネシア政府が農園の大規模化を進める「フードエステート（大農園）」プログラムの加速に2023年の予算で１０４兆２０００億ルピア（約9200億円）を計上。
2023年2月21日 時事通信社より

12【背景２】 「フードエステート」プログラムの課題
フードエステート
における問題点

排水大量の農業廃棄物が発生
残渣（固体）

廃油

メタン
ガス

【環境】
・温室効果ガス（GHG)発生・水質汚濁
・悪臭・農地の肥沃土低下

食料安全保障に寄与

インドネシアでは農業廃棄物を活用した循環型社会、“GREEN ECONOMY”（バイオ循環経済）が推奨されている！

【社会】
・住居環境の悪化
・小作農家との所得格差【経済】
・農業廃棄物処理費用の増加⇒ 日本が進める「バイオエコノミー」政策と合致する。

13

農業廃棄物からのメタンガス発生【地球温暖化】
メタンガスはCO2の28倍の温室効果

GHG排出量全体の約18％が農業廃棄物から農業廃棄物由来

インドネシアは2040年までに現在のGHG排出量を国際社会の協力によって41%削減する目標を掲げている

https://www.globalcarbonproject.org/methanebudget/index.htm

14

農業廃棄物によるバイオ循環経済1515

現地視察：排水発生問題 ⇔ メタンガス生産と有効利用16

サブテーマ3島根県立大神戸大学

バイオ循環経済の実現可能性
BRN

経済評価
社会評価
環境評価

現地でのフィールド調査
本提案での導入技術

高
現状の排出シナリオ↑
新技術導入シナリオ1
環
新技術導入シナリオ2
境負荷 GHG削減効果など 複数の技術/農作物
残差の組合わせに↓よる相乗効果低時間

バイオ循環経済のシナリオリスト
作成

・・・

環境評価： GHG排出量
排水の質
行動変容
ステージ

無関心期

ステーク
ホルダー分析

規格・基準化（ISO、認証）への寄与
バイオ循環経済の樹立・加速化

社会評価： 生活の質に関する幸福度
貧富格差
関心期

社会実装
のための
円卓会議
デザイン

準備期

経済評価： 経済的収支
波及効果

実行期

維持期

17

サブテーマ4

ビジネスモデルの提案・展開

ローカル
ビジネスモデルAgricinal

作業機器

発電機

排水・固体残渣・廃油
メタンガス

工場での
燃料供給

Great Giant
Foods

ランプン大学

Kemurgi

原料供給

原料供給
藤森工業

南スマトラ

バイオディーゼル バイオエタノール

船舶等の
燃料代替

サントモ

グローバルマーケット
への展開

生分解性プラスチック
食品用包装パッケージ、スプーンやストローに展開

グローバルマーケットへの展開

18

サブテーマ42023

社会実装に至るシナリオ

2025

2029

~2035

2035~
Step 5

インドネシア食品加工企業

マレーシア
などへ展開

Great Giant Foods
PT. Agricinalと連携による現地実証
原料提供

設置場所提供商社との議論

Step 3
複数個所
検討

Step 1
前期

ベンチスケール
ラボ実証：30 kg
バイオ燃料
バイオポリマー

Step 4
水平展開

東南アジア
展開

インドネシア展開
複数のフードエステートサ
イトでの普及を目指す。

サイト実証２ 年産数トン（1 t/batch×20 回/年）
スケールアップ検証

フラッグシップ
実証装置

Step 2後期 サイト実証1
バイオ燃料
BRIN／パイロット装置でのコスト試算
バイオポリマー規模 1 tステークホルダー

ステークホルダーと意見交換・合意形成

SATREPS

環境・林業省

国家医薬品
食品監督庁

農業省

エネルギー・
鉱業資源省

インドネシア
バイオ燃料協会

19

社会実装による地球規模での波及効果◆

インドネシアのフードエステート政策（大規模農園）の環境問題を改善できる。

◆

複数企業を巻き込んだバイオエコノミー(Bio circular Economy)なシステムである。

◆

排水や固体残渣からのメタンガス発生を抑制し、更にはバイオ由来製品へと転換することが出来れば、世界規模において2030年に2億トン-CO2/年以上の削減効果◆ メタンガスの発生削減やカーボンニュートラルに寄与する国際共同研究開発によって、以下のSDGs項目に寄与できる。

排水を浄化し、良好な環境を構築すれば、持続可能なフードエ
ステート構築に大きく寄与。

IPCCの1.5度目
標の達成、気候変動緩和に大きく貢献

日本は農作物の輸入消費国、生産国と共に、
熱帯農産業の
持続的発展

農業廃棄物により陸域、水域の生態系に大きな影響
石油資源由来からバイオ資源への転換による環境保全

新しい基盤技
術基礎を構築し、産業の持続性に寄与
新規雇用の創出

バイオマス資源の活用手法の開発20研究計画における実験項目（１）酵素法によるPKCからの機能性オリゴ糖生産（２）酵母を用いたEFB類からのバイオ化学品生産（３）酵素法によるPOMEからバイオディーゼル燃料生産

21

研究計画における実験項目（１）酵素法によるPKCからの機能性オリゴ糖生産（２）酵母を用いたEFB類からのバイオ化学品生産（３）酵素法によるPOMEからバイオディーゼル燃料生産

Production of lactic acid in acid-tolerant S. cerevisiae BTCC3
Challenge:

Ethanol-producing
BTCC3 strain

Glucose• Ethanol was produced
Glu• S. cerevisiae predominantly
produces ethanol underanaerobic conditions
GlycerolLactic acid

Pentose
Phosphate
Pathway

GPD

LDH

Pyr

PDC

ADH

acetaldehyde

Ethanol

ALD

Ac-CoAacetic acid

• More tolerant to low pHs than
Lactic acid bacteria (LAB)• Simple nutrient requirements• Easily genetic manipulation• Widely used as well as cell
factories• Rapid glucose consumption andfermentation compared with fungi.

TCA
Cycl
e

Introduction of LcLLDH gene
(Lactocacillus casei) by deleting PDC1
gene in S. cerevisiae BTCC3 byhomologous recombination

Knockout the function of PDC5 gene in S.
cerevisiae BTCC3 by homologous
recombination

LcLLDH

Amp

ori

AUR1

PDC1p

PDC1

PDC1t

Amp

ori

AUR1

PDC1p LcLLDH

PDC1t

Amp

ori

PDC5p

PDC5

AUR1

Amp

ori

AUR1

PDC5t

22

140
120
100
80
60
40
20
0

80

0.51 g-Lactate/g-glucose

60

Lactic acid

40
20
0
0

6

12
18
Time (h)24Lactic acid (g/L) Ethanol (g/L)
Glycerol (g/L)

Glucose (g/L)

Production of L-Lactic acid by BTCC3ΔPDC1ΔPDC5::LcLLDH fromglucose under microaerobic condition and its purification
Culturefitrate+ H2SO4+ Ca(OH)2
Centrifuge
12000 rpm 3 min

140
120

Glucose (g/L)

80

0.68 g-Lactate/g-glucose

70

Lactic acid

60

100

50

80

40

60

30

40

20

20

10

0

0

0

6

12
18
Time (h)24Lactic acid (g/L), glycerol (g/L),
ethanol (g/L)

After adaptation

Lactic acid powder

Freeze dry+ H2SO4
In this study, we deleted PDC1 by introducing LcLLDH
gene. We also deleted PDC5 gene by introducing theselection marker. By this strategy, we have successfully
produced L-lactic acid from glucose within 24-h (one day)in Saccharomyces cerevisiae BTCC3 harbouring one copyof LLDH gene from Lactobacillus caseii.
23

Research background
Convert to higher value-added
Carbon source
Palm industrial waste(PAO,Sap inside OPT)

Lipomyces starkeyi D35

Biodegradable polymer(PHA)

Enables effective utilization of waste and production of plastics from biomass◇Oleaginous yeast Lipomyces starkeyi D35

TAG: 70-80%

・Excellent fermentation inhibitor resistance・Can accumulate 70-80 % lipid
・A wide range of carbon sources are available formetabolism, including sugars, fatty acids, andsugar alcohols
Aimed to establish a biodegradable polymer synthesis pathway by
performing genetic recombination on D35 strain

10 µm

Research Strategy◇Introduction of exogenous genes
Fatty acids (Carbon source)

Sugars (Carbon source)

Ketoacyl-CoA
Acyl-CoA

Fatty aciddegradation(β-oxidation)

Acyl-ACP
3-hydroxyacyl-CoA Ketoacyl-ACP

Gene
phaJ

phaG

Enoyl-ACP

3-hydroxyacyl-ACP

Enoyl-CoA

phaJ

Fatty acidsynthesis

3-hydroxyacyl-CoA

Role

phaG

phaC1STQK

phaP

phaC1STQKSupply monomers

phaC1STQKPolymerize monomers

phaP

Promote the formationof PHA granule bodies

phaC1STQK

phaP
PHA

Multiple exogenous genes were introduced

PHA granuleResearch Strategy◇Gene disruption
Fatty acids (Carbon source)

Sugars (Carbon source)

Ketoacyl-CoA
Acyl-CoA

Fatty aciddegradation(β-oxidation)

Acyl-ACP
3-hydroxyacyl-CoA Ketoacyl-ACP

phaJ

3-hydroxyacyl-CoA

phaC1STQK

phaP

phaC1STQK

phaP

TAG
Oil and fat synthesis pathway

phaG

phaC1STQK

Glycerol-3-P

SCT1

Enoyl-ACP

3-hydroxyacyl-ACP

Enoyl-CoA

Carbon source

Fatty acidsynthesis

PHA

PHA granule

SCT1, which promotes oil synthesis, was disrupted during gene transfer

Research Strategy◇Monomer supply route
Fatty acids (Carbon source)

Sugars (Carbon source)

Ketoacyl-CoA
Acyl-CoA

Fatty aciddegradation(β-oxidation)

Acyl-ACP
3-hydroxyacyl-CoA Ketoacyl-ACP

Enoyl-ACP

3-hydroxyacyl-ACP

Enoyl-CoA

phaJ

Fatty acidsynthesis

3-hydroxyacyl-CoA

Monomer supply from fatty
acid degradation pathway

phaG

Monomer supply from fatty
acid synthesis pathway
PHA

Attempted PHA production focusing on two monomer supply routes

Method◇Transformation (LiOAc method)
Utilize the property of yeast to incorporate DNA into the cell when treatedwith alkali metal ions〈Constructed vectors〉

For phaJ introduction

For phaG introduction

Method◇Transformation (LiOAc method)〈Process〉
29 ℃, 190 rpm

30 ℃

24 h

40 min

12 ml, YPD medium

Add LiOAc

Screening

Introduce plasmids

0.5 µg/ml
Aureobasidin A

Method◇Transformation (AMT method)
Utilize Agrobacterium ability to incorporate specific genes into thechromosomes of infected cells〈Constructed vectors〉

For phaJ introduction

For phaG introduction

Method◇Transformation (AMT method)

Agrobacteria

Yeast〈Process〉

Transform into
agrobacteria

Screening
37 ℃, 200 rpm

29 ℃, 190 rpm

24 h

24 h

3 ml, LB medium

Co-culture with
D35 WT

0.5 µg/ml
Aureobasidin A

Method◇Cultivation conditions

phaJ-introduced strain (LiOAc and AMT methods)
30 ml

MiliQ

90 ml

20% C16:0

1.5 ml

10% C18:1

2.4 mlKm

Main culture
Ampicillin
12 ml 29 ℃,190 rpm
Kanamycin
5 days24 μl
N=3Aureobasidin A
24 μl

Abar

12 μl

YPD50
Amp
Preculture
29 ℃,190 rpm
3 days

4×YP

Fatty acids
abundant in PAO

240 μl240 μl120 μlphaG-introduced strain (LiOAc and AMT methods)

Main culture
29 ℃,190 rpm
7 days
N=3

4×YP

10 ml

MiliQ

30 ml

6×Glucose (300 g/l)

40 ml

6×Xylose (300 g/l)

40 ml

Ampicillin

240 μlKanamycin

240 μlAureobasidin A

120 μlSugars abundantin OPT sap

Results & Discussion 2-1◇Cell growth〈Carbon source: Fatty acids (C16:0, C18:1)〉〈Carbon source: Sugars (Glucose, Xylose)〉

phaJ-introduced strain
15

WT
AMT_J
LiOAc_J

15

Dry cell weight [g/L]

Dry cell weight [g/L]20phaG-introduced strain

10
5
0
0

1

2
3
4
Time [days]

5

Cell growth [g/L] on day 5
WT (17.44)＞AMT_J (12.69)＞LiOAc_J (10.47)

WT
AMT_G
LiOAc_G

10

5

0
0

1

2

3 4 5
Time [days]

6

7

Cell growth [g/L] on day 7
WT (13.42)＞AMT_G (9.15)＞LiOAc_G (4.88)

Fatty acids were used as a carbon source, the cells grew more

Results & Discussion 2-2◇ Fluorescence microscopy with Nile Blue
(1) LiOAc_LsD35ΔSCT1-phaC1STQK-P-J

10 µm(3) LiOAc_LsD35ΔSCT1-phaC1STQK-P-G

10 µm(2) AMT_LsD35ΔSCT1-phaC1STQK-P-J

10 µm(4) AMT_LsD35ΔSCT1-phaC1STQK-P-G

10 µm

In (3) and (4), areas of locally intense fluorescence were identified
PHA production was suggested in phaG-transgenic strains

Method◇Extraction process〈Cell wall destruction〉
To increase extraction efficiency, the yeast cell wall lysis process was
performed using Westase
0.4M MES Buffer (pH=6.0)
・Westase 0.5 g/L

30 ℃, 3 h

Wash twice with MiliQ and lyophilize〈Extraction〉
2 days

Dissolve in chloroform

Filter to remove cells

Concentrate by evaporator

Measure weight
Recover by methanol

Remove methanol by air drying

Results & Discussion 3-1◇Extraction with chloroform/methanol

0.61 mg

0.24 mg2.02 mg2.29 mg

・In (3) and (4), precipitate that appeared to be PHA was observed〈Yield〉(3) From 990 mg of dry cell pellet(4) From 1180 mg of dry cell pellet

0.2 %0.17 %・In (1) and (2), which appeared to be oils and fats were identified⇒The activity of β-oxidation, a fatty acid degradation pathway, wasrelatively weak, possibly resulting in inadequate monomer supply

Results & Discussion 3-2◇Structural Analysis of PHA
Extracts of (3) and (4) were analyzed by GC-MS
PHB homopolymer

CME(Internal standard)

3HB
3HB

: PHB
: (3) LiOAc_LsD35ΔSCT1-phaC1STQK-P-G: (4) AMT_LsD35ΔSCT1-phaC1STQK-P-G

A peak assigned to 3HB, a constituent of PHB, has been confirmed
Succeeded production of PHB

Conclusion◇Summary・Succeeded generation of polymer gene cluster transgenic strains by
LiOAc and AMT methods

・Succeeded production of PHB in phaC1STQK, phaP, and phaGtransgenic strains transformed by LiOAc and AMT method
・Confirmed that monomer supply by phaG was strong◇Future Issues
・Consider optimal carbon source concentration
・Increase production through metabolic fine-tunning and scale-up culture

24
23

39

研究計画における実験項目（１）酵素法によるPKCからの機能性オリゴ糖生産（２）酵母を用いたEFB類からのバイオ化学品生産（３）酵素法によるPOMEからバイオディーゼル燃料生産

40

現在のパーム産業における物質の流れ
24%50%
パーム椰子プランテーション

21%

100%

Palm seed(椰子花房)

26%

CPO
Crude Palm Oil（粗パーム油）+Hot water(29%)※数値はFFBを100とした場合の割合

食品原料

たい肥として農地還元
EFB(パーム椰子房)

有機排水中、残存する油分は平均3トン/日

58%

精製パーム油POME
Palm Oil Mill Eluent(パームオイル廃液 )PKC(パーム椰子殻)

環境汚染の原因（腐敗臭、高BOD、有機酸廃液)
出所）環境省委託調査報告書2015 （一部を改訂）

41

バイオディーゼルは普及している（日本を除く）

42

油脂からのバイオディーゼル生産
CH2OCORCHOCOR’リパーゼ

3 CH3OHCH2OCOR’’
トリグリセリド

CH2OH

RCOOCH3CHOH

R’COOCH3
R’’COOCH3

CH2OH
メタノール

(油脂)

グリセリン

バイオディーゼル

化学触媒法と酵素触媒法との比較
比較項目

化学触媒法
（KOH,NaOH）

酵素触媒法（リパーゼ）

反応温度60～65℃

30～35℃

反応メタノール量

量論量の2～3倍

量論量（3モル）生産物精製

中和処理必要中和処理不要副生産物回収

回収困難

回収容易

遊離脂肪酸

石鹸の生成

メチルエステルに合成

触媒コスト

安

価

高

価

43

独創性：POMEからのバイオディーゼル燃料変換
CH2 – COOR1
CH – COOR2CH2 – COOR3+ 3R OH

遊離脂肪酸
(FFA)

R3COOR4

メタノール+

R1COOR4
R2COOR44

油脂(トリグリセリド)

R5COOH

catalyst

R4OH

R5COOR4

メタノール

リパーゼ

+ CH – OH
CH2 – OH

バイオディーゼル

EnzymePOME
FFA45wt%

CH2 – OH

Bio-diesel

+

グリセリン

H2O

化学触媒法：×
酵素触媒法：◎

Collected
glycerolDistilled
glycerolBIODIESEL PRODUCTION FROM POME AND BIOETHANOLPOME + Bio ethanol

TLL

BDF + H2O

100
80
60

FAEE (wt%)

Ethanol concentration (vol%)

70

50
40
30

60
40
20

20
10

0
0

0

Non
1st
2nd
Distillation Distillation Distillation

48

96

144

192

240

Reaction Time (h)・Conditions:40 ℃, 35 rpm, 48 h.
・4 g of POME and 0.5 g of ILs was used.
・Bio-EtOH was added at 0, 6, 12 and 24 h.
・After 48 h, the lipid was removed.

44

45

インドネシアプランテーションでのPAO由来ディーゼル燃料

酵素生産した
PAO由来バイオディーゼル（メタノール添加）

46

エンジン試験の予備結果： バイオディーゼル燃料の可能性
Bio-diesel

For personal use

Electric
generation
Ship

Diesel car

For public use

Public event

酵素法で作成したバイオディーゼル燃料
では、軽油と比較して、排気ガス中の浮遊粒子状物質などの排出が低減47

パーム産業におけるゼロエミッション戦略
24%

50%
パーム椰子プランテーション

21%

100%

Palm seed(椰子花房)

26%

CPO
Crude Palm Oil（粗パーム油）+Hot water(29%)

精製パーム油食品原料

バイオエタノール（ガソリン代替燃料）※数値はFFBを100とした場合の割合

廃棄物の液体燃料化による循環型社会構築（バイオエタノール、バイオディーゼル）EFB(パーム椰子房)

バイオディーゼル燃料

有機排水中、残存する油分は平均3トン/日

58%

廃水

POME
Palm Oil Mill Eluent(パームオイル廃液 )環境浄化による環境改善（メタン発生量の低減化、低BOD)出所）環境省委託調査報告書2015 （一部を改訂）

4848

Biomass complex strategy
for chemical production
CO2

Biomass Power
Heat
pretreatment
Lipid
Sccharides
Lignocellulose

Waste residue

Power plant

Fuels

Power
Heat

Fermentation

Foods

Waste water
MethaneWaste water
treatment

Fuels &
Chemicals

49

50

SDGsにおける貢献