バイオリファイナリーの世界動向と 実用化に向けた取り組み

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1 革新的環境技術シンポジウム 年 12 月 4 日 バイオリファイナリーの世界動向と 実用化に向けた取り組み ( 公財 ) 地球環境産業技術研究機構 (RITE) 理事 バイオ研究グループリーダー 湯川英明 1

2 バイオリファイナリー : 市場規模予測 2 Biorefineries will generate $230 Billion by 2020 World Economic Forum 2010 Biorefineries might be worth $300 Billion by 2030 World Economic Forum 2011

3 トウモロコシ価格推移 3 Corn Gasoline Ethanol $/Gallon and $/Bushel Corn Gasoline 2.00 Ethanol Year 出典 Corn, Ethanol 価格 : CME Group Gasoline 価格 : The U.S. Energy Information Administration (EIA)

4 4 セルロースエタノール実証状況 in 米国

5 セルロース系バイオ燃料導入計画 in 米国 Renewable Fuel Standard program (RFS2) 5 Billion gallons BG セルロース原料バイオ燃料 16 BG コーン原料 Year 出典 Energy independent and security act of 2007

6 セルロース系バイオ燃料導入計画 in 米国 Renewable Fuel Standard program (RFS2) 6 Billion gallons Year 出典 : Energy independence and security act of 2007 Million gallons EISA2007 RFS BG セルロース原料バイオ燃料 16 BG コーン原料 ~ 2013 Year 出典 : Renewable Fuel Standard(RFS2) 1750 ~ 2014

7 セルロース系バイオ燃料導入計画 in 米国 Renewable Fuel Standard program (RFS2) 7 Million gallons EISA2007 RFS Year 1000 ~ ~ 2014 出典 : Energy independence and security act of 2007(EISA2007), Renewable Fuel Standard(RFS2) Million gallons 修正値 by EPA Year 2014 出典 : Renewable Fuel Standard (RFS2)

8 セルロース系バイオ燃料導入計画 in 米国 Renewable Fuel Standard program (RFS2) 8 Million gallons EISA2007 RFS ~ 1750 ~ 修正値 by EPA 6.0MG 17MG Downward revision by EPA Year 出典 : Energy independence and security act of 2007(EISA2007), Renewable Fuel Standard (RFS2) Million gallons 実際の生産量 0.02MG Year 0.3MG (by Oct.)

9 セルロースエタノール実証生産計画 in 米国 9 企業 生産開始時期 州 生産規模 (MGY) 原料 POET-DSM Advanced Biofuels 2014 アイオワ 25 コーンストーバー Abengoa Bioenergy 2014 カンザス 24 コーンストーバー DuPont Cellulosic Ethanol 2014 アイオワ 30 コーンストーバー Chemtex 2015 MGY:million gallons per year(3785kl/year) ノースカロライナ 20 Energy crops 25MGY=9.5 万 KL/ 年

10 セルロースエタノール製造プロセス 10 非可食バイオマス 分解 混合糖 醗酵 燃料エタノール ( 酵素 ) CH 2 C6 HO O C5 H 2 C O

11 11 非可食バイオマス 前処理 ( 加圧高温 ) 酵素分解 混合糖 C6 糖 C5 糖 CH 2 O HO H 2 C O 天文学的 な酵素コスト 厳しい前処理 * 必要酵素量 : 少 * 醗酵阻害物質生成量 : 多 trade off 穏やかな前処理 * 必要酵素量 : 多 * 醗酵阻害物質生成量 : 少

12 工業化に障害 : 醗酵阻害物質 12 醗酵阻害物質 O バイオマス O CHO 前処理 ( 加圧高温 ) 酵素分解 C6 糖 6 C5 糖 5 混合糖 エタノール醗酵阻害 醗酵 燃料エタノール

13 実液混合糖 (C6 糖,C5 糖 ) からのエタノール生成 13 ザイモモナス (Zymomonas mobilis) (AX101) (Zhang M(NREL)) 酵母 (Saccharomyces cerevisiae) (424A(LNH-ST)) (Ho NW( パデュー大 )) 大腸菌 (Escherichia coli) (KO11) (Ingram LO( フロリダ大 )) Glucose Xylose 50 Concentration(g/L) Ethanol Time(hr) Time(hr) Time(hr) Bruce E Dale et al., Biotechnol. Biofuel. 3:

14 RITE の取り組み 14 米エネルギー省との共同研究成果 -CRADA* 契約 - 非可食バイオマスからバイオ燃料エタノールの経済性ある製造の実現へ * Cooperative Research and Development Agreement

15 15 NREL( 米国再生可能エネルギー研究所 ): 1974 年設立 バイオ燃料生産技術開発における中心的な研究機関 Pretreatment and enzyme hydrolysis of cellulose corn stover pretreated corn stover horizontal pretreatment reactor enzymatic hydrolysis reactors

16 NREL との共同研究 16 非可食バイオマス 醗酵阻害物質に全く影響を受けない 各種前処理条件 ( 加圧高温 ) 厳しい前処理条件必要酵素量 : 少 高効率糖化実現 酵素分解 混合糖 C6 糖 C5 糖 CH 2 H 2 C O O HO RITE バイオプロセスにて エタノール醗酵テスト

17 DOE 目標 $2.15/gallon に目途 17 Feedstock + Handling Pretreatment/ Conditioning Enzymatic Hydrolysis And Fermentation Cellulase Enzyme Distribution and Solids Recovery Wastewater Treatment Storage Boiler/Turbogenerator : (Net) Utilities $2.15 / gallon DOE 設定目標 糖化効率 : 90% 酵素量 : 20mg protein/g cellulase 醗酵収率 : 90%

18 Integration in the NREL process 18 コーンストーバー 前処理 酵素分解 Zymomonas 組換え菌 燃料エタノール 糖化工程 醗酵工程 RITE バイオプロセスへの置換 エタノール溶液 Microfiltration リアクター ポンプ Reactor is small due to high productivity Microfiltration more than compensates for reduced reactor cost

19 航空機による CO2 排出量 年には輸送部門で最大との予測 ICAO 目標 燃費効率 2% 毎年改善 2020 年以降 CO 2 排出量を増加させない 輸送モード別 GHG 排出量シナリオ 出典 IEA( 国際エネルギー機関 Energy Technology Perspective 2010) 新型機導入 ルート変更 設備改良 バイオジェット燃料導入 CO 2 排出量取引 ICAO: International Civil Aviation Organization 国際民間航空機関

20 航空業界の CO2 排出削減対策 20 食料資源と競合しない航空機用バイオ燃料への期待 出典 : 日本経済新聞 2013 年 6 月 21 日

21 百花繚乱のバイオジェット燃料技術開発 21 有機廃棄物他 ガス化 / 熱分解 syngas FT 法 水素化処理 バイオマス ( セルロース系 ) 酵素加水分解 H 2C CH 2 O O HO 化学変換 BTL(Bioforming) butanol オリゴマー化 CH 3 H 3 C CH 3 H 2C CH 2 O O HO 微生物変換 O O O O O ファルネセン 脂肪酸 trans-β-farnesene O H O C12 - C18 水素化処理 C10 - C15 パラフィン系炭化水素 成分調整 CH 3 <25% ヤトロファ 油脂 : トリグリセライド C12 - C18 O S <5% ジェット燃料 カメリナ 藻 (Algae)

22 RITE としての取り組み 22 Bio-Jet Fuel (Renewable jet) Biomass Butanol Pretreatment Saccharification Fermentation Dehydration Oligomerization Hydrogenation Distillation Focus is on Biobutanol as a future renewable jet fuel

23 工業化への課題 23 High performance 菌株の育種 ブタノール阻害 の回避策 醗酵工程からの Continuous extraction

24 24 Metabolic Engineering for Isobutanol Production Glucose Lactate Glyceraldehyde 3-phosphate NAD + gapa NADH Glycerate 1, 3-bisphosohate Pyruvate + Pyruvate x 2 Overexpression of genes encoding glycolytic enzyme Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase ilvbn NADPH Acetolactate ilvc ilvc TM NADP + 2,3-Dihydroxyisovalerate ilvd L-Valine 2-Ketoisovalerate kdc Isobutyraldehyde idh Isobutanol NADH NAD + NADH NAD + NADH-preferring mutant Coenzyme: NADPH NADH

25 Isobutanol Producing Microorganisms 25 Comparison by published papers Microorganisms Isobutanol (g/l) Isobutanol productivity (g/l/h) Aerobic/ Anaerobic Escherichia coli 1) Micro-aerobic Saccharomyces cerevisiae 2) Aerobic Bacillus subtilis 3) Micro-aerobic Synechococcus elongatus 4) Aerobic Corynebacterium glutamicum 5) Shift to oxygen deprivation Corynebacterium glutamicum 6) RITE bioprocess 1) Nature 451: ) Biotechnol. Biofuels 5: ) Microb. Cell Fact. 11: ) Nat. Biotechnol. 27: ) Appl. Environ. Microbiol. 77: (Germany) 6) Biotechnol. Bioeng. 110: (our work)

26 ブタノール阻害軽減効果の確認 26 Solvent layer (Oleyl alcohol) Reaction layer Solvent extraction facilitates increased yield of butanol. Isobutanol (mm) Total Solvent layer Reaction layer Time (h) Yield (mol/mol%) Without extraction 57 Extraction 78 Biotechnol. Bioeng. 110: (our work)

27 早期実用化を目指して 27 NREL との共同開発推進 非食料バイオマス原料法 民間企業保有技術とのコンビネーション - 高効率 Continuous extraction システム e.g. Pervaporation system - ジェット燃料化技術

28 Joint research and development with DOE(NREL) 28 Non-food biomass C 6 & C 5 Sugars Bioethanol Biobutanol Green Chemicals National Renewable Energy Laboratory (NREL) US Green Earth Institute(GEI) /RITE JAPAN

29 Green Earth Institute 株式会社 Green Earth Institute Co., Ltd. 29 経営理念と設立経緯 設立 2011 年 9 月 1 日 経営理念 公益財団法人地球環境産業技術研究開発機構 (RITE) が開発した RITEバイオプロセス技術を活用し 非可食バイオマス原料からのグリーン化学品およびバイオ燃料の事業化を進めることにより 新産業となるバイオリファイナリー産業の早期実現と発展を主導する 社会的使命と設立趣旨 RITEバイオプロセスの事業化を担うことを通じて 温暖化対策を含む地球環境の保全及び持続可能な脱化石資源社会の実現に貢献し バイオリファイナリー産業の発展を主導するという社会的使命をRITEと共に担うものである

30 かずさ研究施設 30

31 31 ホテルオークラ かずさアカテ ミアハ ーク NITE ハ イオテクノロシ ーセンター かずさ DNA 研究所 かずさハ イオ共同開発センター

32 新規産業 : バイオリファイナリー 32 非食料バイオマス C6 糖 C5 糖 6 5 <RITE バイオプロセス > ( 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 混合糖完全同時利用可 発酵阻害物質耐性 菌体触媒 ( 非増殖 ) 高生産性 C2 エタノール C3 プロパノール C4 ブタノール等 芳香族類カルボン酸アミン等 グリーン化学品適合化学反応技術 自動車部材 包装材電気製品部材 炭素繊維各種樹脂等 バイオ燃料 ( エタノール ブタノール他 )

33 33 ご清聴ありがとうございました Contact Information:

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