3. 技術内容 (1) 亜臨界水とは水は 温度 圧力を MPaまであげると 液体 ( 水 ) でも気体 ( 水蒸気 ) でもない超臨界状態になります この Mpaの点を臨界点と呼び これより温度 圧力がやや低い熱水を亜臨界水と呼びます ( 図 2) 亜臨界水は高温 高圧で

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1 参考資料 ありんかいすい亜臨界水処理による木質バイオマス連続分解システムの確立 ( 車載型 ) ( 委託先 : 山陽空調工業株式会社 ) 平成 20 年度森林資源活用型ニュービジネス創造対策事業 ( 小規模分散型製造システム : 亜臨界水処理タイプ ) 小規模分散型製造システムは 原料調達先に近い山間部や地域で活用できる機動性や操作性に優れた効率の良い製造システムの構築を目的としています 1. 事業内容林地残材等の木質バイオマスは 収集 運搬にコストがかかりますが この製造システムでは 工場を小型化して車両に積載し 装置ごと山の中に移動して 原料がある場所で加工することにより運搬コストの低減を図り 木質バイオマスの利用拡大を目指します 製造システムには連続式亜臨界水処理技術を導入します これは 高温 高圧の水である亜臨界水を用いて木質バイオマスを短時間に分子レベルに分解するもので 水による分解なので環境負荷が小さく 小型化が可能です 分解された木質バイオマスの成分は ろ過膜で抽出して エタノールの原料となるグルコース プラスチックの原料となるリグニンペレット 食品添加用のキシロオリゴ糖を同時に製造します 1. 林地加工 単一森林組合林地 単一森林組合林地 単一森林組合林地 木質バイオマス発生源に製造システムを配置 2. 運搬 土場等で粗製品を製造 3. 精製加工 里地精製 加工工場 ( リク ニンヘ レット ) ( ク ルコース ) ( キシロオリコ 糖 ) 必要に応じて粗製品を精製 加工 4. 販売 地元事業者へ販売 市場ニーズに応じて加工された工業原料を販売 2. 製造物 図 1 事業イメージ 製造物用途 グルコース リグニンペレット キシロオリゴ糖 エタノールの原料 熱可塑性樹脂原料 食品添加物 7

2 3. 技術内容 (1) 亜臨界水とは水は 温度 圧力を MPaまであげると 液体 ( 水 ) でも気体 ( 水蒸気 ) でもない超臨界状態になります この Mpaの点を臨界点と呼び これより温度 圧力がやや低い熱水を亜臨界水と呼びます ( 図 2) 亜臨界水は高温 高圧であるため 水分子が水よりも激しく運動しています このため糖のつながりでできたセルロースの鎖を高速で切断し ( 加水分解 ) ばらばらの糖に分解することができます ( 図 3) (2) 連続式亜臨界水処理この事業では 木粉と水を混ぜた泥状の液 図 2 水の状態 体 ( スラリー ) を亜臨界反応させ 木質バイオマスの成分を連続して分解します ( 図 4) この技術は 廃棄物を炭酸ガスと水に分解して処理する技術として開発された技術を基礎とするものです 3 亜臨界水による加水分解 図 図 4 製造システムの流れ 4. 技術課題 (1) 木粉製造作業の確立と現場である土場作業等への組込み (2) 分離 抽出に最適な木粉の品質検証とその製造技術の確立 (3) 木粉スラリー濃度の向上 (4) 分解区画の仕様設定 (5) 糖類の分離 抽出 (6) 後処理工程 (7) 製造物の精製 成形 5. 平成 20 年度の実施内容平成 20 年度においては 原料の種類別や状態別による分解状況や (2) の製造物に変換される各成分の最適な分解点等について 実証プラントを地上に設置して検証 改良を進めます 8

3 アルカリ蒸解法による木質バイオエタノール製造システムの構築 ( 委託先 :( 独 ) 森林総合研究所 ) 平成 20 年度森林資源活用型ニュービジネス創造対策事業 ( 大規模低コスト型製造システム ) 大規模低コスト型製造システムでは 大量の森林資源を原料として活用し バイオエタノール等汎用性が高く 広い市場が期待される製品を低コスト 高効率で製造するシステムの構築を目的としています 1. 事業内容本事業は 日本有数の林業地帯である秋田県の北秋田市内に設置する実証プラントを用いて 平成 20 年度から 24 年度までの 5 年間 木質からのバイオエタノール製造のための技術実証及び施設改良を行います バイオマス原料は 食糧と競合しないスギ林地残材等を使用しプラントレベルでのランニングコストを最低限としたバイオエタノール製造技術を開発 実証することにより 大規模 低コスト型のバイオエタノール製造システムを新たに構築することを目的とします 本事業の成果により 化石由来燃料のバイオエタノール代替が推進されると 地球温暖化防止 低炭素社会の実現等に貢献するとともに 森林資源の需要拡大による森林整備の推進 林業 木材産業の振興による山村地域の活性化にもつながります 製造システム フローシート アルカリ 林地残材製材工場残材 破砕洗浄蒸煮 蒸解 洗浄 固液分離同時糖化発酵蒸留 脱水 エタノール 蒸解リグニン ( 黒液 ) ボイラ 蒸気 アルカリ 樹脂成型物 土壌改良材への利用 2. 製造物製 造 物 用 途 バイオエタノール 化石代替燃料 蒸解リグニン ( 黒液 ) バイオエタノール製造用燃料 マテリアル製品の原料 9

4 3. 技術内容これまで 木材等からエタノールを製造する場合 酸を用いてセルロース ヘミセルロースをグルコース等の単糖に糖化する方法が用いられてきましたが 反応の制御が難しく糖の回収率が低い 酸の完全な回収が困難 設備の酸腐食対策が必要 分離したリグニンは高度に重合して燃料にしか利用できない等の問題がありました そこで 本事業では酵素を用いてセルロース等を糖化する酵素法によるエタノール製造システムを構築します 硫酸法と違い酵素法は反応の制御が容易で糖の回収率が高い 酸による環境への負荷や設備への負荷が少ない 糖化の前に分離するリグニンの変質が少ないためマテリアル製品への利用も可能などの特徴があります 酵素法によりエタノールを製造する場合 木材からリグニンを分離してセルロース等を取り出す必要がありますが リグニンを分離するために水酸化ナトリウム水溶液による アルカリ蒸解 を用い 得られたパルプ中の多糖類 ( セルロースとヘミセルロース ) については 酵素と酵母による 同時糖化発酵法 を用いてバイオエタノールを製造します セルロース ヘミセルロース リグニン : 木材を構成する化学成分 多糖類であるセルロース ヘミセルロースは 単糖に分解しエタノールに変換することができる その際に リグニンは副産物として回収され 燃料やプラスチック原料等になる 同時糖化発酵 : セルラーゼやキシラナーゼなどの酵素を用いて リグニンを分離して除いた木材パルプ中のセルロースやヘミセルロースをグルコースやキシロース等の単糖に変換し それらの糖類を酵母により同時にエタノールに変換する 酵素法によるエタノール製造工程 木材を粉砕 前処理糖化発酵蒸留脱水エタノール エタノール原料とならないリグニンを除去 セルロース等を糖に分解 10

5 4. 技術課題 1 小型連続蒸解技術の針葉樹対応小型連続蒸解において針葉樹についての実績がないため これに適した蒸解条件設定の課題に取り組みます 2 膜によるエタノール濃縮技術の適用現在実用化されている濃縮技術よりもエネルギー消費の少ない半浸透膜法での濃縮の課題に取り組みます 3 活性の高い糖化酵素及び同時糖化発酵条件の設定 最適化ソーダ蒸解前処理したスギ材等針葉樹に対して活性の高い酵素及び糖化条件の最適化 アルカリ条件下で高い活性を維持するセルラーゼの開発 同時糖化発酵の条件の探索及び最適化の課題に取り組みます 4 C5C6 糖同時分解利用プロセスの開発セルロース糖化によるグルコース (C6 糖 ) とヘミセルロース糖化によるキシロース (C5 糖 ) は 現時点では 初めにグルコースを発酵させた後 なんらかの方法でエタノールを分離させた後に別のエタノール生産微生物でキシロース発酵を行う必要があります このため C5C6 糖の両者を同時に発酵できるC5C6 糖同時分解利用プロセスの開発の課題に取り組みます 5 蒸煮等ヘミセルロース分離 回収処理の針葉樹適用条件の探索蒸煮などの含水下での加熱は ヘミセルロースを分離 活用するための蒸解前処理として有効な処理法ですが 針葉樹の場合 広葉樹と比較して収率が低いことが確認されており 収率を高めるための課題に取り組みます 5. 平成 20 年度の実施内容平成 20 年度においては 実証プラントを建設し 試運転を行うととも 小型連続蒸解技術の針葉樹対応 活性の高い糖化酵素及び同時糖化発酵条件の設定 最適化 C5C6 糖同時分解利用プロセスの開発に取り組みます 11

6 12

7 木質バイオマスからのナノカーボン製造システムの確立 ( 委託先 : 株式会社東芝 ) 平成 20 年度森林資源活用型ニュービジネス創造対策事業 ( 高付加価値型製造システム ) 高付加価値型製造システムでは 高品質で高機能な工業用材料や製品等 市場価値の高い木質由来製品を製造することにより 木材の高付加価値化を実現する製造システムの構築を目的としています 1. 事業内容カーボンナノチューブ カーボンナノファイバーなどのナノカーボンは 樹脂 ( プラスチック) などに少量添加することによって 強度や導電性を高めることができるほか 電磁波の遮断性能を向上させるなど多様な特性を持っており 様々な分野での応用が期待されています これまで 石油等の化石資源を原料として作られてきましたが 木質バイオマスから化石資源由来のものに匹敵した高品質なナノカーボンを製造するシステムを作るというのが この事業の内容です ( 株 ) 東芝では これまでに 木質を原料としてナノカーボンを製造する基礎技術を開発してきました この技術を使って 木質バイオマスから高品質なナノカーボンを製造する技術実証をパイロットスケールで行い 5 年間で 実用化に向けた製造システムの構築を目指します さらに 生成したナノカーボンを樹脂に添加してペレット化し 工業用原材料として利用するための製品化検証も 翌年度以降に行うこととしています 木質由来のナノカーボンを添加した樹脂を様々な製品に利用することにより 例えば ノートパソコンの筐体を軽量で強度の高いものにすることができ携帯化が容易になったり 軽量化の必要な自動車の部品や 導電性を持つICトレーが製造できるなど 多種多様な高機能製品に応用することが考えられます こうした製品の薄肉化 軽量化による使用樹脂量の削減や輸送コストの低減 製品の耐久性の向上などは 環境負荷を押さえることにも役立つものと期待されます また バイオプラスチックに木質由来のナノカーボンを添加し強度を高めて バイオマス由来の素材だけで高性能な製品を生産し 化石資源由来のプラスチックに代えて広く利用していくことも期待できます 木質のナノカーボン化高機能樹脂ヘ レット化製品化 木質の炭化水素化 ( ガス化 ) 炭化水素のナノカーボン化 カーホ ンナノチューフ カーホ ンナノファイハ ー等 樹脂添加 ( ペレット化 ) ( ナノカーボンを樹脂に添加 ) 樹脂加工 ( ペレットから部品製造 ) 木質バイオマス 事業のイメージ 製品への利用 13

8 本実証では 技術実証施設を 原料調達の利便性等により日本有数の林業地域である大分県日田市のウッドコンビナート内に建設する予定です 2. 製造物 製 造 物 用 途 ナノカーボン ( カーボンナノ ナノカーボンを樹脂に添加し パソコンなどの部品 チューブ カーボンナノファ 筐体 半導体等の包装容器 自動車の内外装素材 イバー カーボンナノコイル などに利用 カーボンブラック等 ) 3. 技術内容木質バイオマスからナノカーボンを製造するには まず チップ状にした木質を熱分解炉に入れ 空気を遮断した状態で600~800 に加熱し 木質をガス化 ( 炭化水素化 ) します 次に カーボン生成炉で 触媒を用いてガス化した炭化水素からナノカーボンを析出させる気相成長法という技術により ナノカーボンを製造します 4. 技術課題 1 ナノカーボンの生成製造効率の向上 品質の安定化触媒の低コスト化と再利用等による製造コストの低減プラントの連続運転検証等 2 生成ナノカーボンの原材料化 ( ペレット化 ) ナノカーボンの樹脂への添加技術の確立 3 製品化検証ナノカーボンを添加した樹脂の強度評価等 ナノカーボンの電子顕微鏡写真 10,000( 写真 :( 株 ) 東芝 ) 5. 平成 20 年度の実施内容平成 20 年度においては ナノカーボン製造システムの技術実証施設の整備及び木質バイオマスの熱分解によるガス化実証試験 炭化水素のナノカーボン化生成検証等を行います 14

9 バイオオイル化による森林資源トータル利用システムの確立 ( 委託先 : 栃木県森林組合連合会 ) 平成 20 年度森林資源活用型ニュービジネス創造対策事業 ( 小規模分散型製造システム : マイクロ波応用液化タイプ ) 小規模分散型製造システムは 原料調達先に近い山間部や地域で活用できる機動性や操作性に優れた製造システムの構築を目的としています 1. 事業内容本システムは 林地残材等の未利用森林資源をマイクロ波によって低分子化し バイオオイル ( 液化油 ) として回収するシステムの技術実証を核として 未利用森林資源に高付加価値を付けて有効活用するトータルシステムの構築を目指します ( 図 1) 原料の供給源に近い山村地域に設置できる小型製造装置により 現在未利用森林資源として林地等に放置されている残材 枝葉をバイオオイル化して運搬することで 運搬効率が高まり 未利用資源の活用を促進することができます また 本システムが実用化されると 化石資源由来の各種化学品や燃料を代替する木質バイオマス由来のジメチルエーテル等の製品が製造できます ジメチルエーテルは 燃焼時のすす発生が少なく 安全性が高いクリーン燃料として期待されています 本事業では 2つのモデルサイトで実証します 高度変換利用モデル ( 栃木県サイト ) では 木質バイオマスの一部をオイル化し オイルから分離されたセルロース成分からジメチルエーテル等へ高度変換するシステムの実証を行います また オンサイト簡易利用モデル ( 山梨県サイト ) では 木質バイオマスを全部オイル化 精製し地域内で石油系燃料と混合し既存ボイラーで利用するなど地産地消型燃料等の製造システムで 森林 林業の現場でも利用可能な製造システムとして実証を行います 図 1 製造システムイメージ図 15

10 2. 製造物製造物 用 途 バイオオイル 燃料 化学品及び化学品の原料 合成ガス ジメチルエーテル等の液体燃料用原料 基礎化学品原料 3. 技術内容 1 マイクロ波応用分散型バイオオイル製造システム粉砕した木質バイオマス原料をマイクロ波の吸収しやすい触媒溶媒と混合し 反応槽内でマイクロ波を照射し急速に高温状態にしてリグニン セルロース等を分解することで液化したバイオオイルを製造するシステムです ( 図 2) 図 2 製造システム概念図 2 粒子循環型二塔式反応器による合成ガス製造システム二塔式反応炉は ガス化炉と再生炉からなります ( 図 3) ガス化炉では 水蒸気を吹き込み 原料をガス化しH2 とCO 主体のガスを製造します 製造したガスからジメチルエーテル等の液体燃料を製造します ガス構成比を調整することで液体燃料や基礎化学品を需要等に合わせてフレキシブルに製造できます 一方 再生炉では ガス化炉で使用しタールが吸着した触媒を燃焼させ 再生した触媒をガス化 炉へ再度送り使用します 4. 技術課題図 3 製造システム概念図 1 マイクロ波応用分散型オイル製造システム 加工 乾燥等の前処理の省力化 未乾燥チップ使用時の製造効率の向上 溶剤回収 再利用による製造コストの低減 プラント小型化等 2 粒子循環型二塔式反応器による合成ガス製造システム バイオオイルから分離したセルロースのガス化特性の把握 低コスト触媒の開発によるガス化コスト低減 合成ガスからジメチルエーテル製造等高付加価値化等 5. 平成 20 年度の実施内容平成 20 年度においては バイオオイル製造システムの技術実証施設の整備及び前処理の最適条件を見つける乾燥試験 バイオオイルの性状調査 合成ガス化製造システムのガス化反応特性の基礎データ取得のための実験等を行います 16

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