3RF-1801
Environment Research and Technology Development Fund

環境研究総合推進費 終了研究成果報告書
3RF-1801 マイクロ波加熱を利用した未利用バイオマスの高速炭化システムの開発(ＪＰＭＥＥＲＦ２０１８３Ｒ０１)
平成３０年度～令和２年度
Development of Rapid Carbonization System of Biomass
Using Microwave Heating<研究代表機関>研究代表機関 東京工業大学○図表番号の付番方法について「Ⅰ．成果の概要」の図表番号は「０．通し番号」としております。なお、「Ⅱ．成果の詳細」にて使用した図表を転用する場合には、転用元と同じ番号を付番しております。
「Ⅱ．成果の詳細」の図表番号は「サブテーマ番号．通し番号」としております。なお、異なるサブテーマから図表を転用する場合は、転用元と同じ図表番号としております。

令和３年５月目次

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I．成果の概要

・・・・・・・ １

１．はじめに（研究背景等）
２．研究開発目的
３．研究目標４．研究開発内容
５．研究成果５－１．成果の概要
５－２．環境政策等への貢献
５－３．研究目標の達成状況
６．研究成果の発表状況
６－１．査読付き論文
６－２．知的財産権
６－３．その他発表件数
７．国際共同研究等の状況
８．研究者略歴
Ⅱ．成果の詳細
Ⅱ－１ マイクロ波加熱を利用した未利用バイオマスの高速炭化システムの開発

・・・・ １６（国立大学法人東京工業大学）
要旨
１．研究開発目的
２．研究目標３．研究開発内容
４．結果及び考察
５．研究目標の達成状況
６．引用文献
Ⅲ．研究成果の発表状況の詳細・・・・・・・・・ ３１

Ⅳ．英文Abstract

・・・・・・・・・ ３３

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I ．成果の概要
課題名

3RF-1801 マイクロ波加熱を利用した未利用バイオマスの高速炭化システムの開発

課題代表者名 椿俊太郎 （東京工業大学物質理工学院応用化学系助教）

重点課題

主：【重点課題⑪】バイオマス等の廃棄物からのエネルギー回収を推進する技術・システムの構築
副：【重点課題 】非該当

行政要請研究テーマ（行政ニーズ）非該当研究実施期間 平成３０年度～令和２年度
研究経費（千円）
実績額（前事業年度繰越分支出額含む）

契約額
平成３０年度

5400 千円

5400 千円

令和元年度

6000 千円

6000 千円

令和２年度

6000 千円

6000 千円

合 計額

1 7 400 千円

1 7 400 千円

本研究のキーワード バイオマス、マイクロ波、急速熱分解、炭素材料、半導体発振器、空洞共振器
研究体制（サブテーマ１）マイクロ波加熱を利用した未利用バイオマスの高速炭化システムの開発（東京工業大学）
他のサブテーマはない。
研究協力機関研究協力機関はない。

１ ．はじめに（研究背景等）
林地残材や農業残滓などのリグノセルロースや、食品廃棄物といった地域の未利用バイオマス資源は、バイオマス発電燃料や機能性材料として利用の促進が期待される。例えばヤシガラなどのバイオマスに由来する炭素材料（バイオマスチャー）はすでに活性炭として広く利用されているが、燃料電池の電極材料や触媒として利用可能な黒煙やグラフェンといった高機能炭素材料化を図ることにより、バイオマスの新たな利用方法を開拓することができる。
近年、太陽光や風力発電の普及に伴い、変動が大きく貯蔵が困難な再生可能エネルギー電力を化学品として変換する産業プロセスが期待される。持続可能な開発目標（SDGs）においても、クリーンなエネルギーの利用の推進が目標に掲げられている。マイクロ波加熱は変動の大きな電力に合わせて瞬時に駆動して被加熱物質を目的温度に急速加熱することで、オンデマンドでの物質生産が可能とな
13RF-1801る。バイオマスチャーはバイオマスの熱分解反応により生成するが、含水量が高く熱伝導性の悪いバイオマス資源を500-700℃の高温で反応するため、エネルギー効率が極めて低い。そのため、従来の急速熱分解法では、バイオマスの微粉末化や十分な乾燥などのエネルギー消費量の大きな前処理が必要であった（図０．１、外部加熱）。マイクロ波加熱を用いることにより、バイオマス内部から直接加熱し、低温・短時間・省電力でバイオマスチャーの製造が可能となる。既存のマイクロ波を用いたバイオマスの熱分解反応では、反応低温化や配管内部のタール閉塞の防止などの利点が報告されており、中国などではマグネトロン式の高出力マイクロ波装置を用いた活性炭製造などが行われている。
一方、従来のマイクロ波装置では、マグネトロン電源が大きく重いことや、電界強度が低い、消費電力が大きい、マグネトロン電源の寿命が短いなどの課題があった。さらに、バイオマスのマイクロ波吸収性が低いため、活性炭などのマイクロ波吸収性材料を加える必要がある。この場合、マイクロ波吸収材からバイオマスへの伝熱により加熱されるため、依然として昇温速度は十分に速いとは言えない（図０．１、マイクロ波（従来法））。
これまでの化学反応用のマイクロ波装置は発生装置としてマグネトロンを使用してきたが、近年、パワーデバイス技術の向上により半導体型発振器が利用可能となってきた。半導体発振器を用いて高精度空洞共振器に電磁波照射した場合、照射したエネルギーが高効率で被加熱物質に伝搬され、強電界を印加することが可能である。これらの半導体発振器を用いた精密な電磁波制御工学技術を取り入れることで、マイクロ波の強電界をバイオマスに与え、バイオマスの直接加熱による「超」急速な熱分解による炭素化が達成されると期待される（図０．１、マイクロ波（半導体））。バイオマスの直接加熱を促すことで、律速となる熱媒体からの熱伝導を回避するとともに、反応場となるバイオマスは高温に維持しつつも、周囲のキャビティは室温に保つことができる。半導体発振器を搭載することで、小型で可動式のマイクロ波装置とすることが可能であり、効率的にマイクロ波エネルギーを供給することで、消費電力も抑えることができる。また、高速な加熱（高速起動）と、マイクロ波の停止による急速な冷却が可能であり、電力の変動に合わせた運転が可能である。たとえば、再生可能エネルギー由来の電力をもとに駆動し、貯蔵が困難な電力をもとにして、未利用のバイオマス資源から貯蔵可能な有用炭素化合物を迅速かつ省エネルギーで製造することができると期待される。

図０．１, 既往の外部加熱やマイクロ波によるバイオマスの急速熱分解と、本課題での半導体発振器を用いた新手法との比較。
2

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２ ．研究開発目的
本研究では、半導体マイクロ波発振器と強電界集中型のシングルモード空洞共振器を用い、省電力で 小型マイクロ波炭化炉を開発することを目的とした。 半導体マイクロ波発振器と、強電界を試料に集中することができるシングルモード（TM 010モード）共振器を用いた炭化炉を開発し、高速かつ小型・可搬型の未利用バイオマスの炭化プロセスを確立する。得られたバイオマスチャーは地域分散型バイオマス発電における固体燃料として供給する。本技術によって、地域で発生する種々のバイオマス資源の有効利用の促進に貢献する（図０．２）。

図０．２, 本研究課題の開発目的をまとめた概要
３ ．研究目標
全体目標

半導体マイクロ波発振器とシングルモード共振器を用いた炭化炉を開発し、高速かつ小型・可搬型の未利用バイオマスの炭化プロセスを確立する。

サブテーマ１
サブテーマリーダー/所属機関
目標

マイクロ波加熱を利用した未利用バイオマスの高速炭化システムの開発
椿俊太郎／東京工業大学

炭化プロセスのフローシステム化によって、半導体マイクロ波炭化炉を用いた炭化処理効率の向上を図る。共振器内に設置した石英反応管に流通ガスを導入し、連続的にバイオマスを共振器内に導入し、炭化物を生成する。続いて、フローシステムで生成した炭化物の特性を評価する。最終的に、H30-R2で実施した項目を最適化し、省電力のマイクロ波で、バイオマスを1000℃/minで高速で炭化し、固形燃料として有用なバイオマスチャーを生成する条件を明らかにする。

４ ．研究開発内容
本研究では、半導体発振器を用いた高効率なバイオマスの急速熱分解システムを開発するために、以下の３項目を検討した。
1) 半導体マイクロ波炭化炉の設計・開発
2) 半導体マイクロ波炭化炉を用いた各種バイオマスの炭化反応および炭化物の評価
3) 半導体マイクロ波炭化炉のフローシステム化

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1 ) 半導体マイクロ波炭化炉の設計・開発
マイクロ波の吸収特性が低いバイオマスを、直接かつ急速に加熱すため、バイオマスのマイクロ波の強電界を供給することができる半導体マイクロ波炭化炉を設計開発した。信号発生器と半導体マイクロ波増幅器を接続し、半導体マイクロ波発振器を作製した。従来のマルチモード型のマイクロ波装置は電場が散逸しており、試料に十分にエネルギーが供給されない。一方、シングルモード空洞共振器の電場最大点に試料を配置することで、マイクロ波の電力を効率よく被照射物に伝えることができる。コヒーレンシーの高い半導体発振器によるマイクロ波照射と、高Q値のシングルモード空洞共振器を組み合わせ、低誘電損失なバイオマスの急速加熱が可能となる（図０．３）。また、バイオマスの炭化の際には複素誘電率が大きく変化するため、急速加熱にマイクロ波の誘電加熱を用い、その後、炭素化の進行に合わせてマイクロ波磁場での誘導加熱によって、炭素純度を高めるプロセスを開発した。

図０．３、シングルモード共振器と半導体発振器の併用による高効率なマイクロ波加熱。電場強度を高めることができるシングルモード空洞共振器と、コヒーレンシーの高いマイクロ波を照射することが可能な半導体発振器を組み合わせることで、被照射物に高効率でエネルギーを供給できる。
2 ) 半導体マイクロ波炭化炉を用いた各種バイオマスの炭化反応および炭化物の評価
1)で作製した装置内に石英反応管を設置し、不活性ガス流通下で種々のバイオマス基質の熱分解反応を行い、半導体式マイクロ波装置の性能を評価した。生成したバイオマスチャーは、CHNS測定およびラマン測定、窒素吸着測定などにより炭化の進行を評価した。得られた結果について、通常の外部加熱などの従来法との差について、in situ 質量分析や in situ共振周波数により解析し、マイクロ波照射下でのバイオマスの炭化が促進する機構を考察した。
3 ) 半導体マイクロ波炭化炉のフローシステム化
半導体マイクロ波熱分解炉のスケールアップとして、915MHzTM 010モード型空洞共振器の大型化および高Q値型に改良した。さらに、磁場キャビティを用いた半炭化バイオマスのマイクロ波磁場加熱とスクリューフィーダーを組み合わせて、原料を連続的に処理するフローシステムを開発し、処理能力の向上を図った。
５ ．研究成果
５ －１．成果の概要
1 ) 半導体マイクロ波炭化炉の設計・開発
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１ －１）マイクロ波電場加熱
バイオマスの急速熱分解マイクロ波炉として、2.45GHzおよび915MHzの周波数帯のTM010モード型空洞共振器および半導体発振器を搭載したマイクロ波装置を開発した（図０．４）。本装置内部にバイオマス試料を配置した石英管を通し、不活性ガス（N 2やAr）流通下でマイクロ波を照射することができる。
一般的なマイクロ波加熱には2.45GHz（波長：約12.2cm）が用いられるが、浸透深さが小さいことが課題である。そこで、本研究では浸透深さが大きい915MHzについても検証した。マイクロ波加熱中はスラグチューナーを用いてインピーダンス整合を行うとともに、フィールドセンサーを介したS21測定により空洞共振器内部の共振周波数を自動的に追従することで、反射電力を最小化した。反応中の温度は、石英透過型放射温度計を用いて、試料温度を直接測定した。

図０．４、本研究で開発した半導体式マイクロ波急速熱分解装置（Ａ）2.45GHz、（B）915MHz。
本装置を用い、まず、モデルバイオマス試料として結晶性セルロース（Microcrystallinecellulose, Sigma Aldrich）のマイクロ波加熱を行った。セルロースはマイクロ波吸収特性を示す誘電損率が0.052と低いため市販の電子レンジでは加熱することができない。従来の導波管型のマイクロ波装置を用いた場合は、マイクロ波を吸収する物質を添加せずとも、30Wにおいて300秒程度で180℃程度まで加熱された（図０．５）。一方、本課題で開発したマイクロ波装置を用いた場合には、20秒とわずかな加熱時間で300℃以上に昇温した。一方、セルロースの熱分解も進行し被加熱物質が減少するため、それ以上の温度には昇温せず、徐々に温度は低下した。電気炉（100W）による加熱と比較した場合、マイクロ波40Wでも8倍の急速な加熱が可能であった。平均の昇温速度は960℃/min であり、当初開発目標の1000℃/min をほぼ達成した。

図０．５、結晶性セルロースのマイクロ波加熱特性（2.45GHz）の比較（従来のマイクロ波加熱、本課題のマイクロ波加熱、および電気炉と本課題のマイクロ波加熱の比較）

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さらに、マイクロ波加熱中の共振周波数をモニタリングすることで、反応物質の分解挙動を直接観測した。空度共振器の共振周波数は、物質の誘電特性に大きく依存する。バイオマスの熱分解においては、炭素化が進行するにつれて誘電体から導体に物性が変化する。すなわち、バイオマスのマイクロ波加熱中の共振周波数から、バイオマスの炭化の状態を観測することができる。図０．６にセルロースの加熱中の共振周波数の変化を示した。セルロースの急速加熱に伴う炭素化により、加熱開始直後に大きな共振周波数の低下が生じた。さらに、ガス化が進むと共振器内部の試料が少なくなるため、共振周波数は上昇に転じた。こうした挙動は、ネットワークアナライザーを用いたS21測定からも確認された。
これより、共振周波数を用いることで、バイオマスの炭素化の度合いをモニタリングしながら、マイクロ波加熱をすることができると示された。本手法を用いることによって、実プロセスに展開した場合においても、バイオマスがいつどの程度炭素化したか、共振周波数を用いて観測することができる。

図０．６、結晶性セルロースのマイクロ波加熱特性（2.45GHz）中の共振周波数の変化、および、ベク
トルネットワークアナライザーによるS21特性評価を用いた共振周波数変化の帰属続いて、実際のバイオマス試料として、イナワラ粉末を用いて本装置の効果を検証した。図０．７は2.45GHzおよび915MHzでのイナワラのマイクロ波加熱特性を示す。2.45GHzでは、周波数の自動追従が物性変化に十分に追従せず、30秒で600℃に到達した。一方、915MHzでは滑らかな昇温挙動を示し、その最大昇温速度は330℃/secに到達した。これは、915MHzの波長が長いこと、および、用いた空洞共振器のQ値が300と低いことで、試料の物性変化に鈍感であったと考えられた。

図０．７、イナワラのマイクロ波加熱（左：2.45GHz、および右：915MHz）中の温度変化、および昇温速度。
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果を積み上げることで、当初の研究開発目標である、①半導体マイクロ波炭化炉の開発、②半導体マイクロ波炭化炉によるバイオマスの炭化反応の検証、③半導体マイクロ波炭化炉のフローシステム化のいずれも達成した。また、本課題アドバイザーである産業技術総合研究所 西岡 将輝 博士および山口 有朋 博士には、課題遂行の助言のみならず、半導体マイクロ波装置設計およびバイオマス分析について協力を得て研究を進めることで、効果的に研究成果に結びつけることができた。
研究資金面においては、初年度～２年目にマイクロ波装置開発に重点的に資金を使用した。最終年
度はマイクロ波による反応試験と生成物分析を重点的に行うため、技術補佐員の雇用経費と、学内分析支援センター（オープンファシリティーセンター）における依頼分析費として重点的に使用した。研究の展開に合わせて研究資金を運用した。
６ ．研究成果の発表状況
６ －１．査読付き論文＜ 件数＞1件＜ 主な査読付き論文＞
1. Shuntaro Tsubaki, Yuki Nakasako, Noriko Ohara, Masateru Nishioka, Satoshi Fujii, Yuji
Wada, Ultra-fast pyrolysis of lignocellulose using highly tuned microwaves:
Synergistic effect of cylindrical cavity resonator and frequency-auto-tracking solidstate microwave generator, Green Chemistry, 22, 342 -351, 2020 (Press Release2019/11/25, Highlighted in Outside Front Cover、IF:9.480).

６ －２．知的財産権
特に記載すべき事項はない。

６ －３．その他発表件数
査読付き論文に準ずる成果発表

0件

その他誌上発表（査読なし）

2件

口頭発表（学会等）

6件「国民との科学・技術対話」の実施

2件

マスコミ等への公表・報道等3件

本研究に関連する受賞

3件

７ ．国際共同研究等の状況
特に記載すべき事項はない。
８ ．研究者略歴
研究代表者
椿俊太郎
東京工業大学 物質理工学院 応用化学系 助教
京都大学農学部卒業、博士（農学）、現在、国立研究開発法人 科学技術振興機構さきがけ
専任研究者、大阪大学大学院工学研究科応用化学専攻 特任講師（兼任）153RF-1801

表１．１、バイオマス試料の誘電特性
比誘電率(ε’) 誘電損率(ε’’)
セルロース（含水率 4.4%）
アルカリリグニン（含水率 1.6%）
イナワラ

Tan δ

1.52

0.054

0.042

1.65

0.024

0.018

1.34

0.038

0.029

図１．６、結晶性セルロースのマイクロ波加熱特性（2.45GHz）の比較（従来のマイクロ波加熱、本課題のマイクロ波加熱、および電気炉と本課題のマイクロ波加熱の比較）
バイオマスの加熱においては、バイオマスに含まれる水分や低分子の抽出成分などがマイクロ波の電場によって加熱される。さらに、昇温するにつれ構成成分の炭化が進行すると、炭化物によるマイクロ波吸収の増大により、さらに急速に昇温する。このような正のフィードバックにより暴走的に発熱（Thermal runaway）が生じる。また、本装置では周波数自動追従システムを搭載していることによりことで、バイオマスの炭化に伴う急速な誘電特性の変化に対しても、共振状態を常に維持し、急速な加熱が実現されたと考えらた。
続いて、マイクロ波の周波数の効果を検証した。図１．７に2.45GHzと915MHzを用いた場合のセルロースのマイクロ波加熱挙動を示した。周波数によって、昇温特性にほとんど変化はなく、異なるマイクロ波周波数を用いてどうように急速加熱が可能であることを確認した。一方、周波数変化について、
2.45GHzでは昇温に伴い6MHzと大きな変化を示すのに対し、915MHzでは挙動は2.45GHzとよく似ているものの、その変化量は1MHzに抑えられていた。周波数追従で自動整合しマイクロ波の反射電力を抑えていることを考慮すると、915MHzにおいて周波数の追従が容易であると考えられた。また、915MHzは浸透深さが大きくスケールアップが容易である。すなわち、バイオマスの急速加熱プロセスとしては、915MHzが望ましいといえる。
本装置を用いて、実バイオマスとして、イナワラやバガス、ムギワラ、モミガラ、クロレラなどの炭化反応を検討した。イナワラを試料とした場合、最大昇温速度は330℃/secに達し、共振周波数の変化から急速昇温と同時に炭素化が進行していることが分かった。そのほかのバイオマス試料についても、本半導体マイクロ波加熱装置を適用することによって、急速に加熱することが可能であることを確認した（図１．８）。一方、炭素化の進行やプラズマの形成によって、マイクロ波の反射電力が大きくなり、加熱効率が悪化した（図１．９）。導体試料はマイクロ波の電場を反射するため、電場最大点に配置した場合は効率的に加熱することが困難である。そこで、続いてマイクロ波の磁場を用いて炭素化した試料の誘導加熱を検討した。

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Ⅲ ．研究成果の発表状況の詳細（ １）誌上発表＜ 査読付き論文＞【 サブテーマ１】
1) Shuntaro Tsubaki, Yuki Nakasako, Noriko Ohara, Masateru Nishioka, Satoshi Fujii,Yuji Wada, Ultra-fast pyrolysis of lignocellulose using highly tuned microwaves:
Synergistic effect of cylindrical cavity resonator and frequency -auto-tracking
solid-state microwave generator, Green Chemistry, 22, 342 -351, 2020 (Press Release2019/11/25, Highlighted in Outside Front Cover、IF:9.480).
＜ 査読付論文に準ずる成果発表＞
特に記載すべき事項はない。
＜ その他誌上発表（査読なし）＞【 サブテーマ１】
1) 椿 俊太郎, 西岡 将輝, 和田 雄二. 半導体式マイクロ波装置を用いたバイオマスの「超」急速熱分解, クリーンエネルギー, Vol. 29, No. 9, pp. 55-61, 2020.
2) 椿俊太郎. 電磁波照射効果を「見る」-「その場」観察を駆使した電磁波駆動化学の理解, 化学と工業, Vol. 73, No. 3, pp. 238-239, 2020.
（ ２）口頭発表（学会等）【 サブテーマ１】
1) Shuntaro Tsubaki, Masateru Nishioka, Noriko Ohara, Yuji Wada ： “Rapid microwaveassisted pyrolysis of lignocellulose by the solid-state microwave generator”, The 8th
Asian Conference on Biomass Science 2020, Japan Institute of Energy, On -line, January
2021.
2) 椿俊太郎, 小原則子, 西岡将輝, 和田雄二：第29回日本エネルギー学会大会, （2020）, 「マイクロ波急速加熱を用いたリグノセルロースの熱分解反応」
3) 椿 俊太郎：日本化学会第100春季年会, （2020）,「電磁波照射反応場のその場観察」.
4) 椿 俊太郎, 中迫 友希, 小原 則子, 西岡 将輝, 藤井 知, 和田 雄二： 第13 回日本電磁波エネ
ルギー応用学会シンポジウム, 2019, 「半導体マイクロ波発振器を用いたリグノセルロースの急速熱分解」
5) 椿 俊太郎, 小原 則子, 西岡 将輝, 和田 雄二：第29回日本エネルギー学会大会, （2019）「マイクロ波急速加熱を用いたリグノセルロースの熱分解反応」
6) 椿 俊太郎, 中迫 友希, 西岡 将輝, 鈴木 榮一, 和田 雄二：第12回日本電磁波エネルギー応用学会, （2018）「円筒形シングルモード反応器を用いたリグノセルロース系バイオマスの急速熱分解」（ ３）「国民との科学・技術対話」の実施【 サブテーマ１】
1) MWE2020 マイクロウェーブ展 ワークショップ TH4B-3 若手研究者が主導する次世代マイクロ波加熱応用（主催：電子情報通信学会APMC国内委員会、2020年11月26日オンライン 聴講者 約80名）にて「マイクロ波による触媒反応促進効果の理解とその応用」とのタイトルで講演
2) 第３回 産総研化学研究シンポジウム（2019年11月23日、つくば 産業技術総合研究所 聴講者64名） にて、「電磁波で操る化学反応」について講演31

3RF-1801（ ４）マスコミ等への公表・報道等【 サブテーマ１】
1) 財経新聞（2019年11月28日）、「東工大、マイクロ波によるバイオマスの超急速熱分解に成功

低炭素社会実現に期待」

https://www.zaikei.co.jp/article/20191128/541569.html?utm_source=news_pics&utm_medi2)

um=app）
環境展望台（2019年11月25日、「東工大など、マイクロ波によるバイオマスの急速昇温・熱分解プロセスを改良」https://tenbou.nies.go.jp/navi/metadata/104674）

3)

東工大ニュース（2019年11月25日、「マイクロ波を用いバイオマスの超急速熱分解を実現 精
密制御の半導体マイクロ波発振器による高効率加熱」
https://www.titech.ac.jp/news/2019/045674.html）（ ５）本研究費の研究成果による受賞
1) The Excellent Paper Award (Oral Presentation), “Rapid microwave -assisted pyrolysis
of lignocellulose by the solid-state microwave generator”, The 8th Asian Conference
on Biomass Science 2020, Japan Institute of Energy, On -line, January, 2021.
2) 2020年度日本エネルギー学会 進歩賞 (学術部門) 「マイクロ波を用いた高効率バイオマス変換プロセスの開発」令和2年
3) 日本エネルギー学会 第14回バイオマス科学会議 ポスター賞2019年1月17日（於、東広島芸術文化ホールくらら）中迫友希，椿俊太郎，西岡将輝，和田雄二：日本エネルギー学会 第14回バイオマス科学会議（2019）「シングルモードマイクロ波を用いたリグノセルロース系バイオマ
スの急速熱分解」

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