従来の製造法 ( 石油原料 ) プロピレン アクロレイン 3- ヒドロキシプロピオン酸 1,3- プロパンジオール バイオマス利用グルコース グリセロール 1,3- プロパンジオール 2. 研究の目的本研究では 現在中島ら ( 例えば中島 (2016)) が研究開発を行っている微生物発酵によるグリセ

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1 廃棄物系バイオマスからポリマー原料への転換に関わるコスト評価 水野谷剛 *( 筑波大学 ) 野崎乃倫子 ( 筑波大学 ) 栗原真維 ( 筑波大学 ) Abstract: 近年の地球温暖化の顕在化により 大気中の二酸化炭素濃度に影響を与えないバイオマス資源の利用が大きく注目されている 本研究では サラダ油等の植物油を原料とするバイオディーゼル燃料生成の際に副産物として発生する廃グリセロールからの微生物発酵を用いた 1,3- プロパンジオール生成のコスト評価及び事業採算性の達成条件を分析した ここでは廃グリセロールの委託処理費用やその処理量 生成設備の建設費用や発酵のための添加物費用等のコストが事業採算性にどのような影響を与えるのか そしてどのような条件であれば事業の黒字化を図れるのかが明らかにされる 分析の結果 400 リットルの発酵槽を用いて生成を行った場合 67% 以上の転換率になると事業は黒字化出来ることが明らかとなった また 生成装置規模と転換率の変化の二つのパラメータが変化した場合の試算を行い 廃グリセロールの受け入れ量によって黒字となる転換率がどの様に変化するのかを分析した結果 1,000 リットルの発酵槽を用いて 63% の転換率で生成した場合に初めて黒字となることが明らかとなった 容量を大きくし廃グリセロールの受入量を多くすることで黒字に必要な転換率を 4% 低減することが可能となることを明らかにした 1. 序論近年の地球温暖化の顕在化により 大気中の二酸化炭素濃度に影響を与えないバイオマス資源の利用が大きく注目されている バイオマス資源はバイオエタノールやバイオディーゼル燃料などの再生可能エネルギーとしての利用のみでなく 生分解性プラスチックをはじめとする分子素材やポリエステル繊維原料としての転換利用も行われている 石油から製品を製造することをオイルファイナリーということに対し これまで石油から製品を製造していたものをバイオマスから製造することはバイオファイナリーと呼ばれる 特にバイオマスを原料とした化学品は グリーン化学品 と呼ばれ ベンチャー企業が主にアメリカ西海岸に多数誕生するなど その市場規模は急拡大しており 2030 年までに 2,300 億ドル規模に達すると推定されている ( 湯川 (2010)) グリーン化学品の主たる用途の一つはプラスチックの材料とするものであり 特に生分解性プラスチックが有名であるが 石油から作られる化学品と同じものをバイオマスを原料として生成しこれをポリエステルの繊維等の原料として活用される技術も開発されている 本研究では サラダ油等の植物油を原料とするバイオディーゼル燃料生成の際に副産物として発生する廃グリセロールから 1,3- プロパンジオールの生成を行う際のコストに焦点を当てる 1,3- プロパンジオールは 主にポリエステル樹脂 ( ポリトリメチレンテレフタラート,PTT) の原料として利用されており 通常はアクロレインやエチレンオキシドといった有機化合物から生産されている化学品である ( 佐藤ら (2012)) PTT は PET( ポリエチレンテレフタレート ) や PBT( ポリブチレンテレフタレート ) などの他のポリエステルと比べ 強度が高く 耐熱性に優れるなど性能が高いものの 原料の一つである 1,3- プロパンジオールの化学合成が難しく コストが高くなるという難点があった DuPont 社は バイオテクノロジーを利用して トウモロコシから 1,3- プロパンジールを製造する発酵法を開発した この開発により比較的高い収率で 1,3- プロパンジールが製造出来るようになり バイオベース PTT の商業生産が可能となった ( 旭リサーチセンター (2010)) この 1,3- プロパンジオールはグリセロールの微生物発酵によっても生成が可能な物質であり その研究開発が進められている 近年バイオディーゼル燃料は主に廃食用油といった廃棄物から生成されているものであり その副生成物であるグリセロールも廃棄物からの生成物といえる これはトウモロコシなどと異なり 食料と競合しない点で大きな優位性が存在する

2 従来の製造法 ( 石油原料 ) プロピレン アクロレイン 3- ヒドロキシプロピオン酸 1,3- プロパンジオール バイオマス利用グルコース グリセロール 1,3- プロパンジオール 2. 研究の目的本研究では 現在中島ら ( 例えば中島 (2016)) が研究開発を行っている微生物発酵によるグリセロールからの 1,3- プロパンジオールの生成を分析対象として 廃グリセロールの委託処理費用やその処理量 生成設備の建設費用や発酵のための添加物費用等のコストが事業採算性にどのような影響を与えるのか そしてどのような条件であれば事業の黒字化を図れるのかを明らかにする またこれに加えバイオマスから 1,3- プロパンジオールを生成することによる CO2 排出削減量を元に 社会的費用の低減を鑑みた政府からの補助金を想定し これによる事業採算性への影響の分析を行う 3. コスト試算における条件設定生成プラントの基本構造を図 1 に示す 基本的原理は微生物発酵によるグリセロールの 1,3- プロパンジオールへの転換である 装置は比較的単純なものであるが 生成条件を最適に保つため 発酵槽内は ph 及び温度の制御を行える仕組みとなっている 1.3- 図 1. 生成プラントの基本構造 生成にかかる費用は 設備建設費 運転人件費 発酵培養のための添加物費用及び運転に掛かる電気 水道費用からなる転換費用である また収入として 廃グリセロールの委託処理費及び 1,3- プロパンジオールの販売収入を想定した 中島らからの聞き取り調査により 設備建設費については 400l の発酵槽を持つパイロットスケールの装置価格である 645 万円を基本とし 発酵槽容量の規模に応じた設備建設費は 0.7 乗則を適応した またこの設備建設費については バイオマスから 1,3- プロパンジオールを生成することによる CO2 削減量に応じた社会的費用の低減を根拠とした補助金が支給されるものとし 15 年で償却を行うことと仮定した 装置の運転者は 1 名とし 人件費は国税庁長官官房企画課 (2015) に示された平成 26 年度の製造業の年平均給与額 454 万 6 千円を採用した ここで 運転者は専従ではなく就業時間中の 10% のみをこの装置の運転に充てるものと仮定し 更に雇用者は社会保険料を 15% 負担することとした これにより 年平均給与額の 10% の 万円に

3 15% の社会保険料負担分を上乗せした 千円を人件費として計上した また 年間運転日数を 200 日とした 発酵培養のための添加物として イーストエクストラクト リン酸二水素カリウム及び水酸化ナトリウムが必要である これらのグラム単価及びグリセロール 1l ごとの添加量は 他の費用及び収入と共に表 1 に示す ここにおいて添加物に関わる費用は 添加費用 と称する また 電気量及び水道料からなる転換費用は資源エネルギー庁 (2012) に示されているセルロース系エタノールの転換コストと同等の 40 円 /l とした これは 中島 (2015) において行われたグリセロールからのエタノール生成において 多くの 1,3- プロパンジオールが副産物として生成されたことを根拠としている 廃グリセロールから 1,3- プロパンジオールを生成する際の総転換費用は 添加物に関わる添加物費用と電気 水道費用からなる転換費用の総計であり ここでは廃グリセロール 1l あたり 円となる 収入である廃グリセロールの委託処理費は 中島 (2015) に示されている 20 円 /l とした また 1,3- プロパンジオールの販売価格は Lee et al.(2015) より 2.61$/kg とし これに 2016 年 9 月現在で推移している為替レート 102 円 /$ を乗じ 日本円換算で 267 円 /kg とした 表 1 基本条件における生成費用及び収入 費用 / 収入 項目 名称 金額 単位 備考 設備建設費 プラント 6,450 千円 / 台 発酵槽 400l 人件費給与 + 社会保険負担 千円 / 年関与率 10% イーストエクストラクト * 円 /g 添加量 26.5g/l **** 費用リン酸二水素カリウ添加物費ム ** 円 /g 添加量 11g/l **** 水酸化ナトリウム *** 円 /g 添加量 58.08g/l **** 転換費 電気 水等 40 円 /l 収入 委託収入廃グリセロール委託処理費 20 円 /l 販売収入 1,3-プロパンジオール価格 267 円 /kg * Alibaba.com(2016a) の値を日本円換算 ** Hebei Nongwei Biological Science And Technology Co.,Ltd (2016) の値を日本円換算 *** Alibaba.com(2016b) の値を日本円換算 **** 前培養と本培養との合計 4. コストの試算 4.1 実験室レベルでのデータによる試算現在 実験室レベルでは 濃度がおよそ 60g/l を初期濃度とし グリセロールを追加しながら合計 293.5g のグリセロールを 24 時間培養すると 1,3- プロパンジオール濃度が 45.4g/l 程になり これ以後ほぼ定常状態に落ち着く つまり 290g のグリセロールが 45.4g の 1,3- プロパンジオール濃度がに転換されたことになり 転換率は 15.5% と計算出来る 基本的な試算として この実験結果を基にコスト評価を行う まず 表 1 よりプラント設備建設費が 6,450 千円 これを 15 年で償却するため 年間投資額は 430 千円となる ここでは補助金はないものとする 次に人件費が 千円 / 年であるため この二つの費用を合計し 固定費は 千円 / 年となる バッチ処理を前提とし 24 時間毎にタンク内を入れ替えるとすると タンクの大きさは 400l で 年間 200 日稼働であるので 80,000l/ 年の廃グリセロールの処理が可能である このグリセロールを 1,3- プロパンジオールに転換するための可変費用は 80,000l/ 年とリットルあたりの総

4 転換費用 円 /l を乗じることにより 7,865 千円 / 年となる よってこの場合の総費用は 8,818 千円 / 年となる 次に年間 80,000l の廃グリセロール委託処理費用収入は 1,600 千円である 生成される 1,3- プロパンジオールの濃度は 45.4g/l であるので 年間の販売収入は 1,3- プロパンジオール濃度 年間処理量及び 1,3- プロパンジオール価格を乗ずることにより 千円 / 年となる これにより 年間総収入は 2, 千円 / 年となる 以上の計算より 現状の実験室レベルの条件を適用した場合 年間 6,248 千円の赤字となる 費用の内訳を見ると 図 2 の様になり 添加物費用と転換費用からなる総転換コストがそのほとんどを占めている 5% 6% 89% 図 2 実験室レベルでのデータによる費用内訳 4.2 バイオディーゼル燃料 (BDF) 生成時に発生する廃グリセロール利用による試算アルカリ触媒法による BDF 精製時にはグリセリンを 40% 程度含む粘凋性がやや高い液体の副産物が BDF 製造量の約 20% 発生する ( 石崎と岡崎 (2006)) この副生成物が廃グリセロールである グリセリンの比重は であるので これよりグリセロール濃度を g/l に換算すると g/l となる これを基に廃グリセロールから 1,3- プロパンジオールへの転換率の向上による収支への影響を分析した 実験室レベルでは 転換率は 15.5% と計算出来た これをベースとして 転換率 10% から 10% 刻みで収支計算を行った 図 3 に転換率と収支の関係を示す この結果 おおよそ 60% 以上の転換率になると事業は黒字化出来ることが明らかとなった 達成すべき転換率を詳細に分析することは 今後この開発を進める上で重要な要素であるため ここでは更に転換率 60% 以上の場合の修正計算を 1% 毎に行う 図 4 にこの場合の転換率と収支の関係を示す これにより 67% の転換率を達成することにより 収支が黒字になることが明らかになった 実験室レベルと異なりグリセリン濃度が高いため より 1,3- プロパンジオールの生産量を多くすることが出来るが 67% の転換率を達成するには更なる転換率向上のための考察が必要である

5 [ ] [%] 図 3 転換率と事業採算性の関係 [ ] [%] 図 4 転換率 60% から 75% における転換率と事業採算性の関係 4.3 生成装置規模と転換率の変化による試算上記までは 400l スケールの発酵槽をもつ生成装置を用いた試算を行ったが ここでは生成装置規模と転換率の変化による試算を行い 廃グリセロールの受け入れ量によって黒字となる転換率がどの程度変化するのかを分析した 図 5 にその結果を示す 転換率 62% までは 発酵槽の容量を 200 リットルから 1,000 リットルまで変化させた場合のいずれの容量においても黒字にはならなかった 63% の転換率で生成した場合は 1,000 リットルの発酵槽を用いて初めて黒字となることが明らかとなった この結果と前節の結果を比較することにより 容量を大きくし廃グリセロールの受入量を多くすることで黒字に必要な転換率を 4% 低減することが可能となる しかしながら 発酵槽の容量が 1,000l の場合 年間 200,000l の廃グリセロールの受け入れが可能となるが それだけの大規模な廃グリセロール生成施設を装置近くに持つ必要がある 発酵槽容量と廃グリセロールの年間受入量の関係を表 2 に示す

6 [ ] [l] 58% 59% 60% 61% 62% 63% 64% 65% 66% 67% 68% 図 5 発酵槽容量及び転換率と事業採算性の関係 ( 図中 58% 68% は転換率を表す ) 表 2 発酵槽容量と廃グリセロールの年間受入量の関係 発酵槽容量 (l) ,000 廃グリセロール年間受入量 (1,000l) 結論本研究では 微生物発酵を用いた廃グリセロールからの 1,3- プロパンジオール生成のコスト評価及び事業採算の達成条件を分析した 分析の結果 400 リットルの発酵槽を用いて生成を行った場合 67% 以上の転換率になると事業は黒字化出来ることが明らかとなった また 生成装置規模と転換率の変化による試算を行い 廃グリセロールの受け入れ量によって黒字となる転換率がどの様に変化するのかを分析した結果 1,000 リットルの発酵槽を用いて 63% の転換率で生成した場合に初めて黒字となることが明らかとなった 容量を大きくし廃グリセロールの受入量を多くすることで黒字に必要な転換率を 4% 低減することが可能となる 今後は バイオマスから 1,3- プロパンジオールを生成することによる CO2 削減量を元に 社会的費用の低減を鑑みた政府からの補助金を想定し これによる事業採算性への影響の分析を行う予定である < 参考文献 > Alibaba.com(2016a), html, アクセス日 2016 年 9 月 28 日 Alibaba.com(2016b), hydroxide-factory-csp-csf-price-naoh-99-caustic-soda-flake-pearl-solid-liquid-beads html?s=p, アクセス日 2016 年 9 月 28 日 C.S. Lee, M.K.Aroua, W.M.A.W. Daud, P.Cognet, Y.Pérès-Lucchese, P-L Fabre,O.Reynes, L. Latapie(2015), A review: Conversion of bioglycerol into 1,3-propanediol via biological and

7 chemical method, Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 42, February 2015, Pages Hebei Nongwei Biological Science And Technology Co.,Ltd (2016), %E5%B7%A5%E6%A5%AD%E7%94%A8%E3%82%B0%E3%83%AC%E3%83%BC%E3%8 3%89%E4%BE%A1%E6%A0%BC.html, アクセス日 2016 年 9 月 28 日石崎重信, 岡崎好子 (2006), バイオディーゼル燃料精製時の副生成物 ( 粗製グリセリン ) の添加が牛糞の堆肥化に及ぼす影響, 千葉県畜産総合研究センター研究報告第 6 号国税庁長官官房企画課 (2015), 平成 26 年度分民間給与実態統計調査 調査結果報告 中島敏明 (2015), 微生物によるバイオディーゼル廃グリセロールからの燃料生産, 平成 26 年度環境研究総合推進費補助金研究事業総合研究報告書, 平成 27 年 3 月中島敏明 (2016), 微生物によるバイオディーゼル廃グリセロールからの有用物質生産, 環境技術 別冊 Vol.45 No.5, 環境技術科学会, 佐藤俊, 福岡徳馬, 羽部浩 (2012),BDF 副生グリセリンを原料とするグリセリン誘導体の製造及び機能性化学品への応用, オレオサイエンス第 12 巻第 5 号湯川秀明 (2010), バイオファイナリー産業の実現へ向けて, 革新的環境技術シンポジウム資料, 2010 年 12 月 2 日 本研究は 国立研究開発法人科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業先端的低炭素化技術開発 (ALCA) 研究開発, 課題名 バイオ燃料廃棄物系バイオマスからポリマー原料への転換における基幹技術開発 における 環境インパクトを考慮したコスト計算と総合評価 の一部として行ったものである

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