未来を拓くバイオマス利用技術
東京大学大学院農学生命科学研究科 生物・環境工学専攻 教授

1. はじめに

横山 伸也

本法が施行され、電気事業者やガス事業者が一定量の新エネルギーの購入義務を負うエネルギー供給構造高度化

木材、草、畜産糞尿や生ゴミなど動植物から生まれ、法が同年 7 月に制定され、バイオマスを巡る環境が整い一定量集積しエネルギーやマテリアルに利用できる資源つつある。

のことをバイオマスと称する。バイオマスを最終的に燃バイオマスは農業や林業と密接な関係にあり、農業残焼して利用すれば二酸化炭素を放出するが、同量の二酸

渣や林業から排出される林地残材や間伐材、あるいは製化炭素が光合成によりバイオマスとして固定されれば、材所で排出される木くずなどがエネルギーやマテリアル

正味で大気中の二酸化炭素濃度に変化を与えない。このの原料として利用できる。このことは新産業の創生、雇性質をカーボンニュートラルと称している。バイオマス用の確保、農林業の活性化にも貢献できる。

は他の再生可能エネルギーと比較してユニークな特長がバイオマスは多種多様な形態をとり、化学的性質やある。それはバイオマスが有機性であることで、電気や物理的性質も異なるために変換技術も多様になる。 以

熱以外にメタン、メタノール、エタノールのような化学

下に、バイオマスの代表的なエネルギー変換技術を紹品や輸送用燃料を製造できることにある。化石資源と比介する。

較してその分布密度が希薄であり、収穫や運搬にコスト

2. 直接燃焼発電がかかるなどの欠点もあるが、適切に利用すれば環境負荷の低い、かつ循環して使用できるエネルギー源として有望である。

化石燃料と比較するとバイオマスは原料のばらつきが地球温暖化防止、循環型社会形成、戦略的産業育成、

大きく、直接燃焼させた場合に、燃焼温度と発熱量をコ

農山漁村活性化等の観点から、農林水産省をはじめとしントロールし難いという欠点がある。また、バイオマス

た関係府省が協力して、バイオマスの利活用推進に関すを大量に集積するのは難しいため、世界的にみても最大る具体的取組や行動計画を「バイオマス・ニッポン総合

規模で 10 万 kW 以下であり、石炭火力発電や天然ガス戦略」として 2002 年 12 月に閣議決定した。2006 年 3発電に比べて規模が小さい。

月には、これまでのバイオマスの利活用状況や 2005 年

秋田県能代森林資源利用協同組合の能代バイオマス発

2 月の京都議定書発効等の戦略策定後の情勢の変化を踏

電所では、スギ樹皮、製材工場の廃材を粉砕加工し、ボー

まえて見直しを行い、国産バイオ燃料の本格的導入、林ドの原料等の再資源化・燃料化を行うとともに、発電設地残材などの未利用バイオマスの活用等によるバイオマ

備を備えた木くず焚きボイラーで電気と熱を供給する事

スタウン構築の加速化等を図るための施策を推進してい業を行っている。図 1 は能代バイオマス発電所のシステる。2009 年 11 月末でバイオマスタウンの目標数 300

ムフローである 1）。

に対して 220 を超える市町村が名乗りを上げている。

計画規模では年間で約 5 万 5 千トンの木質系バイオマ

またバイオエタノールやバイオディーゼル燃料の導入促

スを原料とし、発電効率は 15％程度で総合効率 85％を進のために、2008 年 3 月にはバイオ燃料技術革新計画

目標としている。木質系バイオマスを含めてバイオマスが策定された。2009 年 6 月にはバイオマス活用推進基のエネルギー利用では収集が課題であるが、能代では地

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20

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工場
原料置場
発電機
粉砕機

燃料置場

ろ過装置
純水装置

用水

煙突

脱気器

油気復水
タービン

ボイラ給水
バグフィルタ

ボイラー

燃焼サイロ

燃料フィーダ

誘引通風機
燃料予備
乾燥機

サイクロン

資源化用

スギ樹皮ホッパ

図 1. 能代バイオマス発電所のシステムフロー

域内の廃棄物収集運搬業者の協力を得て行っている。すは変化しつつある。

なわち、組合員が持ち込む樹皮等に対してはシステム側

バイオマス利用が進んでいる北欧諸国の中でもスが購入し、組合員以外は処理費用として運搬業者に処理

ウェーデンでは、地域暖房を主な目的とした木質系バイ

費用を支払う。 組合員分のバイオマスは運搬業者に粉オマスを用いてコジェネレーションを行っている。人口

砕・乾燥作業を委託し、運搬業者は施設を利用することが約 20 万人のエンコピング市では、木質バイオマスのができる。一方、組合員以外のバイオマスは運搬業者がコ ジ ェ ネ レ ー シ ョ ン に よ り 熱 需 要 の 100 ％、 電 気 の粉砕・乾燥し、生産された燃料は全量を組合が購入する60％を賄っている。冬場は地域熱供給システムにより、ことになっている。この地域は製材工場も多く、残材も約 90℃の温水を各家庭に配管で供給し暖房に供していある程度発生するため、蒸気を大量に使用するボード会

る。夏場は暖房の熱需要がないので原則的に発電はして社やチップ会社と連携することが事業成功の鍵となる。

いない。発電用の木質バイオマスは、枝部、樹皮、チッ

ただし、間伐材の収集や運搬はコスト高につながるため

プ、建設廃材、エネルギー作物などである。エネルギーに、安定して木質バイオマスを供給することは容易では作物とはヤナギ（Salix）のことであり、年間で乾燥重量ない。間伐しても運び出す運搬費用がかかるため、森に換算でヘクタール当り 20 トンの収穫がある。筆者が訪放置されたままの間伐材が増えつつあった。しかしながれたヤナギのプランテーション現場では、所有者は 80ら、ソニーが、バイオマス発電所までの運搬費用を支援

ヘクタールの土地にヤナギを植林し、伐採したヤナギをすることを秋田県に提案し、これによって間伐がより進チップ化して電力会社に販売していた。灌漑には下水処

み、能代の森を育てながら、同時に間伐材の木くずでグ

理場からの処理水を使っている。これにより下水処理場

リーン電力を作る仕組みができた 。

側は二次処理の手間が省け、プランテーション側は無料2）発電された電力については、従来は売電単価が安いこで灌漑でき両者にとって便益がある仕組みになっていとから売電はせず、場内で利用することが一般的であっる。スウェーデンでは熱供給のためのバイオマス利用をたが、電力事業者に一定量以上の再生エネルギーの購入促進するために、化石燃料である石炭、重油などに課税を義務付けた「電気事業者による新エネルギー等の利用

してバイオマス燃料の価格を相対的に下げている。国民に 関 す る 特 別 措 置 法：RPS 法（Renewable Energyの合意の下で、このような政策が具現化していることもPortfolio Standard）」が 2006 年 6 月に公布され、状況見逃せない。

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21

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3. 木質ガス化発電のガスタービンを駆動、排熱で 2MW の蒸気タービンを駆動し、計 6MW の電力を得、これと同時に 9MW の熱バイオマスを発電に利用する場合、直接燃焼による蒸を供給した。バイオマスの消費量は毎時 4 トンであり、気サイクル方式が制御のし易さと原料を選ばないという

32％の発電効率が達成されたと報告されているが、現点で有利である。しかし、蒸気サイクルはスケールメリッ

在は BTG（Biomass to Liquid）用の合成ガス製造に使わトが大きく、高い効率を実現するには一定以上の規模がれている 3）。

必要となる。このことは分散型エネルギーであるバイオ

国内のガス化施設の比較的大規模な事例として、山形マスの特徴と相反するものであり、広範囲の地域からバ

県村山市にある、やまがたグリーンパワー（株）の木質

イオマスを収集する必要が生じる。特に日本のように起ガス化発電施設がある。図 2 はこの発電施設のシステム

伏の多い土地ではバイオマスの運搬コストが高くなり、フローである 4）。この施設は平成 20 年から本格的な稼運搬に要するエネルギーも問題となる。そこで、蒸気サ働を開始している。向流型（アップドラフト）ガス化炉

イクルに比べるとスケールメリットが小さく、小規模でで発生するガスにより大型のレシプロエンジン 2 基を駆も比較的高い効率が期待できるガス化発電設備の開発、

動 し、 合 計 で 2000kW を 発 電 し て い る。 こ の う ち普及が進められている。ガス化発電は燃料の一部を燃焼

300kW を内部動力として使い、残りを売電している。

させて発生する熱によって残りの燃料を熱分解し、可燃発電効率は 29％と高い。原料は間伐材、剪定枝、ダム性のガスを発生させて熱機関を駆動する方式である。熱流木などで最大で一日約 60 トン、年間で約 20,000 トン

機関にはレシプロのガスエンジンかガスタービンが用いを使用し、年間で約 15,000MWh の電力を生み出していられる。ガスタービンは従来中規模以上の設備に限られる。原料の含水率に対する許容範囲が広いのも特徴の一ていたが、小型化、パッケージ化が進められており、数つで、含水率 50％程度の生チップも利用できる。燃料10kW のマイクロガスタービンも開発されている。またの木質バイオマスはガス化炉の上部から、ガス化剤の空ガス化炉については石炭ガス化等の研究成果を継承し、気と水蒸気は下部から供給される。同社の説明によれば、高度の技術が蓄積されている。

ガス化炉内では上から、乾燥領域（〜 150℃）、熱分解

スウェーデンではベクショー大学等による CHRISGAS

領域（150 〜 800℃）、還元領域（800 〜 1,100℃）、酸（Clean Hydrogen-rich Synthesis Gas）プロジェクトの実

化（燃焼）領域（1,100 〜 1,300℃）が形成されている。

証実験がバルナモにおいて行われた。このプラントでは上部から排出されるガスは冷却されてタールが分離さ木質燃料を 20 気圧の高圧下で加熱してガス化し、4MWれ、集塵機を通過しエンジンに供給される。ガス化発電

図 2. やまがたグリーンパワー（株）のガス化発電所のシステムフロー

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22

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高温フィルター

ガス化炉

ガスホルダー

空気予熱器

熱風

発生ガス仕様

外熱式
多筒型キルン

受入れ
ホッパー

ガス

H2
37%
CO
33%
23%
CO2
CH4
7%
タール 6mg/m3
ダスト <2mg/m3

タール分解
乾燥

酸素

排ガス

排気フィルター
排ガス
ボイラー

蒸気

ガス
＋
タール

700 〜850℃

<900℃

炭

ガス
改質塔
1100℃
ガス冷却器
スス

熱風
発生炉

ガスエンジン

排ガス
ボイラー

排ガス
500℃

0.7MPa
灰

炭

蒸気

温水

201kW
(23.0%)

電力

73kW(8.4%)

176kW(20.1%)

図 3. 中外炉工業（株）のガス化発電プラントのフロー

4. バイオエタノール生産

ではタールの処理が問題になることが多い。向流型（アップドラフト）ガス化炉は、ダウンドラフト型に比べると熱効率が高い反面タール分が多いという欠点がある。こ

近年、世界のバイオエタノール生産量は急増の一途での施設ではタールを副産物として分離・回収して薬品会ある。 図 4 に示すように、バイオエタノールの生産量社に売却し、タールが発生しやすいという欠点を逆手には 2001 年からの 5 年間で 1.6 倍に増加しており、2006

とって利用している。

年時点で約 5,000 万 kL 生産されている。 2006 年から

山口県岩国市では中外炉工業（株）のプラントによるはブラジルに代わってアメリカが世界一の生産国となっ実証試験が行われている。図3に示すように、多筒型ローており、アメリカ、ブラジルの 2 ヶ国で世界の生産量のタリーキルンによってガス化される。外熱方式により水約 7 割を占める状況である。

分 16％の乾燥バイオマスを毎時 210kg 熱分解し、生成したガスは改質器でタールが燃焼され高温フィルターを(万kL/年）

通過してガスエンジンに供給される。ガス化炉で生じる

6,000

チャーは燃焼され、熱風発生炉を通してガス化の加熱に

アメリカ

中国

EU

その他

5,000

使われる。ガスエンジンで 176kW（うち 40kW は所内

4,000消費）の発電と 274kW の熱を供給し、発電効率は約20％である 5）。熊本県阿蘇市にも同じロータリー式ガス3,000

化炉があり、草本系バイオマスであるススキを原料とし2,000てガス化し発電を行っている。タール除去に使用する酸

1,000

素製造のために電力を使わなければならないという弱点

0があるものの、原料として多様のバイオマスに対応でき注目されている。

2001

図4

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ブラジル

23

2002

2003

2004

2005

2006

世界のバイオエタノール生産量の推移

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バイオエタノール生産システムが成立するためには、

表1

 国とブラジルにおけるバイオエタノール生産のエ
米
ネルギー収支と二酸化炭素削減効果

エネルギー収支（EPR：Energy Profit Ratio）が 1 以上であること、また温室効果ガスの削減効果があることが必

原料

須条件である。EPR とは産出されるエネルギーをバイオ

米国

ブラジル

トウモロコシサトウキビ

エタノール生産システムに投入されたエネルギーで除しエネルギー収支
（EPR）

1.3

8.0

た値である。

温室効果ガス
削減率

− 22%

− 56%

10％
一部で E85

20 〜 25% で義務化
E100 も一部で実施

米国でのトウモロコシからのバイオエタノールの生産混合率が急増したことにより、大豆などの作付面積が減少し、これが結果として食料価格を引き上げることになったと報じられた。バイオエタノール生産が食料価格に及ぼす削減効果も 56％あると報告されている。

影響について、世界銀行、国際食糧政策機構、農林水産

ここで大事なことは、これらの値を固定的に考えて判

政策研究所、FAO（世界農業食糧機関）などが調査や分断するのではなく、これらを一つの指標としてトウモロ

析を行っている。世界銀行の Donald Mitchell 氏によれ

コシやサトウキビからのバイオエタノール生産の効率をば、バイオエタノールが食料価格に及ぼす影響を分析向上させ、同時に、数値として表面には出てこない環境

する場合、対象とする期間、地域、対象とする食料の種面や労働面の改善を図ることである。特に、ブラジルの類、価格の種類、分析方法などについて留意すべきとし大半の地域においては、サトウキビの収穫は機械化されている 。この指摘の通り、分析に関して統一された対ておらず人手に頼っている。伐採前にはサトウキビを刈象や方法はないものの、食料価格に及ぼす影響は最大でりやすくするために畑を焼きはらうので、煤煙が生じて70％から最小で 3％まで幅広い結果となっている。農労働環境は極めて劣悪である。このような肉体労働者の業分野における比較的中立的な機関と評価されている国

労働環境の改善も重要である。

6）

際食糧政策研究所の分析によれば、米国のバイオエタ

現在、エタノールはサトウキビ、シュガービートなど

ノール需要が食料価格に与える影響として、トウモロコに含まれる糖分や、米、麦、トウモロコシなどの穀物にシで 21％、砂糖では 12％の価格上昇影響があると試算含まれるデンプンなどから作られている。図 5 に示すよされている。一方、ブラジルでは一部でバイオエタノー

うに、通常は前者の場合、糖分を酵母により発酵し、後ル生産の増産により砂糖生産が抑制されたとの情報もあ者の場合はデンプンを酵素により糖化した後に発酵するが、実際にはバイオエタノールも砂糖も増産されている。 この両方を併せて第一世代バイオエタノールと称る。また、一般論ではあるが、バイオエタノール増産でしている。 これらに対して、セルロースからエタノー

作物の価格が上昇し、その結果として一般家庭の食料品

ルを製造しようというのが、今世界中で熾烈な競争をしまで高騰することが非難されているが、世界的には農民ているプロセスであり、第二世代バイオエタノールと称の多くは貧困層であり、作物価格の適正な上昇自体は非する。ただし、いずれのケースも発酵工程後の蒸留工程難されることではないともいえる。

と脱水工程は共通である。通常は発酵によってエタノー

バイオエタノール生産の EPR はどうなっているのであ第二世代
バイオエタノール

示している 7）。米国においては投入エネルギーに対して生産エネルギーは 1.3 でかろうじて 1 を上回っており、
温室効果ガスの排出はガソリン使用に比べて 22％の削

セルロース系
原料

前処理
間伐材
建築廃材
イナワラ・バガス

糖化

発酵

糖化

発酵

判もあるが、副生する DDGs（Dried Distillery's Grains）と称する乾燥飼料を考慮すべきとの意見もある。ブラジ
図5

ルの場合 EPR は 8 と 1 を大きく上回っており、温室効果

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24

バイオマスからエタノール製造のプロセス

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副産物

減効果があるとされている。EPR が小さすぎるという批

デンプン

米・麦
トウモロコシ発酵
脱水

バイオエタノール生産時の EPR と二酸化炭素削減効果を

糖

サトウキビ
シュガービート

無水エタノール

エタノール生産時とブラジルにおけるサトウキビからの

蒸留

第一世代
バイオエタノール

ろうか。表 1 は米国におけるトウモロコシからのバイオル濃度は 5 〜 6％になるので、これを蒸留してエタノーて糖化する必要がある。

ル 濃 度 を 約 95 ％ 程 度 に 濃 縮 し、 さ ら に 脱 水 工 程 で

酵素糖化法が実用的になるためには、活性が高いこと、

99.5％以上の無水エタノールとする。ガソリンにエタ

外的なストレスで容易に失活しないこと、酵素の回収・ノールを混合する場合、水分が含まれているとエタノー

再利用が可能なこと、安価に製造できることが求められルとガソリンが相分離を起こす可能性がある。このためる。セルロース系バイオマスの糖化技術、特に酵素糖化に蒸留・脱水は重要な工程でありコストもかかる。水分技術によるバイオエタノール製造は、経済性を考慮するを選択的に吸着するモレキュラーシーブを用いた吸着法とまだ実用化には時間がかかりそうである。

やゼオライト膜を用いた膜分離法があるが、さらに高効2007 年 4 月末、石油元売り各社で構成する石油連盟

率で安価な方法が求められている。

は、首都圏（東京都、神奈川県、埼玉県、千葉県）50 箇

従来のエタノール製造法では食料として使用される作所の給油所において、「バイオガソリン」の販売を開始

物を原料としているので、食料との競合が避けられない。

した。バイオガソリンとは、バイオエタノール 3％と石しかしながら、セルロース系バイオマスを原料として使油起源であるイソブチレンから合成されたエチルター

用できれば、食料との競合が避けられることになる。現シャリーブチルエーテル（ETBE）を混合した燃料である。

在、世界の穀物生産量は約 20 億トンといわれているが、一方、農林水産省や環境省は、地域のバイオマスから生

これら作物から排出される残渣物や木質系バイオマスの産されるバイオエタノールをガソリンに 3％直接混合す

資源量は膨大である。もとより木質系バイオマスは建材

る E3 導入を推進している。石油連盟は E3 方式ではなくや紙・パルプの原料ではあるが、未利用分や廃棄物としETBE 方式を採用した理由として、エタノールは水に溶て焼却あるいは処分されている量もまた膨大である。こけやすく、水滴などによってガソリンに水分が混入し不のような非食料バイオマスからバイオエタノールを製造具合が生じることなど安全性の問題を挙げている。地域

することは人類の夢といって過言ではない。しかし、技

バイオマスからエタノールを生産し、地域で利用する術的な難題や克服すべき経済性の問題もある。

ローカルシステムを想定すると、直接エタノールを混合

セルロース系物質の主なものとしては、イナワラ、する E3 方式の方が簡便で導入障壁が少ない。現在行わモミガラ、バガスのような農産系バイオマスと木質系れている実証試験を通して、品質・安全性を含めた導入

バイオマスがある。木質バイオマスの場合、セルロー

可能性を明らかにする必要がある。

スやヘミセルロースをリグニンから分離することが第わが国では、バイオエタノール生産量は 2007 年時点

一の課題である。次いで、セルロースやヘミセルロー

ではわずかに 30kl であった。図 6 に示すように、農林

スを酸や酵素、あるいはこれらの複合的な使用によっ

水産省や環境省は、目標である 3.1 万キロリットル達成

5. 沖縄県伊江村（アサヒビール・JA 伊江等）
【農水省・経産省・環境省・内閣府】
原料：サトウキビ（E3）
6. 沖縄県宮古島（りゅうせき）
【環境省】
原料：糖蜜
（E3）

オノエホールディングス（株）
設置場所：北海道苫小牧市
生産規模：1.5 万 kL/ 年
原料：非食用米
1. 北海道十勝地区（（財）十勝振興機構等）【農水省・経産省・環境省】
原料：規格外小麦（E3）

北海道バイオエタノール（株）（ホクレン・JA 道中央会等）
設置場所：北海道上川郡清水町
生産規模：1.5 万 kL/ 年
原料：余剰テンサイ・規格外小麦

2. 山形県新庄市（新庄市）【農水省】原料：ソルガム（E3）
3. 大阪府堺市（大成建設・丸紅・大阪府等）【環境省】原料：建築廃材（E3）
4. 岡山県真庭市（三井造船・岡山県等）【経産省】原料：製材工場残材（E3）

全国農業協同組合連合会（JA 全農）設置場所：新潟県新潟市
生産規模：0.1 万 kL/ 年
原料：非食用米

7. 福岡県北九州市（新日鐵エンジニアリング）【経産省・環境省】原料：食品廃棄物
バイオエタノール 30kL
（平成 19 年 3 月時点の生産量推計）

図6

約 1000 倍バイオエタノール 3.1 万 kL
（平成 19 年度から大規模実証）

わが国におけるバイオエタノール開発の現状と目標

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25

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に向けて、全国各地でバイオエタノール製造を推進して進行し、反応時間は 1 時間程度である。反応終了後は、いる 。

層分離が生じ、上層にはエステルが浮上し下層にはグリ8）セリンが沈降する。エステル層にはアルカリ触媒やグリ5. バイオディーゼル燃料の製造

セリンが残存しているので、これを除去するために温水で数回洗浄する。その後加熱し水分を蒸発させて、精製

植物油は 3 価の脂肪酸にグリセリンが結合したトリグ

された脂肪酸メチルエステルを得る。

リセリドと呼ばれる構造をしている。バイオディーゼ

ここで原料となる植物油には通常、遊離脂肪酸が存在

ル燃料（Bio-Diesel Fuel）とは、一般に植物油の主成分する。遊離脂肪酸が存在すると、次に示すようにアルカであるトリグリセリドとメタノールとのエステル交換

リと反応してケン化（Saponification）反応が起こる。

反応（Transesterification）によって得られる脂肪酸メチ
ルエステル（FAME:Fatty Acid Methyl Ester）を意味する。

RCOOH

ディーゼルエンジンは約 100 年前にパリで開催された

＋

NaOH

→

RCOONa＋ H2O

遊離脂肪酸		アルカリ触媒		 アルカリ石ケン		

水万国博覧会で、ドイツの技術者であるルドルフ・ディー
ゼルによってピーナツ油を使ってはじめて駆動された 9）。

すなわち、脂肪酸のアルカリ塩である石ケンができる。

植物油を直接ディーゼルエンジンで使用すると、燃焼

アルカリ石ケンができるとグリセリン層と脂肪酸メチル

室内に未燃カーボンが蓄積してエンジンに不具合が生

エステル層との分離が困難になる。そのため、原料油脂じる。このために、温度を上げたり、石油系のディー中に遊離の脂肪酸がある場合には、アルカリで抽出する

ゼルオイルに混合したりするが、メタノールとエステ

方法、吸着法、硫酸などで遊離脂肪酸をメチルエステル

ル交換反応を行ってディーゼル油程度に粘度を低下す化する方法や、酸化カウシウムなどの固体酸を使ってメるのが一般的である。この反応にはさまざまな触媒がチルエステル化して除去する方法が報告されている 10）。

使用されるが、商業的なバイオディーゼル燃料の製造

アルカリ触媒法では副産物として原料の約 10％のグリには、安全性やコスト面で有利な水酸化カリウムが使

セリンが生成する。グリセリンは精製すれば、香粧品や用されている。

医薬品の原料として商品価値を有する。しかし、国内で図 7 に植物油のメチルエステル化反応式と模式図を示

はグリセリンは供給過剰気味であるために、さらなる有す。R1、R2、R3 は脂肪族炭化水素を示し、炭素数は

効利用法が求められているのが現状である。廃棄物とし11 から 17 程度である。すなわち、脂肪酸に 3 モルのメてメタン発酵の原料にしたり、そのままボイラー燃料とタノールを水酸化カリウムなどのアルカリ触媒下で反応して利用されているケースもある。大量にバイオディー

させると、脂肪酸メチルエステルが生成し、副産物としゼル燃料を製造する場合には、この副生成物の有効利用てグリセリンができる。反応は大気圧下温度約 60℃で技術の開発が必要となる。

植物油
脂肪酸
脂肪酸

グリセリン

脂肪酸メチル
エステル

メタノール

脂肪酸

＋

メタノール

脂肪酸

メタノール

メタノール

脂肪酸

メタノール

メタノール

脂肪酸

メタノール

CH 3 −OCOR 1l
CH −OCOR 2 ＋３CH 3 OＨl
CH 3 −OCOR 3
図7

→

26

＋

グリセリン

R 1 C O O C H 3 C H 2 −O Hl
R 2 C O O C H 3 ＋C H −O Hl
R 3 C O O C H 3 C H 2 −O H

植物油のアルカリ触媒によるエステル交換反応

tokugikon

グリセリン

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メタノール再利用

水

油脂原料

メタノール
精製

油層
亜臨界水
（270℃/7MPa）

水層

超臨界メタノール（270℃/7MPa）

バイオ
ディーゼル
（BDF）

廃水

グリセリン
CH2-COOR13H2O

R2COOH

+

+

CH3OH

RʼCOOCH3

CH-OH
CH2-OHR3COOH

CH2-COOR3RʼCOOH

CH2-OHR1COOH+

CH-COOR2+

H 2O

R1, R2, R3, Rʼ： 炭化水素基

図8

2 段階超臨界メタノール法（Saka-Dadan 法）

坂らは、植物油を超臨界処理をすることで、触媒を必

テルをバイオディーゼル燃料と称する。京都市では要としないかつグリセリンを副生しないプロセスを開発

2004年6月より京都市南部クリーンセンター構内に設立している。1 段階のメタノール超臨界法では、油脂に対された京都市廃食用油燃料化施設において、日量で約するメタノールのモル比が 42、反応温度 350℃、反応

5,300 リットル、年間で約 160 万リットルが製造されて圧力 20 〜 40MPa が最適であったが、処理条件が過酷すいる。また、軽油混合油（軽油：バイオディーゼル燃料

ぎるとして、2 段階超臨界メタノール法（Saka-Dadan 法）＝ 80：20）も日量で約 6,000 リットル、年間で 104 万リッを提案している。図 8 は 2 段階超臨界メタノール法

トルのバイオディーゼル燃料が製造されている 14）。 ここのプロセスフロー図とその反応式である。この方法は、で原料となる廃食品油は約 9 割がホテル、レストラン、

まず油脂に水を添加して亜臨界条件で油脂を加水分解す

料亭などからで一般家庭からは約 1 割である。一般家庭る。すると図中の反応式に示すように、遊離脂肪酸とグからの廃食品油は、市内約 900 拠点から回収している。

リセリンが生成する。 次に遊離脂肪酸を含む油相にメ100％のバイオディーゼル燃料は京都市の約 220 台のゴ

タノールを加えて、超臨界条件で脂肪酸のエステル化反

ミ収集車に、軽油混合油は約 80 台市バスに使われている。

11-13）

応を行うことにより、脂肪酸メチルエステルを得る。2

廃食品油からの製造プロセスのフローを図 9 に示す。

段階法は 1 段階法に比べて反応条件が緩和されるため、原料中に含まれる不純物をフィルターで除去し、溶解水反応器の材質に高価な合金を使用しなくて済み、生成し分を除去するために真空加熱蒸発処理を行った後、反応た脂肪酸メチルエステルの熱変性も起こらない。また、槽へ送液される。反応槽ではメタノールが加えられ、次グリセリンは加水分解によって水相に移動するためにエ

いで触媒として水酸化カリウムが添加され、メタノール

ステル工程に関与せず、生成物中のグリセリン濃度が低の沸点である 65℃以下まで間接加熱されてエステル交減される。一方問題点としては、エステル化反応の逆反換反応が進行する。所要時間が経過後、比重差により沈応により、微量ではあるが脂肪酸が反応系内に残存する降したグリセリンを槽下部から引き抜き分離、除去を行ことがあげられる。このために再エステル化が必要であう。高品質のバイオディーゼル燃料を得るために、二段り経済性に課題がある。 しかしながら、この方法はグ反応方式が採用され、同様の操作が繰り返される。反応

リセリンを副成しないなどという優れた点も多く、実用率の向上のために過剰に加えられた未反応メタノールは化が期待されている。

反応槽と分離槽に残留しているので、二段反応後真空加

わが国における年間のバイオディーゼル燃料の生産量

熱蒸発により未反応のメタノールを回収し、次の反応には 2008 年段階で 1 万トン程度と推定できるが、最大規再利用される。粗製の脂肪酸メチルエステルは、所要温

模は京都市のプラントである。以下、脂肪酸メチルエス

度に加温された洗浄水により、水溶性の遊離グリセリン

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廃食用油

水分

メタノール

水分

窒素（防酸化用）

触媒

前処理槽

反応
分離槽

精製槽

フィルタ

フィルタ

原料貯蔵
タンク

製品貯蔵
タンク
(100%)

軽油
グリセリン
廃液

洗浄
廃液

添加剤
タンク

製品貯蔵
タンク
( 軽油混合 )図 9 京都市のバイオディーゼル燃料製造プロセスの概略などの不純物が除去される。さらに、真空加熱蒸発によ検討された。この検討を受けて 2007 年に省令が公布さり残留する水分が除去され、最終フィルターを経て精製れ、バイオディーゼル混合燃料油の一般のディーゼル車

されたバイオディーゼル燃料が得られる。

への流通を念頭に、2007 年 3 月に「揮発油等の品質の

最近、原料植物を問わず獣脂も含めた広範な原料油脂確保等に関する法律」の軽油の強制規格が改正された。

を石油精製の水素化処理技術を応用して分解し、合わせこの改正内容は、軽油へのバイオディーゼル燃料の混合て雑物を除去して作る水素化処理油（BHD：Bio Hydro-率が5％以下とされ、トリグリセリド含有率、メタノール

fined Diesel）が、新日本石油株式会社とトヨタ自動車

含有量等が追加されたものである。なお、この法律では株式会社により研究開発されている 。この方法によれ

あくまで炭化水素油を対象とした規制であるため、炭化ば、油脂を原料としつつ、既存の石油由来の燃料と何ら

水素成分を含まないニートのバイオディーゼル燃料（含酸遜色のない、一般の軽油の規格に適合した燃料を精製す素燃料）はこの法律の規制の対象とはならない。

15）

ることが可能であるとされる。BHD は油脂が水素化さ

最近、ジャトロファ（南洋アブラギリ）が毒性を有すれる過程で不純物が除去される。これまでに、減圧軽油ることから食料と競合しないこと、比較的痩せた土地で留分とパーム油を混合して水素化分解処理を行い、パーも栽培が可能なこと、年間に複数回収穫でき農民の換金

ム油の水素化分解により軽油留分の収率が向上すること

作物として有望であることなどから、世界各地で栽培さや、既存の石油精製で得られている軽油に近い性状の軽れ大規模な栽培計画が持ち上がっている。しかし、収穫

油留分が得られることが確認されている。

量についても大幅な隔たりがあり長期にわたる正確な情

一般公道を走行する車両にバイオディーゼル燃料を使報が得られていない。痩せている土地よりも肥沃な土地用すれば、軽油引取税が課税されることになる。バイオの方が、また施肥をしたほうが収穫量も多い。ジャトロ

ディーゼルを生産し販売を行うためには、軽油引取税を

ファ自身は食料とは競合しないが、土地の獲得を巡って払わねばならない。バイオディーゼル燃料を軽油と混合は食料と競合する可能性も生じる。ジャトロファに関しして販売したり、自動車の使用者が自らバイオディーゼては、商業規模での生産を行うには長期にわたる正確な

ル燃料を購入したり製造して軽油と混合して使用する場

情報やデータの蓄積が必要である。

合は、軽油引取税の課税対象となる。軽油引取税は地方

6. 嫌気性発酵によるメタン生成税であり、各地の県税事務所での判断によって課税基準が決められる。わが国ではこれまでバイオディーゼル燃料についての規格が存在していなかったが、総合資源エ

メタン発酵とは種々の微生物の作用により有機物が段

ネルギー調査会により、欧州規格を参考にして規格化が階的に分解され、最終的にメタンと二酸化炭素が生成す

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る現象である。嫌気的条件で反応が進行するために嫌気（55℃）と分類され、
発酵形式により二槽式やUASB（Upflow

性消化とも呼ばれる。メタン発酵の原料となるのは、生Anaerobic Sludge Blanket）などに分けられる。エタノー

ゴミ、食品廃棄物、下水汚泥、畜産糞尿、有機性排水な

ル発酵と並び長い歴史があり実用化技術である。課題とどである。

しては、全量を変換できずに廃液やスラッジが出てしま

メタン発酵は図 10 に示すように段階的に進行する。

うことであり、収率を上げるための高温処理、粉砕前処

原料となる廃棄物には一般的に多種多様な有機物が含ま理などが検討される一方、副生する排液、スラッジの液れるが、これらの高分子が細菌により分解されて可溶化肥利用やコンポスト利用の検討などが行われている。

される。これにより、炭水化物やセルロースなどの多糖

図 11 に示すように北海道江別市の町村農場では、年類は単糖に、タンパク質はペプチドとアミノ酸に、油脂

間約 4,800 トンの乳牛糞尿を原料としてメタン発酵をはグリセリンと脂肪酸に低分子化される。次いで、酸生行っている。デュアルフューエルエンジンによる発電を成細菌によって分解され、酢酸、ギ酸などの低分子有機行っており、1,430kWh/ 日の電気をミルクプラントの酸や水素に変換される。そして、最終段階ではメタン生動力に使用し、余剰分は売電している。また、発酵処理

成菌によりメタンが生成する。メタン発酵により生成し後の約 5,000m3 の消化液は液肥として圃場に還元してたガスをバイオガスと呼ぶが、一般的にはメタンが 60いる。このために化学肥料の施肥量も減らすことができ、〜 65％で残りが二酸化炭素と微量の硫化水素とアンモ

コスト節減と環境負荷の軽減を図っている 16）。京都府南ニアである。発酵した後に消化液（発酵液）が残り、こ

丹市の八木エコロジーセンターでは、牛糞尿、豚糞尿、の効果的活用が重要となる。すなわち、液肥として圃場

廃牛乳、オカラなどを年間で約 28,000 トンを原料としに散布できれば経済的であるが、廃液処理をしなければて、メタン発酵を行っている 17）。発生するバイオガスはならない場合はそのコスト負担が大きくなる。

一日 2,436m3 でメタン濃度が 65％程度である。この消メタン発酵は発酵温度により低温、中温（35℃）
、高温

原料

酸生成

低分子
化合物

可溶化
（分解）

（生ゴミ、食品廃棄物、汚泥、畜産糞尿）化ガスをガスホルダーに貯えて脱硫塔で硫化水素を除去

メタン

H2、CO2有機酸類（C3 以上）

廃水処理

図 10

メタン発酵のフロー図

機械室

ガス発電機
（65 kw）

育成・乾乳牛舎

ガス配管 (φ150)
ガスドーム

ガスドーム

搾乳牛舎

流入槽

一次発酵槽

汲上げポンプ（3.7 kw）
攪拌機（7.5kw）

スラジ排出ポンプ（5.5kw）
攪拌機（2.2kw）（14m2）

二次発酵槽（260m2）（800m2）水中攪拌機（7.5kw）
温水パイプ（φ150）

水中攪拌機 (7.5kw)

既設コンクリート貯留槽

既設コンクリート貯留槽

水中攪拌機 (7.5kw)

水中攪拌機 (7.5kw)

圃場
図 11

貯留槽

（800m2）

町村農場のバイオガスプラントのフロー

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した後、ガスエンジンで発電を行う。発電機は 70kW 級化、新産業の創生、国土の保全などに加えて、温室効果のエンジンが 2 基と 80kW 級が 1 基である。当初は所内ガスの削減など地球環境の保全にも寄与できると考える。

消費電力のみを発電し、余剰ガスは焼却していたが、参考文献

2001 年度以降は余剰電力を売電している。運転コスト

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み」第 163042 号
15）小山成、壱岐英、井口靖敏、廣瀬正典、鶴谷和司、林倫：CO2 削減を可能とする将来燃料に関する検討（パーム油
水素化処理油の自動車用燃料適用性検討）、自動車技術会秋季学術講演会予稿集、JSAE 20065913（2006）16）バイオマスエネルギー導入ガイドブック（第2版a）,pp.150151、新エネルギー・産業技術総合開発機構（2005）17）新エネルギーガイドブック pp.91、新エネルギー・産業技術総合開発機構（2008）

は年間約 7600 万円で内訳は薬品費、メンテナンス費、労務費であり、収入（畜産糞尿やオカラの受け入れ費、堆肥販売費、売電料金など）であるが、支出が収入を上
回り不足分を補助金で補っている。
バイオガスはスクラバーで水洗するだけで 98％程度の純度のメタンガスが得られる。このガスを圧縮すれば液化するため輸送用燃料に使用できる。スウェーデンの多くの都市では市バスの半数をバイオガスからのメタンガスで運転している。人口が 27 万人のウプサラ市のバ
イオガスプラントでは、年間で 8,000 トンの厨芥ゴミを処理している。70℃で 1 時間殺菌した後、55℃で高温発酵しメタンを生産している。バイオガス中のメタン濃度は 65％である。バイオガスをスクラビングし脱炭酸
して 98％にまでメタン濃度を上げ、250 気圧で液化している。月に約10,000m3 のメタンを市に売却しており、
これは市バスの燃料に使われている。発酵液は液肥として無料提供している。バイオガスの利用法としては、発電やコジェネ用以外にこのような利用法も視野にいれるべきと考える。

7. おわりに
バイオマスは確かに再生可能な資源であり持続的な活用が可能とされているが、バイオマス資源そのものは農業や林業と密接不可分であり、農業や林業がビジネスとして持続可能でなければバイオマスエネルギーも持続的ではありえない。わが国は国土の約3分の2が森林で覆わ

profile

れており、その意味では世界有数の森林資源に恵まれた

横山 伸也（よこやま しんや）国でありながら、2005年度は5200万m3 もの木材を輸入

昭和49年4月
工業技術院公害資源研究所入所
平成3年10月	資源環境技術総合研究所 温暖化物質循環制
御部 バイオマス研究室長
平成6年4月同所温暖化物質循環制御部長
平成13年4月	独立行政法人産業技術総合研究所 中国センター所長
平成16年3月
現職

しておりこの量は世界一となっている。林業がビジネスとして十分機能しておらず、伐期を迎えた木材が山林に放置され、間伐も十分に行われていない。このために森林の保水能力が低下し、土砂崩壊、土砂流出、鉄砲水な
どの自然災害が度々生じている。 長期的な視野にたって林業を再活性化し、林業をビジネスとして成立させることが肝要である。これを達成するためには長い年月が必要ではあるが、その補助策の一つがバイオマスのエネル
ギー利用と考える。このような政策により農林業の活性tokugikon

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