特集

カーボンニュートラルを目指す化学産業の挑戦～革新的化学技術～

植物油製造過程で発生する未利用バイオマス資源の有効活用に向けた取り組み
加藤

１．はじめに牧子＊），中林暁男＊ 2），高橋

以都子＊ 3）

サーキュラーエコノミーとは，モノを大量に生産し，使い，あとは捨てるのみという直線型社会から，2021 年 10 月から 11 月にイギリス・グラスゴー

モノをできる限り捨てず，捨てられたモノはできるで開催された COP26 では，産業革命前から気温上だけ資源として使っていく循環型社会の実現を目指

昇幅を 1.5℃に抑えることが世界の公式な目標としす取り組みである。産業界は，歩留まりや工程の改て合意された。この目標は気候変動に伴う豪雨や強善を通して，製造過程で発生する副産物の抑制と有風，干ばつ等による被害が世界中で顕著になってい

効活用に努めているものの，廃棄せざるをえない副ることを踏まえ，2015 年パリ協定の 2℃目標からさ産物も存在する。サーキュラーエコノミーの考え方

らに踏み込んだものとなっており，気候変動への対において，従来の焼却・熱利用といった廃棄物処理

応の加速が求められている。COP26 での合意を受やリサイクルを超えて，素材選択や製造の在り方，

け，各国で 2050 年までのカーボンニュートラル実

消費の様式など，製品・サービスのライフサイクル

現に向けて，産業界において再生可能エネルギーの全体で循環の思考を取り入れようとする活動が検討

導入や電化の加速など大きな社会変革が求められてされており，炭素負荷を下げる効果のあるカーボンいる。これらカーボンニュートラルの実現と併せニュートラル型の取り組みが求められている。

て，EU などを中心に強力に推し進められているのこのようなカーボンニュートラル型のサーキュが「サーキュラーエコノミー（循環型経済）社会へ

ラーエコノミーの実現に向けて，ファイトケミカルの移行」である。

プロダクツ株式会社（以下，ファイトケミカルプロダクツ）と横河電機株式会社・横河ソリューショ＊）

KATO Makiko： フ ァ イ ト ケ ミ カ ル プ ロ ダ ク ツ（ 株 ）代表取締役〒 980-0845
宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 6-6-40
TEL：022-226-8818
FAX：022-226-8818
E-mail：kato.makiko@phytochem-products.co.jp＊ 2）

NAKABAYASHI Akio：横河電機（株）マーケティン
グ本部イノベーションセンター 課長 博士（統計科学）〒 180-8750
東京都武蔵野市中町 2-9-32
TEL：0422-52-4472
FAX：0422-52-5928
E-mail：Akio.Nakabayashi@yokogawa.com＊ 3）

TAKAHASHI Itsuko：横河ソリューションサービス（株）
ビジネスマーケティング本部〒 180-8750
東京都武蔵野市中町 2-9-32
TEL：0422-52-5705
FAX：0422-52-6440
E-mail：Itsuko.Takahashi@yokogawa.com

2024 年 1 月号

ン サ ー ビ ス 株 式 会 社（ 以 下，YOKOGAWA） は，2023 年 7 月に共同開発契約を締結した。ファイト
ケミカルプロダクツは，植物油の製造工程で生じる
未利用のバイオマス資源から，スーパービタミン Eなどの機能性成分を回収すると同時に油分をバイオ燃料に変換する技術を保有している。この技術を商用プラントにスケールアップし，分離・回収プロセ
スを自動化する上で，YOKOGAWA が長年培ってきた計測・制御のノウハウが役立つ。
今回，両社の共同開発により，植物油精製工程で発生する未利用バイオマス資源を有効活用するプロセスを確立し，環境適合性と経済性を両立させる技
術の社会実装・普及を目指す。

２．共同開発に至った背景
YOKOGAWA は計測・制御・情報の技術を軸に，最先端の製品やソリューションを産業界に提供してきた。YOKOGAWA の主力事業である制御事業に
13

おいては，石油，ガス，化学，電力，鉄鋼，紙パル

収するには，通常，高温・高真空環境にする専用装プ，医薬品，食品などさまざまな業種にわたって製置を使い，手間をかけて処理する必要があるため，品やソリューションを提供しており，日本国内だ

その多くが廃棄され，利用が進んでいない。ファイ

けでなく海外においても YOKOGAWA 製品の確か

トケミカルプロダクツが保有するイオン交換樹脂法

な技術と品質が認められている。2017 年には，未は、既存の技術と比較して高温・高真空環境を必要

来世代のより豊かな人間社会のために，2050 年にとしない省エネルギーな手法であり、上記副産物か向けて，Net-zero emissions，Well-being，Circular

ら有用成分を効率良く抽出できる。

economy の実現を目指すサステナビリティ貢献宣本 共 同 開 発 で は， フ ァ イ ト ケ ミ カ ル プ ロ ダ ク

言を発表した（図 1）。長年，産業界の生産プロセ

ツのイオン樹脂交換法の技術の商用化に向けて，スで培ってきた，プロセスの状況を測る計測技術，

YOKOGAWA の計測・制御・情報技術を適用しな

さまざまな情報を共有し制御する技術を通して，生がら，商用スケールの生産プロセスの早期確立とさ産性向上，環境負荷の低減，エネルギー効率利用をらなる省エネルギーの実現を目指す。本稿では，カー実現する製品・ソリューションを提供し社会課題のボンニュートラル型のサーキュラーエコノミーを実解決に貢献していく方針で，サステナビリティ目標

現するプロセス確立に向けた取り組みを紹介する。

の実現に向け，変化に柔軟に対応できる適応力・回復力を強化し循環型社会に適した価値を創造していくことを宣言している。
ファイトケミカルプロダクツは，東北大学工学部
北川研究室発のスタートアップ企業である。基盤技

３．プロセス技術の紹介（ファイトケミカル
プロダクツ）
３-１．イオン交換樹脂法を用いた，未利用油からの機能性成分抽出技術開発の背景術であるイオン交換樹脂法を用いてさまざまなバイ

既存産業で大量に発生するものの，有効利用さ

オマス資源からバイオ燃料，日用品，食品，化粧品，れていない多くの未利用バイオマス資源がある。

医薬品の原料を生み出し，原料に応じたマルチ生産

SDGs やカーボンニュートラルの観点から，この未システムの普及を目指している。こめ油やパーム油，利用資源の有効活用技術が注目されているが，その菜種油，大豆油など植物油の製造過程で発生する副技術には経済性と環境適合性の両立が求められる。

産物には，抗酸化作用に優れたビタミン E などの

例えば植物油の製造では，植物原料の搾油で得られ有用な成分や，カーボンニュートラルに資するバイた粗油を精製する数々の工程（脱ガム，脱ロウ，脱オ燃料の原料が含まれているが，それらを分離・回

酸，脱色，脱臭）において，ガム質，ソープストッ
ク，脱臭スカムといった副産物が大量に発生する。これらの副産物には
多くの機能性成分が含まれており，それらを有効利用するための技術開発が古くから行われてきた。しかしながら，上記のような経済性と環境適合性の両方を満たす技術はほとん
どなく，多くの未利用資源が廃棄，焼却されているのが現状である。なお，植物油の製造工程で発生する副産物は国内で年間 33 万トン，国外
では 3,800 万トン 1) にもおよび，これらを有効利用できる技術の開発が急務である。
ファイトケミカルプロダクツでは，基盤技術であるイオン交換樹脂法を用い，未利用バイオマス資源か

図１14YOKOGAWA の Three goals

ら日用品，食品，化粧品，医薬品の原料，さらにはバイオ燃料といった化 学 装 置

未利用バイオマス資源

革新的な基盤技術（第 17 回 GSC 文部科学大臣賞）（化学工学会賞研究賞）

燃料 ( 車，発電 )

イオン交換樹脂法

日用品

・潜熱蓄熱材・界面活性剤

図２

化粧品

食品

・機能性素材・界面活性剤・機能性素材・乳化剤 , 抗菌剤

医薬品・薬用エステル・外用剤

未利用バイオマス資源を活用したマルチ生産システムの普及技術である。

多種多様な産業分野の製品を生み出すマルチ生産シ
ステムの普及を目指している（図 2）。

ファイトケミカルプロダクツにおける，イオン交ファイトケミカルプロダクツは日本の基幹作物で換樹脂法を用いた未利用油からのビタミン E 類のある米のぬか（糠）から，食用こめ油を製造する工回収プロセスの概略図を図 3 に示す。未利用油の程で副生する未利用油に着目した。この油にはトコ

主成分は油脂およびその分解生成物である遊離脂肪

フェロール（ビタミン E）ならびにトコトリエノー酸であり，その中に微量のビタミン E 類が溶解しル（スーパービタミン E）の他，パラフィン，植物ている。未利用油をエタノールと混合し，陽イオン

ステロール，スクワレンといった機能性成分が含ま交換樹脂を通すと，イオン交換樹脂が触媒として働れている。現在，これらはそれぞれ大豆，パーム，

き，脂肪酸が脂肪酸エステルに変換される。この反石油，鮫といった別々の原料から異なるプロセスで

応は 50℃，大気圧下の温和な条件で進行し，エス

生産され，高い価値を持って流通している。特に，テル変換効率は 95% である。また，油中に含まれスーパービタミン E はパーム油やこめ油にしか含る不純物も樹脂によって吸着除去される。陽イオン

まれていない稀少な成分である。ファイトケミカル

交換樹脂を通過した油は，次に陰イオン交換樹脂を

プロダクツではこれらの成分全てを米ぬか由
来の未利用油から抽出することにより，未利50℃大気圧下用バイオマスに価値を付与し，廃棄物を削減

脂肪酸エステル

して持続可能な社会への貢献を目指す。
３-２．省エネルギーかつ石油原料の代替を実現するプロセス技術
東北大学で開発された「イオン交換樹脂法」
では，通常水溶液系で用いられているイオン

pump
未利用油

陽イオン
交換樹脂
（触媒）

・遊離脂肪酸・油脂・ビタミン E 類

陰イオン
交換樹脂
（触媒）（吸着剤）

交換樹脂を，油系におけるエステル合成反応pumpの触媒ならびに機能性成分の吸着剤として利用する。食用油の製造工程で多量に副生する
未利用油を原料とし，イオン交換樹脂の入ったカラムを通過させるだけの簡便な操作で，油中のビタミン E 類を分離回収すると同時に油分をバイオ燃料に変換できる，画期的な2024 年 1 月号

グリセリン
ビタミン E 類

エタノール
樹脂再生

図３

ファイトケミカルプロダクツの基盤技術「イオン交換樹脂法」の概念図15

ルは，通常のビタミン E であるトコフェロールの

既存産業：米油製造企業
米ぬか

50 倍の抗酸化活性を示す。さらに，肌状態の改善，

米サラダ油

動脈硬化の予防，神経保護作用，脳卒中の予防と改こめスーパービタミン E
Phytochem
Products inc.

未利用油

イオン交換
樹脂法

（食品・化粧品）こめビタミン E（発電用燃料）

イトケミカルプロダクツでは，米ぬか由来のスー

こめパラフィン

パービタミン E ならびにビタミン E を，食品や化

こめステロール（食品・化粧品）未利用油を原料とした、米ぬか由来機能性成分のマルチ生産プロセスの実現

通り，ここでビタミン E 類が陰イオン交換樹脂に選択的に吸着すると同時に，油脂がエステル化される。樹脂に吸着したビタミン E 類は，樹脂を再活性化させる際に高純度かつ高収率で回収することができる。
ファイトケミカルプロダクツでは，この技術を実証するためのベンチプラントを 2020 年 7 月から稼働させている。
米ぬか由来の未利用油を原料として，
これまでにスーパービタミン E，ビタミン E，パラ
フィン，植物ステロール，バイオ燃料の回収と製品化を達成した（図 4）。
スーパービタミン E と呼ばれるトコトリエノー

従来法 樹脂法

16

粧品の原料，研究用試薬として提供している。また，スーパービタミン E を日常の食事で摂取することは困難であることから，一般向けのサプリメントも

図４

図５の美容・健康に関する効果が報告されている。ファ（食品・化粧品）（化粧品）

脂肪酸エステル

善，毛髪量の増加など，ビタミン E にはない多く製造販売している。
米ぬか由来のパラフィンを製造したのはファイト
ケミカルプロダクツが世界でも初めてであり，従来の石油由来品に代わる利用が期待されている。この
植物由来のパラフィンは，特に化粧品会社から強く関心を持たれている。植物ステロールは古くからLDL コレステロールを下げる効果を持つことが知られており，トクホやサプリメントの成分として利用されている。また，乳化安定化やエモリエント効
果を持つコレステロールの代替品として，化粧品に配合することもできる。
上記の機能性成分を回収した後の残りの油分（脂肪酸エステル）は，発電のためのバイオ燃料として宮城県内の企業に提供している。このように，ファイトケミカルプロダクツのプロセスでは未利用油を従来法 樹脂法

従来法とイオン交換樹脂法によるビタミン E 製造プロセスフローの比較

化 学 装 置

余すところなく活用することができる。

また，調理などで使用され，廃棄された食用油（廃３-３．本技術の優位性，提供価値食油）についても，本技術を用いてバイオ燃料に変本技術の特長は，未利用油から高価値な機能性成

換することができる。原料油の成分組成や本技術の分を高効率に回収すると同時に，残った油も全てバ導入目的に応じて，イオン交換樹脂の種類や量を調イオ燃料に変換することで，これまで廃棄されてき整した自在な設備設計が可能であるため，本技術のたバイオマス資源の完全利用を達成できる点にあエンジニアリング・ライセンス事業も開始している。

る。未利用油からビタミン E を回収する際に要す*1)

るエネルギーと溶媒の量を，従来法と本技術（イオン交換樹脂法）とで比較したものを，図 5 に示す。

混合物を構成する成分に分けた，それぞれの成分のこと。

４．商用化における課題

従来法では，原料の油に劇物であるメタノールを今回の共同開発において，両社は，ファイトケミ

加え，硫酸触媒を用いて 100℃でエステル化反応を

カルプロダクツが所有するベンチプラントで実証実行う。これは，次の分子蒸留で脂肪酸とビタミン E

験を行いながら，商用プラントの建設，事業化を目を分離しやすくするための前処理である。その後，指す。

高真空下で 200℃以上の熱をかけて多段の分子蒸留事業化の実現のためには，バイオマス資源を余すを行い，植物ステロール等を分離・除去してビタミことなくアップサイクルし収率を向上させること，

ン E の粗画分 *1) を得る。この粗画分にはまだ脂肪生成物の品質を安定させること，エネルギー利用を酸が残っているため，さらにトルエンを用いたクロ

最小限に抑えながら，商用ベースにスケールアップ

マト分離を行い，最終的なビタミン E を得る。

していくことが必須である。ファイトケミカルプロ

これに対し，本技術では原料油を食品用のエタ

ダクツのイオン交換樹脂法の技術は，従来法と比較

ノールと混合して，大気圧下で 50℃に保たれたイ

しエネルギー消費量と溶媒使用量の大幅削減を実現

オン交換樹脂カラムに通過させるだけでビタミン Eするものであるが，商業用にスケールアップする過を脂肪酸や他の不純物から分離することができるた

程においてはさまざまな課題に直面する。これはめ，エネルギー消費量を 95%，溶媒使用量を 65%

ファイトケミカルプロダクツのプロセスに限らず，削減することが可能になる。また，ビタミン E の

化学プロセス共通の普遍的な課題ともいえる。

熱分解も抑制されるため，従来法を用いた場合に比４-１．商用化における普遍的な課題

べ収率が 2 倍以上，生産性も 20 倍以上増加する。

商用化における普遍的な課題として，以下のよう

さらに，従来法で用いられてきたようなメタノール，にことが挙げられる。

トルエンのような劇物は使用しないため，安全性も高い。
本技術の利点を以下にまとめる。

（1）ラボやベンチスケールにおける人の経験や勘コツによる判断が残ってしまう。
（2）プロセスの状態をリアルタイムに把握できず安（1）原料が未利用油であるため，食と競合しない。
（現在市場に流通しているスーパービタミン E
は，食用のパームを原料としている）（2）エネルギー消費量と溶媒消費量を大幅に削減しつつ，収率の向上を達成（3）劇物や毒性のある溶媒を使用しない（4）機能性成分を回収した後の廃棄物がほとんど出ない

定して処理量を増やすことができない。
（3）季節変動や原産地による原料のばらつき，設備の状態，オペレーターのスキルレベルにより，プロセスの制御方法が変動する。
（4）人手不足や人件費の高騰によりオペレーション
コストの削減が求められる。
（5）稼働状況や生産量に合わせたエネルギー使用量がわからない。

これにより，スーパービタミン E のような稀少商用化においてこれらの課題を解決しつつ，生成成分を従来の価格より安価に提供することが可能と物の品質を担保しなければならない。まずベンチプなった。本技術は，こめ油に限らずあらゆる植物油

ラントで生じている現象を正しく理解，コントローの製造工程で副生する未利用油（脂肪酸油やスカム

ルし，それを商用プラントにおいても再現性をもっ油）に対して適用可能な技術であり，パーム，菜種，て実装することが必須となる。ベンチスケールにお大豆，ヒマワリなど多くの植物で研究実績がある。

いてはプロセス技術に精通した研究者や技術者がオ

2024 年 1 月号

17

ペレーションに立ち合い，原料のばらつきやプロセ

環境面においても十分に最適化されたプロセスを構

スの状態を経験から把握し，制御方法を判断するこ

築し，展開していくことで，カーボンニュートラル

とがあるが，当然のことながら商用プラントではこ型のサーキュラーエコノミー実現に貢献していく。

のようなオペレーションは現実的ではなく，ラボや
ベンチプラントでの経験や知見を運転方法や制御方法に落とし込んでいく必要がある。

上記のような課題を解決しつつ，プロセスの自動 化・ 最 適 化 の 確 立 の た め の 技 術 検 証 を 行 っ て

生成物の状態とエネルギーコストを考慮し，最適

い く。 フ ァ イ ト ケ ミ カ ル プ ロ ダ ク ツ で は， 自 社

なタイミングで運転を変えたり，終点を判断したりプラントの分離・回収工程の生産性向上を検討。

する制御方法も求められる。生成物の品質，収率，YOKOGAWA はファイトケミカルプロダクツがも人件費やエネルギーコストのトレードオフを考慮しつ，分離・回収工程における計測データに関する知ながら，自動化・最適化を前提としたオペレーショ

見を参考にしながら，生成物のリアルタイムの成分

ンコストの低い運転方式・制御方式の開発が必須で，分析・推定，計測手段の検討を行い，モデリング技

パイロットフェーズにおいてプロセスを確立させる術も応用し，未利用油の分離・回収工程の自動化とことが，早期の商用プラント建設を実現する。

プロセスの最適化を目指す。

４-２．カーボンニュートラル型サーキュラーエ
コノミー実現に向けた挑戦
ファイトケミカルプロダクツのプロセス技術で５．YOKOGAWA の自動化・最適化に資する技術

は，植物油の製造工程で発生する副生物を活用する。

前述のとおり，未利用資源は基本的に価値密度がバイオマス資源は原料の季節変動や原産地によるば

低いからこそ加工されず廃棄されることが多く，そらつきが特に大きい。先にも述べた通り，既に商用の二次加工においては今まで以上にプロセスの効率化されている抽出技術では，分離・回収するには高が求められることは明らかである。そのような状況

温・高真空環境にする専用装置を使い，手間をかけにおいて，多くのヒューマンリソースを割くことはて処理する必要があるため，有用な成分が含まれる

コスト面からも難しく，可能な限り自律的なプラン

資源にもかかわらず，その多くが廃棄されている。

トとして商業展開していくことが望ましい。また，

これらの副生物を廃棄せずに活用させるには，従来

循環型社会の実現を見据え，プロセスそのものも高技術以上のプロセスの効率向上，オペレーションコ

度に効率化され，かつ環境面においてのコストもストの低減が求められる。コスト経済面はもとより，十二分に最適化されている必要がある。
これらは，もちろん製造業全般における普遍的な課題でもあり，YOKOGAWA は特に，計測・制御・情報という観点からその解決に貢献してきた。本稿では，プロセスの状況を測る計測技術，さまざまな情報を共有し制御する技術，自律化・最適化といった観点に大きく寄与する技術の 3 つの技術，「近赤外分光分析計によるリアルタイム成分計測」，「物理シミュレーションによるデジタルツイン」，そして，「デジタルツインを用いたプラントの自律制御」について紹介する。
５-１．近赤外分光分析計によるリアルタイム成分計測
化学プロセスの開発，製造の現場において組成分析値を得るために，サンプリングされた試料をガス
クロマトグラフや高速液体クロマトグラフによって，ラボ分析することは一般的である。このアプロー

写真１

YOKOGAWA 製 フーリエ変換近赤外分光
分析計 NR800

18

チは，組成分析値を高精度で定量できるが，その反面，サンプル採取に要する手間に加え，分析時間が数分から 1 時間程度かかるため，各種装置における化 学 装 置

組成変化のダイナミクスを知ることは難しい。一方て現実の状態をリアルに把握することを指す。そしで，プロセス設計やオペレーションの最適化に向け，て，より狭義には多数の計測情報を通してモデル化

生産プロセスやオペレーションの最適化を求める現され，デジタル空間上においてあたかもさまざまな場からは，リアルタイムな成分分析計測を求める声

試行が可能なソフトウェア，すなわちシミュレータ

は大きい。

を指す。プラントへの計測・制御・情報システムのYOKOGAWA で は そ の よ う な ニ ー ズ に 応 え，提供を主な事業としてきた YOKOGAWA では，一1995 年に国産としては初となったフーリエ変換近連の言葉が世を賑わす以前から，このようなシミュ

赤外分光分析計 NR500 を上市，その後，2001 年にレータの提供が生産のコアになると確信し，その研

長波長領域の測定を実現した NR800 を後継機とし究開発の取り組みを継続してきた。

て上市した（写真 1）。NR800 は近赤外領域（概ねその代表的な事例が「ミラープラント」である。

900nm-2500nm）の吸収スペクトルを計測するハーミラープラントは，物理モデルと多数のセンサデー

ドウエアを備え，ケモメトリクス（多変量解析）に

タ・分析計のデータとを，データ同化技術 2) を通しより作成した検量モデルをインストールすることて現実と整合化し，一般的には実運用では利用するで，インラインもしくはオンラインの形で目的化合ことが難しいとされていたプラントシミュレータに物の定量を行うことができる。近赤外領域は C-H

よる現実に即したシミュレーションを可能にする技

結合 , N-H 結合 , O-H 結合などに吸収を持つため，術である。ここで，物理モデルとは化学工学的な原多くの有機物がその分析のスコープに含まれる。ま則，すなわち物質収支やエネルギー収支に，計測系・

た，防塵・防滴・防爆仕様などにも対応しているこ

制御系・装置系の機構モデルを組み入れた微分方程とから，現在，石油・石油化学業種をはじめ，半導式系を指す。その実際の計算エンジンとしては，横体 / 液晶パネル・鉄鋼・医薬品，そして食品加工と河電機と三井化学の合弁会社であるオメガシミュ

製造業に広く利用いただいている。

レーション社によって開発された汎用のプラントダプロセス開発やオペレーション現場において，製品や中間体の性状のリアルタイム分析が可能となる
意義は大きい。例えば，リアルタイムな成分変化点

イナミックシミュレータ「Visual Modeler」を利用している。
デジタル空間内においてさまざまな試行や検証がを見出すことで，収率や経済・環境
コスト効率を最大化する運転レシピの設計への応用が可能となる。また，熟練の技術を要する温度・流量・圧力などの代替変数からの性状変化の見極めを装置化することは，プラントオペレーションの高度な自律化を可能にすることにもつながる。
５-２．物理シミュレーションによるデジタルツイン
前述のリアルタイム分析計をはじめ，近年，IoT 技術の進展によりプラントでは非常に多く計測器が利用されている。多数の計測器からシステムに上がる測定値群はビッグデータ化され，サイバーフィジカ
ル シ ス テ ム（CPS: Cyber Physical
System）としてそのスマート化が進展している。そのサイバー空間側の，現実のシステムがデジタル化されたものをデジタルツインと呼び，広義には多数の計測情報を通し2024 年 1 月号

図６

YOKOGAWA のミラープラント

19

可能な物理シミュレーションに基づくデジタルツ

はプラント内部状態に対する観測系を規定するモデインが存在することの意義は，甚だ大きい（図 6）。

ル式であり，その結果として得られる yt が測定値

反応器や蒸留塔，吸着装置の内部分布の可視化や，ということになる。なお，ut については一般化されプラント全体の挙動の近未来予測，そして通常の条

たプラントに対する操作端であり，バルブ開度など

件とは異なる What-if 分析（もしこのように動かしプラントに対する直接的な操作量とする場合もある

たらどうなるのか？）によるケーススタディなど，が，制御システムをモデル側に内包し，制御コント

デジタルツインはプラントの挙動を理解し，より高ローラへの設定値とする場合もある。このモデル式

度なオペレーションに向けた最適化や自律的な運用に対して，プラントの初期状態 x0 と操作量系列 {u1 ,方法を確立していくための重要なツールとなるので⋯, uT } が与えられる限りにおいて，プラントの挙ある。

動およびその計測値の予測は可能となる（図 7）。

５-３．デジタルツインを用いたプラントの自律制御

この基本的なシミュレーション式の上に，EMPCは，たとえば以下のように，最適化問題として定式

最後に，デジタルツインから実際のプラント制御へのアプローチについて述べる。デジタルツインそのものは，現実の鏡像に過ぎず，その鏡像をプロセス開発や生産現場におけるアクション・意思決定につなげて初めて付加価値が生じるものである。
その一つの例として，Economic Model Predictive
Control3)（EMPC, 経済性を考慮したモデル予測制

化される。
β1
・EF1 (xT1,⋯, xT2 , uT1,⋯, uT2 , yT1 ,⋯, yT2 )minuT ,⋯, uT σ1
1

2

+⋯+

βk
・EFk (xT1,⋯, xT2 , uT1,⋯, uT2 , yT1 ,⋯, yT2 )
σk

+⋯+

βK
・EFK (xT1,⋯, xT2 , uT1,⋯, uT2 , yT1 ,⋯, yT2 )σK御）について紹介する。
プラントに関して物理シミュレーションモデルを獲得するということは，例えば，次のような状態空間に表現された時間発展モデルを得るということである。

Subject to∑β = 1,
K

k

k=1

dxt
= f ( xt , ut ),dt
g ( xt , ut ) = 0,xL ≤ xt ≤ xH , uL ≤ ut ≤ uH , yL ≤ yt ≤ yH
ここで，EFk とは Economic function（経済性関数），すなわちプラントの挙動に関するコストを記

yt = h ( xt , ut )

述するものであり，通常は複数の指標が存在する。

ここで，xt は時刻 t におけるプラントの内部状態 ,例えば，目的品質に対する充足度，投入エネルギーut はプラントに入力される操作量 , f, g はそれぞれ量，排出 CO2 量などである。σk はそれぞれの指標

入力に基づく時間発展と，質量保存・エネルギー保の規格化のためのスケールであり，βk は複数の対存則等に基づく各内部状態変数間の制約を規定する

立しうる指標に対しての重み係数（利用者の指標にシミュレーションのための物理モデル式，そして h

対する選好）となる。これらの指標を，各変数の上下限制約のもとである離散化された時区間 [T1, T2 ]計測値の中で最小化するような操作量系列 {uT1,⋯, uT2 } を未来の挙動予測得るようにシミュレーションに対する逆問題解析として最適化を行うのが，EMPC である。
プラント制御の現場においては，フィードバック

反応器 出口温度制御理論に基づく PID 制御が一般的に利用されている。PID 制御は，陽にシミュレーションモデルを反応器 入口流量仮定しないという点で，現場で非常に利用しやすい
現在

図７

20

時間

シミュレーションによる未来予測の概念図

制御アルゴリズムである。しかし，基本的には被制
御量と制御量の 1 対 1 のループを扱い，かつ現時点での制御偏差（設定値と現在値の乖離）にしかフォー
カスしない局所的なアルゴリズムである。結果とし
化 学 装 置て，時間方向にわたっての制御の最適性や，ある工検証していくわけだが，その成果は，ファイトケミ

程単位での工程全体としての最適性を保証するため

カルプロダクツの自社製造事業への適用に留まらなには，システム全体の挙動や応答を熟知した熟練者い。将来構想として，ファイトケミカルプロダクツの知見が必要であった。熟練者の知見は，製造業ののマルチ生産システム技術に YOKOGAWA の自動成長を支えた大きな原動力ではあるものの，その化・最適化モデルを付加して，両社でライセンス・

喪失は現在深刻な問題となりつつある。EMPC は，

エンジニアリング事業を展開していく方針だ。原料

デジタルツインというプラントの計算可能な疑似環

組成や目的物に合わせた設備設計に加え，その設備

境において，熟練者の知見をコンピューティングに設計に応じた計測・制御技術をユーザーに提案してよる試行によって代替しようという試みでもある。

いきたい。

ただし，EMPC の難点としては，計算量の問題もこのライセンスを植物油の製造工程で排出されるある。シミュレーションの規模が比較的小さい場合

副生物の活用もしくは廃棄に課題感を持つ油脂メー

は，現状の計算リソースでも最適化手法の１つであカーや食品メーカーに導入いただければ，従来，廃る非線形計画法により，逆問題を解ききれるケース

棄費用をかけ処理していた副生物を低コストで資源はある。しかし，大規模スケールのプラントシミュ

化できるメリットがある。ファイトケミカルプロダ

レーションモデルは，内部状態の変数の数で言えば，

クツと YOKOGAWA は，ESG 投資の観点から廃棄

数千から数万に及ぶことも珍しくなく，非線形計画物の削減や利用に取り組まれているユーザーに対し法による解法は困難となる。

て，省エネルギーで収率が高いプロセス技術に加え

大 規 模 プ ラ ン ト に も 利 用 可 能 な 技 術 と し て，て，最適化されたプラント制御のパッケージを提供

YOKOGAWA はデジタルツイン上で強化学習をし，プラントの早期立ち上げと，原料のばらつきな行った AI を制御に供する方法を開発，提案もしてどの変動に耐えうる継続的なオペレーション改善にいる。強化学習は，AI が自律的にシミュレーショ

より，環境負荷，オペレーションコストの低いプロンによる学習を行い，行動方法を獲得していくため

セスを訴求し，カーボンニュートラル型のサーキュの方法論の 1 つであり，一般に有名な所では，ゲー

ラーエコノミーの実現に貢献していく。

ム AI や自動運転などにも応用されている。2022
年 3 月の横河電機のプレスリリースでは，現場へ

７．おわりにの適用に即した強化学習技術の１つである FKDPP

2023 年 7 月に両社の共同開発が開始したばかり（Factorial Kernel Dynamic Policy Programming）

である。協業の契機は，2022 年 12 月開催のスターを採用した制御 AI による 35 日間の化学プラント

ト ア ッ プ 企 業 と 大 企 業 の マ ッ チ ン グ イ ベ ントでの自律制御を実現したことを報告した 。さらには，

あったが，カーボンニュートラル・サーキュラー

翌 2023 年 3 月においては，多様な季節環境や，設エコノミー分野において新規事業を探索していた

備の定期修繕を経てのほぼ年単位での同制御 AI にYOKOGAWA と，植物油の製造工程で発生する未よる安定制御も可能であったことの報告も行ってい利用油から高機能素材を抽出する技術の社会実装を

4）

5）

る 。AI 技術は，今後，デジタルツインと現場の目指すファイトケミカルプロダクツの方向性が一致

橋渡しをするものとして一層の注目を集めていくもし，初回の商談から半年余りで共同開発契約を締結のと考えられ，YOKOGAWA でもその導入・活用した。今後はベンチプラントでの技術検討・実証をには注力していくものである。

経て，2026 年度には商用プラント向けにイオン交

６．共同開発の成果としての提供価値

換樹脂法のプロセスライセンスおよび計測技術，モデリング技術をお客様に提供していく計画である。

ここまで，ファイトケミカルプロダクツのプロセ

ファイトケミカルプロダクツと YOKOGAWA

ス技術と，YOKOGAWA の「近赤外分光分析計には，バイオマス資源の無駄をなくし，地球の限界点よるリアルタイム成分計測」，「物理シミュレーショ

（プラネタリーバウンダリー）の範囲内で暮らせる

ンによるデジタルツイン」，そして，「デジタルツイ

循環型社会の実現を目指し，協業を加速させていくンを用いたプラントの自律制御」を紹介した。両社所存である。

の技術を融合し，ファイトケミカルプロダクツのベンチプラントにおいて，リアルタイム計測の構築，
プロセスシミュレーションからの自動制御を構築・
2024 年 1 月号

〈参考文献〉
１）植物油の生産 https://www.oil.or.jp/kiso/seisan/21

seisan02_01.html から，ファイトケミカルプロダクツにて推測
２）尾又俊彰ほか，“化学プロセスへのミラープラント適用事例”，横河技報，Vol.62，No.2，2019３）竹中梓ほか，“プラント運転自動化を目指すモデル予測

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制御 EMPC”，横河技報，Vol.61，No.2，2018
４）https://www.yokogawa.co.jp/news/press-releases/
2022/2022-03-22-ja/
５）https://www.yokogawa.co.jp/news/press-releases/
2023/2023-03-30-ja/

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