革新的環境技術シンポジウム 20172017年12月6日

低炭素社会の実現を目指した
バイオリファイナリー生産技術の開発

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

奈良先端科学技術大学院大学(NAIST) バイオサイエンス研究科／客員教授
グリーンフェノール開発株式会社(GPD)／取締役、技術部⾧

乾 将行

バイオリファイナリー
非可食バイオマス

バイオ燃料
RITE Bioprocess®

(増殖非依存型バイオプロセス)

反応槽に微生物を高密度充填し反応する

C6糖 6C5糖 5・エタノール
・ブタノール・水素・ジェット燃料

混合糖完全同時利用可

発酵阻害
物質耐性

グリーン化学品

自動車部材、包装材、電気製品部材、炭素繊維、各種樹脂等

・C2 エタノール
・C3 プロパノール
・C4 ブタノール等

Corynebacterium
glutamicum

高生産性・アミノ酸
・芳香族化合物・ﾊﾞｲｵﾌﾟﾗｽﾁｯｸ等
2バイオエコノミー (Bioeconomy)
Bioeconomy: バイオ技術に基づく産業、循環型社会とバイオ産業が融合

栽培技術
agri-tech

農業・林業

再生可能資源原料・バイオマス

リサイクル

バイオリファイナリー

化学品
医薬品
エネルギー、食品

廃棄物

CO2 吸収CO2

消費3

バイオテクノロジーに対する期待4
出典: http://www8.cao.go.jp/cstp/tyousakai/juyoukadai/nourin/5kai/siryo3.pdf

バイオ技術 × デジタルの融合
社会変化

情報社会

コンピューターによる自動化

Society 5.0 2030年代を目指して

超スマート社会: サイバー空間とフィジカル空間が高度に融合

新産業創出

Connected Industries

技術変化

第4次産業革命独立関係にあったものが融合、新たな付加価値の創造

出典:
内閣府
総合科学技術・イノベーション会議
経済産業省 (2017年5月)

ビッグデータを基にAIが自ら考えて最適な行動をとる

Connected Industriesの具体例 (ものづくり／バイオ／AI)
バイオ × デジタル
バイオ技術とデジタル技術の革新と融合①ゲノム解読コストの低減・短時間化②IT／AI技術の進化③ゲノム編集技術の登場
高度に機能がデザイン・制御された生物細胞 (スマートセル) の創出が容易になり、これまで利用し得なかった”潜在的な生物機能”を引き出し、利用することが可能に。

バイオ × デジタルが導く
Connected Industries
スマートセルが医療・ヘルスケア産業、ものづくり産業や食品産業など幅広い産業と融合①疾病予防可能なヘルスケア産業②化石資源に頼らない産業への転換③革新的新素材によるものづくりの革新
5

増殖非依存型バイオプロセスの概念図
RITE Bioprocess®
特許 JP3869788 DE602004026192.0 JP4927297

反応槽に微生物を高密度充填し反応する

JP4451393 DK1647594
US7368268 FR1647594
EP1647594 GB1647594
CH1647594

混合糖完全同時利用可
高生産性

C5, C6糖生産物
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

微生物が増殖しないため、■増殖のためのエネルギーロスがなく、原料収率が高い。
■システムが簡便である。

＊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する■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となる。

増殖■生産 (反応) 時間は微生物の増殖に依存する。
6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
200

グルコース
キシロース
アラビノース

150100

リグニン

246810120

反応時間(h)2468
反応時間(h)10CH3ORITE論文: Appl. Microbiol. Biotechnol. 85:105-115. 2009.

Fructose

Fructose-PTS

SucroseSucrose-PTS

Cellobiose
Galactose

β-Glucoside-PTS

BglAArabinose

OCH3

フルフラール
100806040200Xylobiose
Xylose5-hydroxymethyl2-furaldehyde

100Glycolysis

05101520

Concentration（mM）

Pentose transporter

XylAB
AraBAD

Pentosephosphate
pathway

5-HMF

OH

4-HB
ManA

Relative ethanol
productivity(%)

MannoseCHO

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

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

C. glutamicum R株による糖代謝利用能
GlucoseO

Syringaldehyde

12

HOH2CO4-hydroxybenzaldehyde

Relative ethanol

0OHOH

OCH3

FurfuralAcetic acid

4-HBVanillin

CHOO

O50Furans
OPhenols

0Pentose

ヘミセルロース

100500グルコース
キシロース
アラビノース

糖濃度(mM)

糖濃度(mM)

150

Hexoseセルロース

productivity(%)

20080
6040
20002040

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

●RITE Bio-Process■ザイモモナス菌

60

Concentration(mM)▲アルコール酵母

7

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)8バイオ燃料生産技術の開発9

国際航空における温暖化対策、ICAOで合意
航空機からのCO2排出量(百万トン)

3500

航空機からのCO2排出量削減目標

3000＜ICAO目標＞
航空分野からのCO2排出量
2000 を2020年以降増やさない
2500

1500

航空機の燃費改善

対策しなかった
場合のCO2排出量

運行方法の改善18億トン～

グリーンジェット
燃料の導入
排出権取引

1000
500
0
2000 2005 2010

8億トン弱
3億トン

2020

2030

2040

2050

参照) 2016 ICAO Environmental Report＜ICAO予測＞
2050年の航空分野からのCO2排出量は18億トン以上＜IATA目標＞
航空分野からのCO2排出量を2050年に2005年時点の50%まで削減
ICAO: 国際民間航空機関
IATA: 国際航空運送協会

国連傘下のICAOで合意した国際航空の温室効果ガス排出削減制度 (GMBM) （出典: 日経2016.10.18）
2021年～26年

27年～35年

対象国

自発的な参加義務的な参加日本への影響 (排出権の購入)

年十数億円 (当初)

年数百億円 (35年)

 ICAOでの合意により、航空会社にとってグリーンジェット燃料の導入が不可欠。
 ICAOやIATAの目標達成には2050年にジェット燃料の60%～80%をグリーンジェット燃料に代替させる必要がある。混合比率が50%までの既存のグリーンジェット燃料では目標達成は不可能。任意の割合で混合できる100%グリーンジェット燃料によって達成可能になる。

10

グリーンジェット燃料に要求される組成 炭素数が9～15個の範囲にある多様な構造の分岐鎖および環状飽和炭化水素が主成分
 芳香族成分含量が8%以上(芳香族成分を含まないと石油系燃料との混合比率は最大でも50%まで)
 石油系燃料と類似した炭素数分布 (特定の炭素数だけだと混合比率は最大でも10%程度)
燃料系機器の気密性の維持に必須
芳香族化合物

融点が高すぎるため高い含量は好ましくない

合成炭化水素を含むジェット燃料に対する規格
・融点-47℃以下、引火点38℃以上
・芳香族成分含量: 8%以上

直鎖飽和炭化水素

・10-50%留出温度差が15℃以上
10-90%留出温度差が40℃以上
石油系ジェット燃料の炭素数分布

分岐鎖飽和炭化水素

融点が十分低く、融点の規格を満たすには必須

石油系ジェット燃料の平均的組成（引用）Dr. Timothy Edwards

25

燃料中の割合(%)

環状飽和炭化水素

C10～C13がメインの炭素数分布

2015105078

9 10 11 12 13 14 15 16

成分の炭素数
Jaroslaw Sarnecki. Jet Fuels Diversity.
Journal of KONES 21:433-438. 2014.

11

100%グリーンジェット燃料導入を目指して
100%
green
jet fuel

Non-food biomass

Microbial
fermentation

ジェット燃料
分岐鎖飽和 & 環状飽和炭化水素化合物
芳香族化合物

Hydrodeoxygenation

100%混合Wood chips
Microbial
fermentati
on

ATJ法

Alcohol-to-jetprocess

CornOH

Catalytic
dehydration

イソブタノール

Oligomerization,hydrogenation

イソブチレンVarious linear,branched
paraffins etc.
(C8-C16 compounds)

Paraffins

50%混合
Cyclic paraffins

Oilseed cropHEFA法

Hydroprocessed
esters andfatty acids

Extract fats
and oils

OHO

Linoleic acid (脂肪酸)

http://biodiesel-news.com/

Algae

http://www.treehugger.com/

Isomerization,
cracking,
fractionation

50%混合Octadecane (鎖状炭化水素)

Municipal
solid waste
Gasification

FT法

Fischer-Tropschconversion

Wood waste

Aromatics

CO + H2
合成ガス

Fischer-Tropsch conversion

Olefins

50%混合

参考資料: http://cen.acs.org/articles/94/i37/boarding-Commercial-planes-take-flight.html

12

本製造技術の概要
革新的微生物生産法による低コストグリーンジェット燃料製造技術

様々なバイオマスを利用可能

簡易な設備・工程
糖だけでなく、これまで液体燃料の製造に利用されてこなかった蛋白質からもジェット燃料生産

化学重合など複雑な変換工程が不要

バイオプロセスによるジェット燃料サイズの分岐鎖・環状前駆体の直接生産全てパラフィン成分にすることも可能

O

原料
可溶
化

糖類
蛋白質

革新的微生物菌体触媒

前駆体の回収

OOなど

ジェット燃料前駆体

農業残渣
食品残渣
余剰汚泥

O

水素
化
脱酸素

グリーンジェット燃料
芳香族化合物
シクロパラフィン
イソパラフィン

13

本グリーンジェット燃料製造技術の優位性
 稲わらなどの農業残渣だけでなく、食品残渣や余剰汚泥など、あらゆる非可食バイオマスを原料とできるため、潜在的生産能力が極めて高い。

 簡易な設備と工程によって低コスト製造が可能。設備の小規模化と分散設置が可能。

http://www.treehugger.com/

製造法

石油系
ジェット燃料

ガス化
FT法

油脂変換法

(藻類の場合)アルコール
重合法

C15テルペン
発酵生産法

RITE技術C9～C14飽和炭化水素
芳香族化合物

飽和炭化水素のみ

飽和炭化水素のみ

C12飽和炭化水素のみ

C15飽和炭化水素のみ

（50%）

（50%）

（30%）

（10%）

（100%）

原料

制限なし

脂質のみ

糖分のみ

糖分のみ

糖分と蛋白質(脂質も回収利用)

設備

設備費が高い大規模な培養槽が必要

小規模で簡易な設備

小規模で簡易な設備

小規模で簡易な設備

含有する成分
石油系燃料との混合比率上限

飽和炭化水素
芳香族化合物＊国内線には航空機燃料税が26円／L (2017年3月31日までは18円／L) 課税される。

14

社会へのインパクト
CO2排出削減効果

7億トン以上 (2050年)
2050年の航空機からの排出量が18億トン以上 (ICAO予測)、普及率50%と仮定

経済効果

2050年までに開拓する世界市場は30兆円以上
グリーンジェット燃料の予想販売価格106円／L(米国 EIA Annual Energy Outlook 2014 による2030年の予想価格)、
2050年における普及率50%と仮定
15

グリーン化学品生産技術の開発

16

国内CO2排出量の内訳
廃棄物

エネルギー転換部門

2%(0.3億トン)
工業プロセス

4%(0.5億トン)

産業部門

2015年

家庭部門

日本の部門別34%
15% 二酸化炭素排出量 (4.1億トン)(1.8億トン)の割合
間接排出量
約12億2500万トン
業務
その他部門

22%

(2.6億トン)

産業部門

6%(0.8億トン)

運輸部門

17%

・鉄鋼･非鉄･金属製品製造業
・化学工業 (含石油石炭製品)
・窯業･土石製品製造業
・パルプ･紙･紙加工品製造業
・食品飲料製造業
・繊維工業
・機械製造業・プラスチック･ゴム・他製造業
運輸部門

・自動車燃料・航空機燃料(2.1億トン)

出典: 温室効果ガスインベントリオフィス (2015年度) 2017年4月発表
間接排出量: 発電のときに排出されるCO2を各部門で配分する方法

バイオリファイナリーで削減可能
17

増殖阻害物質の生産技術確立への挑戦
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

生成物による増殖阻害のため低生産性 (生成速度の低下、最終生成物濃度の低下等)

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。

18

芳香族化合物を狙うのはターゲットは高価値な芳香族化合物

アミノ酸
医薬品
食品添加物

高価格

脂肪族
競合多バイオ燃料
有機酸

医薬品
香料
エンプラ
芳香族
競合少

低価格

溶剤
汎用化成品

芳香族化合物: ベンゼン環に代表される、環状不飽和構造を持った化合物の総称

19

芳香族化合物の用途
1. ポリマー原料・プラスチック原料（フェノール樹脂、ポリカーボネート樹脂、エポキシ樹脂等）
・液晶原料
・合成繊維原料（ポリエステル、ナイロン）
・合成ゴム原料（スチレンゴム等）

2. 医薬、化粧品、香料、農薬の原料

・医薬品（タミフル中間体、生理活性物質、ビタミン剤、神経作用薬等）
・化粧品（色材、香水、浸潤剤、防腐剤、殺菌剤等）
・香料（合成香料、オレンジ油、ローズ油、バニラ等）
・農薬（殺虫剤、除草剤、光合成阻害剤、パラコート等）

3. 工業薬品原料・合成洗剤原料（アルキルフェノール、アルキルベンゼン）
・塗料原料、染料、写真現像薬原料
・重合防止剤、可塑剤、紫外線吸収剤

20

市場分類
エンプラ
・家電製品の部品や車載部品等の機構部分に多用

医薬原料
香料・化粧品・高付加価値、高価格・市場拡大傾向

・高付加価値・ニッチだが、手堅い

21

プロトカテク酸 (PCA)・Protocatechuic acid (PCA)(3,4-ジヒドロキシ安息香酸)
・芳香族化合物異化代謝経路の中間体
・ベンゼン環、水酸基、カルボキシル基

用 途■ 各種医薬品原料■ 香料 (バニリン) 原料■ ポリマー原料■ 食品用抗酸化剤 ■ 農薬、抗菌薬■ 防錆剤■ 染毛剤 ■ カテコール製造原料 ■ 飼料添加物
22

PCAの製造法
従来法 … 植物天然資源からの抽出・精製・低い生産性・高コスト
丹参 (たんじん: Salvia miltiorrhiza(シソ科植物))
他を原料とする

PCA

バイオ法 … バイオマス由来糖類を原料として高効率バイオ変換
バイオ変換プロセス

糖類
グルコース

非可食バイオマス

キシロース
アラビノースバイオプロセスにより安価なバイオマスから高付加価値化学品を高効率・大量生産

PCA23

スマートセルインダストリー (経産省)24
http://www8.cao.go.jp/cstp/tyousakai/juyoukadai/nourin/5kai/siryo3.pdf

バイオテクノロジーの技術革新

25
出典: http://www8.cao.go.jp/cstp/tyousakai/juyoukadai/nourin/5kai/siryo3.pdf

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

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

発見 (discover)

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

解析 (analysis)

設計 (Design)

学習 (Learn)
人工知能（AI）
機械学習等

試験 (test)

構築 (Built)

DBTLサイクル

設計 (design)
組換え (built)

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

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

26

スマートセルインダストリーが拓く世界27
出典: http://www8.cao.go.jp/cstp/tyousakai/juyoukadai/nourin/5kai/siryo3.pdf

NEDO新規プロジェクト【目的】 コリネ菌の高度代謝モデルの構築と芳香族化合物生産による検証
200000200000150000RITE保有菌の活用

20000015000010000020000015000010000050000
15000010000050000
0100000
0 5000000 5000000

全代謝物データ取得・解析

51051510520
1510201520005101520

代謝モデルの修正、改良
全代謝物データ取得・解析

コリネ菌
代謝モデルの高度化

代謝経路の最適化
結果のフィードバック…

生産性評価
生産菌の育種改良

RITE保有技術の活用

芳香族化合物高生産菌、代謝経路の最適化・育種
28スマートセルが変える産業の未来①化学産業プロセスからの転換（製造プロセスの抜本改革）

商業生産の実例
コハク酸の生産
バイオコハク酸・DSM/Roquette、Myriant、BASF/Purac、Bioamber/三井物産

香料の生産
Evolva 社 、 ロ レ ア ル社と共同で、スマセルによる化粧品成分の生産技術開発を実施 (2015)

ファルネセンの生産②バイオ燃料（バイオ技術による化石燃料代替製品生産）

Amyris社はファルネセン (化粧品や潤滑油の原料、ジェット燃料の原料) の高生産微生物(スマートセル)を作製。
2013年からブラジルで生産開始。

バイオエタノールの生産
バイオ技術による商業的エタノール生産のプラント建設
・DSM社とPOET社と共同(2014 年、2000万ガロン/年)29
出典: http://www8.cao.go.jp/cstp/tyousakai/juyoukadai/nourin/5kai/siryo3.pdf

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

スマートセル技術の導入による更なる生産性向上「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

増殖阻害物質発酵阻害物質耐性

非可食バイオマス

前処理
糖化

混合糖(C6,C5糖)・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

30

まとめ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■100%グリーンジェット燃料
2030年 実用化目標

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

31

Host vector system

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教育連携研究室
微生物分子機能学 (乾研究室)

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