技 術 戦 略 研 究 セ ン タ ー レ ポ ート

Vol.

バイオマスからの化学品製造分野の技術戦略策定に向けて

1
2
3

章 バイオマスからの化学品製造技術の概要… ……………………… 2
章 バイオマスからの化学品製造技術の置かれた状況… ……………… 4

2-1 国内外の市場動向…………………………………………………………………… 4
2-2 特許出願件数、論文発表件数等… ………………………………………………… 7
2-3 国内外の研究開発（政策）の状況………………………………………………… 10
章 バイオマスからの化学品製造分野の技術課題………………………… 14

3-1 バイオマス利用の技術体系……………………………………………………… 14
3-2 国内バイオマスの利用と技術開発課題…………………………………………… 16

4

章 おわりに… …………………………………………………………… 18

T SC とは Technology S trategy Center（ 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）

22

2017 年 11月

技術戦略研究センターレポート

バイオマスからの化学品製造分野の技術戦略策定に向けて

バイオマスからの化学品製造
章
技術の概要

ルの製造時に副生するグリセロールからエピクロロヒドリン

1の生産が、タイ・中国などで事業化されている。
非可食性バイオマスを原料にした化学品製造については、国内外で活発に取り組まれている。セルロースにつ

我が国の化学製品のほとんどは石油由来の原料から

いては、既に、実用化されている酢酸セルロースや CMC

製造されている。
「エネルギー白書 2017」によれば、石（カルボキシメチルセルロース）の他、近年、セルロースナ

油消費量の約 23％を化学品原料として使用するなど、化ノファイバーが実用化されている。ヘミセルロースからは、

学産業は化石資源を大量に消費している。また、「日本

中国などで、希硫酸で蒸煮し、その後蒸留するプロセス

国温室効果ガスインベントリ報告書」2017 年版によれば、

でフルフラールが製造されている。リグニンは、主に製紙工

化学産業は産業部門（製造業及び建設業）の約 16％、程から出てくるリグノスルホン酸塩やクラフトリグニンを原料

日本全体の約 4％の二酸化炭素を排出している。そのたにして、コンクリート混和剤や分散剤に一部利用されてめ、二酸化炭素が固定化されたバイオマスへ原料転換

いるが、多くは製紙工程内で燃料として利用されている。

することで、二酸化炭素の削減を図ることは、温暖化対

また、リグニンからは、香料や機能性ポリマーなどに使用策や持続可能な低炭素社会の実現の観点からも重要でされるバニリンが製造されている。

ある。バイオマスからの化学品製造の分野には、欧州やバイオマスを利用した化学品製造では、原料確保が課

米国などでは、多くの公的支援が投入され、活発に研究題の一つである。日本には安価に入手可能な糖や油脂開発が進められており、将来的に市場が拡大することが類がないため、一部の日本企業は原料を輸入したり、海予想されている。

外で生産を行っているが、生産量自体は多くないのが現

バイオマスからの化学品製造とは、バイオマス由来の状である。現在、原料を安価に、かつ安定的に供給する原料から化学品を製造することを意味し、原料としては、ために、バイオマスの原料成分であるセルロース、ヘミセ

バイオマス由来の糖類や油脂類に加えて、非可食性バイ

ルロース、リグニンを総合的に利用する試みが進められてオマス（セルロース、ヘミセルロース、リグニン）が利用さいる。

れ始めている。
表１にバイオマスを原料とした主な化学品製造の事業化の動向を示す。現在、米国、中国、ブラジルなど、比較的安価に可食性糖（サトウキビやトウモロコシなど）が入手可能な地域において、発酵法（バイオプロセス）により、糖から製造しやすい乳酸、エタノール、コハク酸、イタ
コン酸などの化学品やこれらの誘導品が商業化されている。また、バイオプロセス以外の方法では作りにくい香料
や高機能性ポリマー用の芳香族系モノマーなどの一部の化学品が実用化されている。
油脂類を原料にした化学品については、大量に用いられている界面活性剤に加えてポリアミドやポリウレタンなどのプラスチックが実用化されている。また、バイオディーゼ
222

技術戦略研究センターレポート

バイオマスからの化学品製造分野の技術戦略策定に向けて

表1

バイオマスからの化学品製造の主な事業化の動向
出発物質

製造企業

事業化動向

乳酸、エタノール、コ ハ ク 酸、
イタコン酸、酢酸 エ チ ル など
多数

米国、カナダ、欧州、
ブ ラ ジ ル、 中 国、
アジ アの 企 業 など
多数

・海 外の安価な可食性糖から、発酵法（バイオプロセス）により、糖から製造しやすい乳酸、エタノール、コハク酸、イ
タコン酸、1,3プロパンジオールなどが商業化されているほか、多くの化合物の製造が主に発酵法により、石油製品の代替として検討されている。
・また、エタノールの誘導品である酢酸エチルなど、バイオ
マス由来の誘導品が検討され、一部、商業化されている。

サフラン、ノート
カトン、レスベラ
トロールなどエボルバ（スイス）

・独自の発酵法（バイオプロセス）により、石油からは製造しにくい、芳香族系を中心とした香料、機能性食品、ポリマー原料を開発している。

油 脂 由 来 ポリ
マーなど

・古くから、油脂類から界面活性剤など多くの製品が利用さアルケマ（フランス）、
れているほか、アジア地域のひまし油を用いたポリアミド
三井化学、東洋 紡、やポリウレタンが実用化されている。
ユニチカ、ソルベー
・バ イオディーゼルの副生物であるグリセロールを原料とし（ベ ル ギ ー）、ダウ・てエポキシ樹脂などに用いられるエピクロロヒドリンなど
デュポン（米国）などが実用化されている。

セルロース

セルロースナノファイバー

日本製紙、王子ホールディングス、大王
製 紙、中 越 パ ルプ
工業など

・物 理・化学的に解繊処理された様々な種類のセルロース
ナノファイバーが事業化・製品化されている。
・T EMPO 触媒 ※ 1 を用い、次亜塩素酸ソーダ酸化でシングル
セルロースナノファイバー化した CNF がボールペンインクへの添加剤（濡れ性の改善）、紙おむつ（消臭用途）などの用途で実用化が進展している。

ヘミセルロース

フルフラール中国、インド、欧州の企業など多数

・希 硫酸を用いたプロセスにより、ヘミセルロースからフルフラールが生産されている。

リグニン

バニリン

ボレガード
（ノルウェー）・木 材から得られたリグノスルホン酸塩からアルカリ中で酸化分解することで、芳香族系の高付加価値モノマーのバニリン（香料・ポリマー用途）が生産されている。

糖類

油脂類

化合物

出所：各種資料を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2017）※ 1 2,2,6,6- テトラメチルピペリジン 1- オキシル (2,2,6,6-tetramethylpiperidine

1-oxyl) の略称。有機合成において、触媒として用いられる。東京大学の磯貝明教授は、TEMPO を用いてセルロースからシングルセルロースナノファイバー（CNF）を製造することに成功した。

322

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バイオマスからの化学品製造分野の技術戦略策定に向けて
バイオマスからの化学品製造
章 技術の置かれた状況

2

り、再生可能原料であるバイオマスからの化学品製造の2 -1 国内外の市場動向

イオマスからの化学品製造の市場は、植物油、でん粉・市場は、2010 年の 11 兆円から、2020 年には 62 兆円へと大幅に広がることが予想されている（図１）。現在のバ糖などを主な原料としているが、将来的な市場拡大には、食糧との競合の回避や豊富に存在する未利用資源の活用の観点から、非可食性バイオマス原料の利用が必要

米国や欧州などでは、バイオテクノロジー と経済活
※2

である。

動を一体化させた「バイオエコノミー」という概念に基づく総合的な戦略のもとに技術開発や政策が推進されてお70■ 医薬品：医薬品、医薬中間体■ 消費者向けケミカルズ：化粧品、洗剤、香料■ スペシャリティケミカルズ：ペイント・インク・工業用助剤、殺虫剤、染料、顔料■ ポリマー：プラスチック、繊維、合成ゴム■ 基礎化学品：石油化学品、無機材料

市場規模（兆円）

60
50
40
30
20

2010 年市場におけるバイオマス原料は、植物油（18％）、動物脂（6％）、ケミカルパルプ（10％）、
でん粉・糖（18％）、バイオエタノール（19％）、天然ゴム（14％）、
グリセロール（6％）、その他（9％）。

10
0

図1

2010

2020

年

バイオマスからの化学品製造の市場規模（世界）1€ ＝ 120 円で計算

出所：N. Scarlat et al (European Commission, Joint Research Centre), Environmental Development, 15, 3-34（2015)“The role of biomass and bioenergy in a future bioeconomy: Policies and facts” を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2017）

植物由来の構造を活かした高機能樹脂類については、

バイオマスからの化学品製造の分野で、大きな市場規

ひまし油の化学構造を活かした PA（ポリアミド）、石油か模が見込まれる主なバイオプラスチックを表 2に示す。
汎用石油代替樹脂類であるPET（ポリエチレンテレフ

らでは作りにくい糖由来の化合物を用いた PTT（ポリトリ

タレート）、PE（ポリエチレン）が、エタノール経由で得ら

メチレンテレフタレート）、生分解性機能を有する生分解れるエチレングリコールやエチレンを用いて製造されてい性プラスチックなど、植物成分構造を活かした高機能品る。また、生分解性はあるものの、耐熱性や耐久性が低が供給されている。植物由来機能性樹脂類も、生産量

い PLA（ポリ乳酸）なども供給されている。これらの汎用は海外企業が多い。

石油代替樹脂類については、安価なバイオマス原料に恵まれた地域で海外企業が主に生産しており、日本企業は
ほとんど生産していない。

※ 2 OECD（2014）では、科学技術を生体だけでなく、パーツ、製品、及びモデルなどに応用し、知識、物品、及びサービスの生産のために生きた材料または生きていない材料を変更することと定義されている。

http://www.oecd.org/sti/biotech/statisticaldefinitionofbiotechnology.htm

22

4

技術戦略研究センターレポート

バイオマスからの化学品製造分野の技術戦略策定に向けて日本企業は、三菱ケミカルが、バイオマス由来のイソソと従来よりも高いポリアミドを実用化している。このように、ルビドを用いることで、石油由来 PC（ポリカーボネート）に

日本企業は、植物由来の特徴を活かした高機能グレードはない、光透過性に優れるという特徴を持つ PCを製品を展開している。

化している。ユニチカと東洋紡は、耐熱性が 300℃前後

表2

工業化されている主なバイオプラスチック
主な機能

生産能力
(t/y)

インドラマ・ベンチャーズ（タイ）、遠東新世紀（台湾）、ロッテケミカル（韓国）など

糖（エチレングリコール）

石油由来 PETと同じ

460,000 注 1

PE（ポリエチレン）

ブラスケム（ブラジル）糖（エチレン）

石油由来 PEと同じ

200,000

PLA（ポリ乳酸）

ネィチャーワークス（米国）、
海生生物材料（中国）など

糖（乳酸）生分解性、低耐熱性、低耐久性

170,000

アルケマ（フランス）

ひまし油（油脂由来モノマー）

耐熱性、耐薬品性、低温衝撃性

   60,000 注 2

ユニチカ

ひまし油（油脂由来モノマー）

耐熱性、高結晶性、低吸水性          500

東洋紡

ひまし油（油脂由来モノマー）

耐熱性、強靭性、低吸水性     1,000

PTT（ポリトリメチレ
ンテレフタレート）

ダウ・デュポン（米国）

糖（1,3プロパンジオール）

耐久性、伸縮性

120,000 注 3

PBS（ ポリブ チ ル
サクシネート）三菱ケミカル、昭和電工

糖（コハク酸、ブタンジオール）

生分解性、加工性、PLAとの相溶性など     7,000

ダ ニ マ ー・ サイエンティ
フィック（米国）糖（3- ヒドロキシアルカン酸）

生分解性   30,000

カネカ

糖（3- ヒドロキシヘキサン・酪酸）

生分解性（嫌気性・好気性）、
加工性など     1,000

三菱ケミカル糖（イソソルビド）

光透過性、耐強度、耐衝撃     5,000

樹脂

企業名

汎用石油樹脂代替植物原料（モノマー）

分類

PET（ポリエチレン
テレフタレート）PA（ポリアミド）

植物由来高機能樹脂類

PHA（ヒドロシキ
カ ル ボ ン 酸 ポリ
マー）
PC（ ポ リ カ ー ボ
ネート）■は日本企業
注1
注2
注3

バ イオマス由来のエチレングリコールの生産能力からの推定値。エチレングリコールは、インディアグリコール（インド）、台湾緑醇社（台湾）（日本の豊田通商が出資）が供給している。
バイオマス由来である PA11、PA610、PA1010、PA1012 の生産能力からの推定値。
1，3プロパンジオールの生産能力からの推定値。

出所：「2016年版バイオプラスチックの市場動向と需要実態」（2016）（株式会社矢野経済研究所）、及び web サイト情報を基に NEDO 技術戦略研究センター
作成（2017）522

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バイオマスからの化学品製造分野の技術戦略策定に向けて

表 3に、CNF（セルロースナノファイバー）の主な生産化が進められている。例えば、日本製紙は、TEMPO 触設備を示す。CNF は多くの国で生産が開始されている媒を利用してナノ解繊処理し、ガスバリア性や消臭効果が、海外にある生産規模の大きい設備では、マイクロサイを持たせた CNFを、王子ホールディングスは、独自に開ズを含んだものやナノフィブリル構造を含んだ CNFを生産発したリン酸処理によりナノ解繊処理された、透明度、強している。

度、高温下での寸法安定性、及び柔軟性の高い CNFを開発している。

一方、日本では、高機能・高品質なものを中心に実用

表 3 セルロースナノファイバーの主な生産設備
国

生産規模（トン / 年 注 ）

ノルウェー

1,000

・ミクロフィブリルセルロースを含むセルロースナノファイバー

University of Maine

米国    300・リファイナー処理がベースで、樹脂補強剤、保湿剤、耐油剤として活用

American Process

米国    150

・セルロースナノフィブリル・セルロースナノクリスタル

Innventia

スウェーデン      30・酵素・機械処理によりナノ解繊した CNF や、カルボキシメチル化、カチオン化した CNF も製造

日本製紙

日本

    540・シングルセルロースナノファイバー化した CNF（500トン/ 年）のほか、強化樹脂用途の CNF（10トン / 年）や食品用途向け CNF（30トン / 年）

中越パルプ工業日本

    100

・パ ルプ懸濁液を 2 つのノズルで対向噴射、衝突圧により解繊した
CNF

大王製紙

日本

    100

・パルプから、省エネルギーに機械・化学処理することにより解繊・樹脂混合用に乾燥した CNF も提供

王子ホールディングス

日本      40

・パ ルプの CNF 表面に、イオン性官能基であるリン酸基を導入し、CNF 同士の静電反発性を高めることでナノ化した CNF

企

業

Borregaard

特徴■は日本企業
注

University of Maine、American Process、Innventia については、1日あたりの生産能力の公表データに 300 を乗ずることによる推計

出所：Web サイト情報を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2017）22

6

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バイオマスからの化学品製造分野の技術戦略策定に向けて

2 -2 特許出願件数、論文発表件数等（1）特許出願動向
図 2 に、バイオマスからの化学品製造分野における出願人国籍別特許出願件数 ※ 3を示す。2000 ～ 2014 年における日本の特許出願件数は、中国、米国に次いで第 3位であり、世界の 18％（7,382 件 /40,171 件）を占める。

出願人国籍

中

国

76

94

131

163

200

312

458

534

676

855

1,047 1,558 2,040 2,741 3,422

米

国

303

342

343

443

468

523

590

609

683

687

772

834

804

720

587

日

本

351

408

334

382

423

465

456

604

626

574

657

555

621

506

420

韓

国

67

83

70

93

87

68

98

111

115

155

175

221

282

262

209

ド イ ツ

172

184

143

123

170

151

142

150

149

120

121

126

111

102

72

欧

州

57

34

47

41

46

86

127

122

134

142

154

132

144

169

117

フランス

26

23

19

26

37

29

30

45

63

66

80

67

73

64

53

イギリス

25

17

28

28

31

28

28

35

45

24

45

37

39

32

38

台

湾

8

11

9

17

12

15

16

24

30

56

47

48

43

31

49

イ ン ド

4

6

6

10

11

17

22

19

19

26

34

31

44

49

34

2000年 2001年 2002年 2003年 2004年 2005年 2006年 2007年 2008年 2009年 2010年 2011年 2012年 2013年 2014年
出願年（優先権主張年）

図2

バイオマスからの化学品製造に関する出願人国籍別特許出願件数 TOP10（2000 ～ 2014 年出願）

出所：N EDO「平成 28 年度出願特許における日本のポジションに関する情報収集」調査の結果を基に NEDO 技術戦略研究センター
作成（2017）※ 3 出願人国籍は、最先の優先権主張国とした。

722

技術戦略研究センターレポート

バイオマスからの化学品製造分野の技術戦略策定に向けて

出願先国比較（図 3）では、米国は、日本、中国、WO

米国（国際出願）、EP（欧州特許庁）に対しても、多くの特許93を出願している。一方で、中国は、特許出願件数自体は

766
2080

多いが、自国への出願が多い。日本は、米国には及ばな
中国

いものの国際出願も積極的に行っている。

2041

1491

2042
日本

55

図 4に、原料種（糖類・セルロース・リグニン）ごとの特797

許発明件数を示す。糖類を原料とした化学品製造につい

56

111

ては、欧米を中心としたグローバル企業の出願が上位を占めている。一方で、セルロースやリグニンを利用した技

506

国際出願

術など、非可食性バイオマスの構造を活用した特許出願件数では、日本企業が上位を占める。

図3

376

欧州特許庁

 イオマスからの化学品製造に関する日米中の出願
バ
先国比較

出所：N EDO「平成 28 年度出願特許における日本のポジションに関する情報収集」調査の結果を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2017）①糖類を原料として利用

0

発明数
100
200

300

Du Pont
The Procter & Gamble
富士フイルム
DEGUSSA
BASF SEDOW GLOBAL TECH.
東レ
EVONIK DEGUSSA GMBH
DSM IP ASSETSHARBIN ARTS AND CRAFTS②セルロースを利用

0

40

発明数
80

③リグニンを利用

120

王子ホールディングス
Du Pont
中国石油化工花王
BASF SE
三菱ケミカル
産業技術総合研究所
本田技研工業XYLECO
日本製紙

日本製紙
王子ホールディングス
凸版印刷
DIC
API Intellectual Property Holdings
三菱ケミカル
京都大学
産業技術総合研究所
花王
UNIV NANJING FORESTRY

図4

0

40

発明数
80

バイオマスからの化学品製造に関する出願人別特許発明数 TOP10（2000 ～ 2014 年出願）120

出所：NEDO「平成 28年度出願特許における日本のポジションに関する情報収集」調査の結果を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2017）228

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バイオマスからの化学品製造分野の技術戦略策定に向けて（2）論文発表動向

全体では北米・アジア地域・欧州の各国が上位であり、

図 5に、バイオマスからの化学品製造分野の論文発表

日本は第 9 位にとどまるが、ナノセルロースやリグニンの利件数を国籍別に比較した結果を示す。

用技術に関しては、日本はいずれも第 3 位である。

当該分野では、米国・中国の発表が多い。また、分野①バイオマスからの化学品製造分野全体

イタリア,
4825, 4%

その他,
22490, 20%

日本,
4935, 4%

米国,25228, 23%
中国,
15811, 14%

イギリス,
5357, 5%スペイン,
ドイツ,
5365, 5%8014, 7%カナダ,
インド,
5706, 5% フランス, 7168, 7%
6226, 6%②ナノセルロース

ドイツ, 535,
4%

③リグニン

その他,
2298, 17%

イラン,
600, 5%
フランス,
660, 5%スウェーデン,
664, 5%
韓国,
716, 5%
カナダ,
752, 6%

図5

スウェーデン,
331, 4%

中国,
3550, 26%

インド,
352, 4%

その他,
1210, 13%

米国,
2280, 25%

ブラジル,
414, 5%

米国,
2067, 15%

中国,
1669, 18%

スぺイン,
469, 5%
フランス,
508, 6%

日本,
インド, 862, 6%
766, 6%

ドイツ,
572, 6%

カナダ,
617, 7%

日本,
632, 7%

バイオマスからの化学品製造に関する論文発表件数 国籍別比較

出所：Web of Science TM での検索結果を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2017）922

技術戦略研究センターレポート

バイオマスからの化学品製造分野の技術戦略策定に向けてソーシアムであるBIC（Bio-based industries consortium）

2 -3 国内外の研究開発（政策）の状況

が、官民連携（BBIJU：BBI Joint undertaking）の枠組
みの中で、Horizon2020 から9.75 億 ユ ーロ（ 約 1,170（1）欧米億円）の出資を受け、BIC が企業から集めた資金を含む

欧米では、石油供給リスクの低減や二酸化炭素の排37 億ユーロ（約 4,440 億円）で、ヨーロッパのバイオエコノ

出量の低減のために、公的支援が投入され、バイオマス

ミーの実現と進展を目的としてプログラムを実施している。

からの化学品製造に関する技術開発が展開されている。

このプログラムでは、農林業の残渣や廃棄物から、バイオ

日本の予算規模は、欧米に比べて小さい（表 4）。

リファイナリー※ 4 等の技術によって高品質なバイオマス由欧州では、Horizon2020で大規模に公的資金が投入さ

来製品の大規模商業化を目指したプロジェクトが実施され、研究開発が進められている。具体的には、民間のコン

表4

れている（表 5）。

EU・米国・日本の公的支援の状況

国・地域

プログラム名

支援内容

予算（期間）EU

Horizon 2020

・バ イオマスからの化学品製造については、2014 年
から続々立ち上げられており、セルロース系バイオマ
ス、木材、農業廃棄物を対象にバイオ化学品や材料開発が支援されている。

米国

・Agile Biofoundry
・ChemCatBio
・Consortium for Computational
Physics and Chemistry (CCPC)・B i o p r o c e s s i n g S e p a r a t i o n s
Consortium 等

・米国エネルギー省（DOE）は、バイオエネルギー技術局（BETO）などが燃料と化学品の併産により、燃料コストの低減、二酸化炭素の削減を狙いとして、変換技
術や実証事業などに支援を行っている。
・バイオ変換、触媒技術、計算機科学、分離技術など
重点的に解決すべき課題については、国立研究所等が連携したコンソーシアムを組織して、プロジェクト化している。

BETO 全体で約 250億円 / 年

非可食性植物由来化学品製造プロ
セス技術開発（NEDO）

・製紙産業の原料・前処理技術と化学産業の製造技術・材料技術により、非可食性バイオマスから高付加価
値化学品を製造する一貫プロセスを開発している。

総額約 71億円（予定）（2013 ～ 2019 年度）

地 域 のリグ ニン資 源 が 先 導 するバイオマス利用システムの技術革新（SIPリグニン）

・木質バイオマスから機能性リグニンを抽出して、得られたリグニンから高付加価値素材を開発している。

2014 ～ 2017 年度の総額約 16億円（2014 ～ 2018年度）

先端的低炭素化技術開発（ALCA）
特別重点技術領域「ホワイトバイ
オテクノロジーによる次世代化成
品創出プロジェクト」（JST）・バイオマスから高付加価値化成品を生産するための革新的な要素基盤技術を開発している。

総額約 15億円（予定）（2015 ～ 2019 年度）

日本

約 1,170億円（2014 - 2020年）

1€ ＝ 120 円、1$ ＝ 110 円で計算
出所：Web サイトを基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2017）※ 4 バイオマスを原料にバイオ燃料や化学品などを統合的に製造するプロセス。

22

10

技術戦略研究センターレポート

バイオマスからの化学品製造分野の技術戦略策定に向けて

表5

Horizon2020 におけるプロジェクト例（抜粋）要EU 負担分予算（プロジェクト総額）

プロジェクト名概

BIOFOREVER（2016 ～ 2019年）

リグノセルロースを利用した化学品製造のための変換技術の開発【製造する物質例】
・一次変換：セルロース、C5/C6糖、スペシャルティ糖、リグニン、フミン
・二次変換：ブタノール、樹脂、酵素、フランジカルボン酸

約 12億円（総額約 19億円）

BIORESCUE（2016 ～ 2019年）

農業残渣（マッシュルーム栽培培地残渣など）のカスケード利用による化学品
製造プロセスの開発

約 3.1億円（総額約 4.6億円）

CARBOSURF（2015 ～ 2018年）

糖脂質界面活性剤、スペシャルティ炭化水素（シアル酸付加された炭化水素） 約 3.2億円の製造プロセスの開発（総額約 7.2億円）

EXILVA（2016 ～ 2019年）

ミクロフィブリルセルロースの大規模供給と市場評価に向けたプラントの実証

GREENSOLRES（2016 ～ 2020年）

リグノセルロースバイオマスからレブリン酸を経由して、溶剤や樹脂製造を行
約 9億円
うための変換技術の開発【製造する物質例】レブリン酸、2-メチルテトラヒドロフラン、γ - バレロラクトン、 （総額約 13億円）
メチルブタンジオールなど

LIBRE（2016 ～ 2020年）

炭素繊維プレカーサーであるポリアクリロニトリルを代替する、リグニンベースの炭素繊維の開発

SMARTLI（2015 ～ 2018年）

副生リグニンを原料としたバイオ製品（可塑剤やポリウレタン、フェノール、 約 1.8億円
エポキシ等の樹脂）の製造技術の開発（総額約 2.9億円）

約 32億円（総額約 54億円）

約 5.5億円（総額約 5.9億円）

1€ ＝ 120 円で計算
出所：Web サイトを基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2017）

米国でも、バイオエコノミーの実現のために、バイオマ

す。BETO では、「変換技術」や「実証と市場移行」に

ス燃料に加えて、化学品の生産による経済性の向上を目対する支援に加えて、米国内の非可食性バイオマス原料

指して、DOE の BETO が、変換技術や大規模実証を調達のための課題解決に資する「原料供給と物流」の支援している。また、DOE だけでなく、USDA（農務省）

領域や、バイオマス利用の経済的、社会的、環境的な便と連携した支援も実施されている。バイオ変換、触媒技益を理解し、強化するための科学ベースの戦略策定を支術、計算機科学、分離技術など重要な課題については、える「分析と持続可能性」の領域も支援しており、バイオ

国立研究所等が連携したコンソーシアムを組織して、重マスによる燃料製造や化学品製造を経済的に社会実装

点的に取り組まれている。

するための総合的な取組が実施されている。

表 6に、BETO で支援されているプログラム領域を示
表6

DOE BETO の支援内容

プログラム領域概要2016年度予算額

変換技術・バイオマス原料から、生物学的、及び化学的にバイオ燃料、バイオ製品や化学中間体に商業的に実行可能な変換技術を開発

約 94億円実証と市場移行・統合されたバイオリファイナリーを開発、構築、運用することで、生産技術における投資リスクを削減し、最終製品の市場移行を実現

約 83億円

分析と持続可能性・バイオエネルギーの経済的、社会的、環境的な便益を理解し、強化するための科
学ベースの戦略を開発

約 12億円先端藻類システム・藻類バイオマスの生産性と培養・収穫の効率向上

約 33億円

原料供給と物流

・バイオリファイナリーに利用される持続可能な原料の質と量の向上、コストを低減させるための取組

約 18億円

1 ＄＝ 110 円で計算
出所：Web サイトを基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2017）1122

技術戦略研究センターレポート

バイオマスからの化学品製造分野の技術戦略策定に向けて（2）日本したバイオマスを炭化水素燃料や化学品原料、その他

我が国のバイオマス利用関連施策等及び研究開発のの有価物等に転換・利用する革新的なブレークスルーに経緯の概要を図 6に示す。我が国では、バイオマスニッポ

つながる研究開発の推進が記載されている。また、同年

ン総合戦略（2002 年閣議決定、2006 年改定）を契機に、に閣議決定された「新たなバイオマス活用推進基本計

バイオマス由来の再生可能エネルギーに関わる研究が進画」では、地域に存在するバイオマスを活用し、地域がめられてきた。その後、バイオマス活用推進基本法（2009

主体となる事業を創出し、農林漁業の振興や地域活性年制定）に基づくバイオマス活用推進基本計画（2010年）

化につなげるための施策が示されている。加えて、2017に続いて、2011 年には電気の調達に関する特別措置法

年に閣議決定された「未来投資戦略 2017-Society5.0（FIT 法）が制定され、再生可能エネルギーとして全国の実現に向けた改革」では、「攻めの農林水産業の展

各地でバイオマス発電所が建設され、稼働している。

開」として、セルロースナノファイバーやリグニン等について、国際標準化や製品化等に向けた研究開発を進める

バイオマスからの化 学 品 製 造については、2009 ～ことが提言されている。

2012 年度の NEDO「グリーン・サステイナブルケミカル
プロセス基盤技術開発」以降、様々なプロジェクトが実施されてきている。現在、2013 ～ 2019 年度の予定で、NEDO「非可食性植物由来化学品製造プロセス技術開発」が進められている。これは、製紙業界と化学業界の連携により、バイオマスからの化学品製造という新規産業の創出を目指す試みである。内閣府の SIP（戦略的イノ
ベーション創造プログラム）では、リグニン構造を活かして機能性部材に利用しようとする試みが進められている。
JST では、ALCA（先端的低炭素化技術開発）の中で、特別重点技術領域「ホワイトバイオテクノロジーによる次世代化成品創出プロジェクト」として、基礎研究が進められている。
また、7 府省（内閣府、総務省、文部科学省、農林水産省、経済産業省、国土交通省、環境省）により構成されるバイオマス活用推進会議が、バイオマス活用技術の到達
レベルの横断的な評価と事業化戦略の検討を行っている。
同会議では、原料生産から収集・運搬、製造・利用までの一貫したシステムの構築が掲げられており、需要の創出・拡大に向けた出口戦略の一つとして、化学品などの高付加価値製品の製造などによる事業化の推進を行っていくことが記載されている。
さらに、2016 年に内閣府が制定した、「エネルギー・
環境イノベーション戦略」においては、二酸化炭素を固定
2212

技術戦略研究センターレポート

バイオマスからの化学品製造分野の技術戦略策定に向けて

2002

2003

2004

（施策等）

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

●京都議定書（2005発効）

2016

2017

2018

2019

2020

2021

●パリ協定（2015）●エネルギー・環境
イノベーション戦略（2016）●未来投資戦略2017Society5.0の実現に向けた改革（2017閣議決定）●電気の調達に関する特別措置法（FIT法）（2011）●バイオマスニッポン総合戦略（2002閣議決定、2006改定）●エネルギー基本計画（2014閣議決定）●長期エネルギー需給見通し（2015）●バイオマス活用推進基本法（2009制定）●バイオマス活用推進基本計画（2010）●新たなバイオマス活用推進
基本計画（2016閣議決定）●森林・林業基本計画（2016閣議決定）●食料・農業・農村基本計画（2015閣議決定）●バイオマス事業化戦略（2012）（研究開発）
バイオマスエネルギー等高効率転換技術開発（NEDO）
セルロース系エタノール革新的生産システム開発事業（NEDO）

戦略的次世代バイオマスエネルギー利用技術開発事業（NEDO）

バイオ燃料製造の有用要素技術開発
事業（NEDO）
セルロース系エタノール生産システム総合開発
実証事業（NEDO）

バイオ燃料

バイオマスエネルギーの地域自立システム化実証事業（NEDO）

バイオジェット燃料生産技術開発
事業（NEDO）

農山漁村におけるバイオ燃料等生産基地創造のための技術開発（MAFF）

地域資源を活用した再生可能エネルギー等の利活用技術の開発（MAFF）

地域活性化のためのバイオマス
利用技術の開発（MAFF）

経産省
農水省
文科省
内閣府

グリーン・サステイナブルケミカル
プロセス基盤技術開発（NEDO）

化学品製造

非可食性植物由来化学品製造プロセス
技術開発（NEDO）
エネルギー・環境新技術先導プログラム（NEDO）
木質バイオマスの利用拡大（MAFF）
地域のリグニン資源が先導するバイオマス利用システムの技術革新（SIP）
先端的低炭素化技術開発（JST ALCA）

図6

我が国のバイオマス利用関連施策等及び研究開発の経緯

出所：各種資料を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2017）1322

技術戦略研究センターレポート

バイオマスからの化学品製造分野の技術戦略策定に向けて

バイオマスからの化学品製造
章 分野の技術課題

3

ウモロコシの芯）などを原料とする開発が進められている。

3 -1 バイオマス利用の技術体系

セルロースは多数のβ-グルコース分子がグリコシド結合

非可食性バイオマスは、セルロース、へミセルロース、リグニンという3 成分が強固に結合した構造となっている。
により直鎖状に重合した天然高分子である。また、セル
ロースは、水素結合などによって結晶状になっている。セ（1）非可食性バイオマスの利用

ルロースのまわりはリグニンが保護するように取り囲んでいる。ヘミセルロースは、リグニンとセルロースを結び付ける

油脂類（菜種油、パーム油、大豆油、ひまし油など）やような役目を果たしている。

サトウキビ、とうもろこし、キャッサバなどの可食性バイオマ
スを利用した化学品製造については、民間レベルで多く非可食性バイオマスを化学品原料として利用するための研究開発が行われ、一部事業化されていることから、には、アルカリ蒸解法、メカノケミカル法、高温高圧水処

ここでは、非可食性バイオマスからの化学品製造技術を理法などの前処理を行い、後段のプロセスで処理しやす対象とする（図 7）。

くする必要がある。セルロースとヘミセルロースは、酵素

非可食性バイオマスでは、木本系バイオマス（針葉樹・糖化により、セルロースは C6 糖であるグルコース、ヘミセ広葉樹）や草本系バイオマス（稲わら、もみがら、バガス、
ト

ルロースは、C5 糖であるキシロース、C6 糖であるマンノー

触媒プロセス

前処理・成分分離
非可食性
バイオマス

ヘミセルロース

糖化

C5 糖

セルロース

（含リグノセルロース）

有機酸・アル
コール類などC6 糖

発酵プロセス
触媒プロセスナノファイバー化

セルロースナノファイバー（CNF）

低分子リグニン
リグニン原料化

リグニン

芳香族モノマー

図7

非可食性バイオマスからの化学品製造の技術体系

出所：NEDO 技術戦略研究センター作成（2017）2214

技術戦略研究センターレポート

バイオマスからの化学品製造分野の技術戦略策定に向けての微生物では、グルコース以外の糖に対して、相対的にスなどに分解される。
近年注目を浴びているのが CNF であり、CNF の軽く発酵が遅い。また、前処理によって生成するフルフラールて強い（ 鋼 鉄の 5 分の 1 の重さで 5 倍 以 上の強さ）、比などの発酵阻害物質の混入により、発酵速度の低下やポ表面積が大きい（250m 2 /g 以上）、熱による変形が小さリマー化を阻害することがある。

い（ガラスの 50 分の 1 程度）といった特長を活かして、ポ

一方で、触媒などを用いた化学的な手法による変換技

リマーの補強材としての開発が進められている。また、術もある。この場合、原料である糖、セルロース、ヘミセ

TEMPO 触媒を用い、次亜塩素酸ソーダにより、CNFをルロース、リグニンの化学構造を活かした形で変換される

酸化分解して、シングル CNF 化することで、バリア性を高が、触媒反応の選択率・収率、分離・精製のプロセス向

めたり、消臭機能を高めたりできることが明らかになってい上に加えて、処理プロセスから得られる化学品の用途開る。さらに、製紙会社を中心にして、様々な特性を持った発が課題となる。

CNF の開発が活発化している。CNF の課題は、製造コ

このように、非可食性バイオマスの化学品原料としてのストと性能のバランスである。高機能化するための処理に利用には、バイオマスの供給、前処理技術、製造プロセ

エネルギーや薬品を多く投入することで、製造コストが高ス、及び用途開発間での相互のフィードバックが不可欠でくなることが課題として挙げられる。そのため、処理コストあり、企業単独でこれらの総合的な利用技術を開発するを低減した形で高機能化を実現することが求められる。

ことが困難であることから、技術開発のハードルは高い。

リグニンは、現在、製紙プロセスの前処理によって重縮合が進み、前処理に使用された薬品が混ざって黒ずんだ液体（黒液）となった形で主に抽出されるため、そのままでは、化学品として使用しにくく、燃料用途として利用されるケースが多くなっている。そのため、リグニンを化学的手法により、低分子化・モノマー化して、芳香族骨格を活かしたリグニン由来樹脂や芳香族モノマーとしての活用が検討されている。一方で、リグニンは原料種、部
位、前処理技術によって得られる性状が異なるため、バイオマスの原料供給と処理技術に応じた用途開発が不可欠である。

（2）化学品への変換技術
バイオマスからの化学品への変換技術としては、発酵法が用いられることが多い。現在、原料として可食性糖（トウモロコシ・サトウキビなど）から、発酵プロセスにより、エタノールなどの燃料だけではなく、乳酸、コハク酸、アミノ酸など多くの化学品が製造されている。非可食性バイ
オマスを利用する場合、セルロース由来のグルコース以
外にも、ヘミセルロース由来の糖類が含まれてくるが、多く

1522

技術戦略研究センターレポート

バイオマスからの化学品製造分野の技術戦略策定に向けてオマスの利用と3 -2 国内バイ技術開発課題合わせて約 848 万 t/ 年の農林業バイオマスが発生している。農林水産省はそれぞれの利用目標（2025 年に、林地残材 30％（約 120 万 t/ 年）、農作物非可食部 45％（1）国内バイオマスの利用（約 202 万 t/ 年））を定めている（表 7）。

「新たなバイオマス活用推進基本計画」においては、

地域のバイオマスを活用することは、①地域における地域に存在するバイオマスを活用した新たな産業を創出

新産業の創出によるGDP 向上、②農林業の活性化、③し、農林業の振興や地域への利益還元による活性化に未利用バイオマス利用による低炭素社会への貢献、④我つなげることが期待されている。

が国固有の資源の活用、といったメリットがある。

我が国の国 土 面 積 3,779 万 ha のうち、森 林 面 積はしかし、バイオマスを利用した産業を地域に創出するた

2,508 万 ha（国土の約 66％）、耕地（農地）面積は 447

めには、経済性の確保が重要になる。そのためには、効

万 ha（国土の約 12％）である。この農林業の生産現場か率的な収集システムの確立、高付加価値品への変換技

ら、林業由来の林地残材が炭素換算値で 400 万ｔ/ 年、術、化学品原料の規格化など、バイオマスを効果的に活

農業由来の農業残渣（農作物非可食部）が 448万ｔ/ 年、用する取組を総合的に実施する必要がある。

表7

2015年の我が国の農林業バイオマスの活用状況（炭素換算値）

バイオマスの種類

発生量
（万 t）

利用量
（万 t）

利用率
（％）

林地残材

400

  36

農作物非可食部（すき込みを除く）

448

142

2025年目標
利用量
（万 t）

利用率
（％）

  9

120

30

32

202

45

出所：農林水産省「バイオマスの活用をめぐる状況」（2017）を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2017）2216

技術戦略研究センターレポート

バイオマスからの化学品製造分野の技術戦略策定に向けて（2）高付加価値化利用技術

ム全体の経済性を向上させることが可能になる。

国内バイオマスの利用システムを構築するためには、バ

一方で、このように生産された改質リグニン、結晶性セイオマスから付加価値の高い化学品製造プロセスを開発

ルロース、テルペン類などの化学品原料については、化することが課題である。

学品・素材・材料に利用するための用途開発を行い、需給をマッチングさせる必要がある。

そのためには、バイオマスを構成する成分の価値を最大限に活用する形で、高い歩留りで化学品原料成分を

また、地域に賦存するバイオマスを利用する場合、バイ抽出することが重要となる。バイオマスからの化学品製造

オマス利用技術の地域での成立性を検証する必要があの高付加価値化利用技術の一例を図 8に示す。国内バる。特に、バイオマス種によっては、季節、地域、部位等

イオマスの利用システム技術を経済的に成立させるためによって成分や生産量も変動するが、こうした変動にも対には、改質リグニンや結晶性セルロース、あるいは、ヘミ応する必要がある。さらに、生産されたバイオマス由来化

セルロース由来やセルロース由来の成分から得られる糖学品原料については、形状・成分・品質などを担保する類など、バイオマスが本来持つ化学構造を最大限活かす必要があるため、規格化も重要な課題となる。

ことが有効になる。また、テルペン類などのように高付加価値化が可能な成分を抽出して活用することで、システ

農林業系
未利用バイオマス

歩留りと
付加価値の
最大化

バイオマス由来
化学品原料

高付加価値な
化学品・素材・材料

改質リグニン

改質リグニン誘導品

ヘミセルロース由来糖

ヘミセルロース由来糖・誘導品

セルロース由来糖
地域での
成立性

図8

結晶性セルロース誘導品

結晶性セルロース

テルペン類

需要の
マッチング

セルロース由来糖・誘導品
テルペン類由来誘導品

高付加価値化利用技術の一例

出所：NEDO 技術戦略研究センター作成（2017）1722

技術戦略研究センターレポート

バイオマスからの化学品製造分野の技術戦略策定に向けて

4 おわりに
章

バイオマスからの化学品製造の分野は、バイオエコノ
ミーの進展により、市場が大きく拡大していくことが予想されている。欧米などでは、低炭素社会の実現や石油依存の低減のために、非可食性バイオマスの利用技術に対して、公的支援が多く投入されている。
バイオマスからの化学品製造と産業利用の実現は、温暖化対策と産業競争力の両方に対する貢献を可能にする。また、国内バイオマスの利用が実現できれば、地域のGDP 向上、農林業の活性化といった効果も期待される。
国内に賦存するバイオマスを利用できるようにするためには、高付加価値化利用技術として、化学構造を保持した形での生産技術と、用途開発に加えて、地域での成立性の検証が重要な課題になる。また、化学品製造のプロセスの開発だけでなく、バイオマスの収集システムの構築など、様々な課題を克服することが必要である。

22

18

技術戦略研究センターレポート

Vol. 22
バイオマスからの化学品製造分野の技術戦略策定に向けて2017 年 11月 1 日 発行

TSC Foresight Vol.22

バイオマスからの化学品製造分野 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 矢島秀浩■ 環境・化学ユニット
・ユニット長石田勝昭

・主任研究員

山下

勝

・研究員

加藤

知彦

石井

雅久

定兼

修

森

智和

島田

広道 産業技術総合研究所 理事

室井

高城 アイシーラボ 代表

・フェロー

安井
指宿

至 製品評価技術基盤機構 名誉顧問
堯嗣 産業環境管理協会 技術顧問

● 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
本資料は技術戦略研究センターの解釈によるものです。
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引用を行う際は、必ず出典を明記願います。