電力中央研究所フォーラム2010 研究成果発表会環境部門 低炭素 持続可能な社会に向けたこれからの環境問題と対策技術 バイオテクノロジーを利用した 省エネ 資源循環技術 環境科学研究所 松本 伯夫 1
報告内容 低炭素社会に向けたバイオテクノロジー研究 研究の紹介 農業電化 : 次世代型植物生産技術の開発 資源循環利用 : 微生物を利用した革新的資源循環技術 社会動向 当所における研究成果 今後の展開 2
低炭素社会に向けたバイオテクノロジー研究 低炭素 持続可能な社会に向けた課題 温室効果ガスの削減 生物多様性の保全 3R の推進 環境リスクの低減 バイオテクノロジー関連対策技術の例 バイオマス利活用 農業の省エネ化等 遺伝資源の保全等 微生物利用資源循環技術等 有害物質の生物計測 排水の生物処理等 低炭素 持続可能な社会構築に向けての諸課題に対し バイオテクノロジーの側面から様々な対策技術が期待されている 3
低炭素社会に向けたバイオテクノロジー研究 わが国における現在実施中の主なバイオ関連プロジェクト (H21) 温室効果ガスの削減 共同型ハ イオカ スフ ラントを核とした地域ハ イオマス資源の導入促進事業 ( 国交省 ) CO 2 排出削減のための木質バイオマス利用拡大対策事業 ( 農水省 ) セルロース系エタノール革新的生産システム開発事業 ( 経産省 ) バイオマス等未活用エネルギー事業調査 ( 経産省 ) 二酸化炭素排出抑制に資する革新的技術の創出 ( 文科省 ) バイオ燃料地域利用モデル実証事業 ( 農水省 ) 植物機能を活用した高度モノづくり基盤技術開発 ( 経産省 ) etc... 3R の推進 微生物機能を活用した環境調和型製造基盤技術開発 ( 経産省 ) 廃棄物系バイオマス次世代利活用推進事業 ( 環境省 ) etc... 外部動向と当所保有基盤技術から次の研究に着目 4
低炭素社会に向けたバイオテクノロジー研究 当研究所における低炭素 持続可能な社会に資するバイオテクノロジー研究 低炭素社会に資する技術 地球温暖化対策 農業電化 次世代植物工場技術 水域環境評価 大気環境評価 生物環境評価 環境リスク評価 資源循環利用 微生物を利用した革新的資源循環技術 自然共生 循環型社会に資する技術 5
報告内容 低炭素社会に向けたバイオテクノロジー研究 研究の紹介 農業電化 : 次世代型植物生産技術の開発 資源循環利用 : 微生物を利用した革新的資源循環技術 社会動向 当研究所における研究成果 今後の展開 6
農業電化 : 次世代型植物生産技術の開発 植物工場とは? http://www.prinsusa.com/index.php 栽培環境を人工的に制御することにより 作物を効率的に生産する工場 安全 安心な食の提供 気候に左右されない農業を提供 農林水産省生産局生産流通振興課資料より ( 平成 21 年 ) 7
農業電化 : 次世代型植物生産技術の開発 農業における温室効果ガス発生量 ( 産業別比約 2%:3,570 万トン ) 約 1/4 が温室などによる燃料燃焼 (830 万トン ) 約 1/4 が肥料の過剰投入など (830 万トン ) 出典 : 施設園芸省エネルギーマニュアル 農林水産省生産局,2008 温室効果ガス排出量削減にヒートポンプなどを利用した次世代植物工場が期待されているが 削減効果の評価方法や実証データが不十分であり研究課題となっている 8
農業電化 : 次世代型植物生産技術の開発 次世代植物工場の普及状況と法整備 農商工等連携推進法 (H20.7 施行 ) 農業革命 ものづくりの一環として 工 の先端技術を 農 へ活用 植物工場モデル事業 自治体 大学 民間企業のモデル事業や公共教育施設に国の補助 農業再生に向けた取り組みとして推進 電化に伴う新規需要開拓や地域貢献に好機も 次の課題もある 日本国内の植物工場マップ (2009 年 4 月現在 ) 農林水産省生産局生産流通振興課資料より ( 平成 21 年 ) 9
農業電化 : 次世代型植物生産技術の開発 次世代植物工場の実用に向けた主な課題 熱源の最適化ボイラーからヒートポンプへ 新たな栽培法増産 効率的養分供給 栽培種拡大 高付加価値化 温室効果ガス削減効果評価法の確立と実証 経済性の評価環境制御による生産性向上などによる経済性確保の実証 写真 : 農林水産省生産局生産流通振興課資料より ( 平成 21 年 ) 10
農業電化 : 次世代型植物生産技術の開発 熱源の最適化 ( ボイラーからヒートポンプへ ) 次世代植物工場における温熱環境の最適化 3 次元流体力学モデルの構築 モデルの構築を行うことによって 時間変化を伴う温室内の環境変化を予測 ( 例 ) 温室の中央断面上の気流分布イメージ 環境変化予測 効率的なヒートポンプ利用方法 ヒートポンプ普及促進 低炭素化 11
生育量 (%) 農業電化 : 次世代型植物生産技術の開発 新たな栽培法 ( 増産 効率的養分供給 栽培種拡大 高付加価値化 ) 次世代植物工場にむけた効率的養分供給 40% の肥料濃度 100 40% 肥料 + 特定物質添加 肥料供給法によるレタスの生育の変化 80 60 40 20 0 通常の肥料濃度 0.4 0.4 1.0 試験区 肥料濃度とレタスの生育量の関係 40% 肥料濃度 40% 肥料濃度 + 特定物質追加 特定物質を微量に添加するだけで通常の 0.4 倍濃度の培養液でも生育が可能も 生産安定性や品質面から実用的課題もある 栄養分節約 温室効果ガス削減 ソフト化 コスト削減 経済性向上 12
農業電化 : 次世代型植物生産技術の開発 新たな栽培法 ( 増産 効率的養分供給 栽培種拡大 高付加価値化 ) 次世代植物工場による高付加価値作物の生産 光の波長制御による高付加価値化 波長制御による栽培技術の確立 ハッカ カンゾウマオウ 成長制御 医薬品の製品 ( 漢方 ) 白色光照射でポリフェノール含量が増大 13
農業電化 : 次世代型植物生産技術の開発 次世代型植物生産技術 2010~2014 要素技術開発 ヒートポンプの効率的利用 ( 温熱環境予測やエネルギー効率の算出 ) 効率的養分供給 光利用により高付加価値化 農林水産省植物工場実証 展示研修事業千葉大学拠点におけるフィールド試験などに協力して実証 今後の展開 2015~ フイールド実証試験 生産量及び経済性の評価 温室効果ガス削減効果の見積もり 千葉大学柏の葉キャンパス次世代植物工場完成予想図 ( 平成 22 年度 ) アウトカム ( 波及効果 ): 環境制御への電気利用機器の普及促進や栽培ソフトの提供 食の安全に配慮した省エネ型の農業生産の提供 http://www.prinsusa.com/index.php 14
報告内容 低炭素社会に向けたバイオテクノロジー研究 研究の紹介 農業電化 : 次世代型植物生産技術の開発 資源循環利用 : 微生物を利用した革新的資源循環技術 社会動向 当所における研究成果 今後の展開 15
資源循環利用 : 微生物を利用した革新的資源循環技術 我が国のバイオマスの利用可能量 我が国の主要バイオマスエネルギー賦存量 :1,261PJ/ 年 ( 原油換算で約 3,300 万 kl/ 年 ) 日本の一次エネルギー供給量の 6% に相当 ( 出典 :H14 年経済産業省 ) 半分程度は含水系バイオマス 日本の一次エネルギー供給 23,000PJ/ 年 PJ( ペタジュール ) =10 15 J 微生物を利用したメタン発酵に期待 16
資源循環利用 : 微生物を利用した革新的資源循環技術 エネルギー事業におけるバイオマス資源の位置づけ 2002 年電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法 (RPS 法 ) 成立 2009 年エネルギー供給構造高度化法成立 ( ガス 石油事業者にも非化石エネルギー源の利用促進を促すもの ) エネルギー事業者にとってバイオマス資源の位置づけが年々重要になってきている 17
資源循環利用 : 微生物を利用した革新的資源循環技術 微生物によるバイオマス再資源化技術 世界の潮流 酵素 医薬品 エタノール ( 燃料 ) バイオマス バイオマスは 燃料物質生産のみならず 医薬品 プラスチックなどの高付加価値物質生産も視野に入れられている 微生物 樹脂 接着剤 メタンガス * バイオプラスチック *:http://eco.nikkeibp.co.jp/article/report/20090708/101816/?p=2 18
資源循環利用 : 微生物を利用した革新的資源循環技術 微生物によるバイオマス再資源化技術 海外の事例 オランダ PURAC 社 キャッサバから乳酸年間 75kt の生産 米国 NatureWorks 社 年産 70kt のポリ乳酸を生産 米国 DuPont 社及び Telles 社 PET ボトルの原料となる 1,3- プロパンジオールとポリヒドロキシアルカン酸生産 ブラジル B r a s k e m 社 サトウキビを原料にポリエチレンやポリプロピレンの製造に成功 19
資源循環利用 : 微生物を利用した革新的資源循環技術 バイオマス再資源化の課題 メタン発酵の高効率化安定化 高負荷運転 スケールアップ 経済性の評価 インフラの整備 次世代の資源循環を見据えた基盤研究 新たな再資源化技術の開発バイオマスからのものづくり 20
資源循環利用 : 微生物を利用した革新的資源循環技術 当所におけるバイオマス再資源化のアプローチ < 電気培養 > 微生物培養 電気 電気培養 : 当所独自の微生物培養法 微生物の生育を促進したり 反応を調節することが可能 21
資源循環利用 : 微生物を利用した革新的資源循環技術 メタン発酵の高効率化 ( 安定化 高負荷運転 ) 生ごみメタン発酵の高濃度運転 メタンガス発生量 4,000mL/day メタンガス発生量 8,000mL/day 生ごみスラリー + 微生物 電気培養 2 倍の生ごみ量でも安定したメタン発酵を実現 メタン発酵微生物の生育環境を電気的に最適化することに成功従来の 2 倍量の生ごみを処理可能になった メタン発酵の電気培養 未利用バイオマスの再資源化に役立つ技術として期待 22
資源循環利用 : 微生物を利用した革新的資源循環技術 新たな再資源化技術の開発 ( バイオマスからのものづくり ) 電気による微生物物質生産能力の向上 大腸菌 電気培養 菌体 2.6 倍 普通の培養 バイオマス 電気培養 物質生産能力 ( 酵素 プラスチックなど ) 酵素やバイオプラスチックなどを作れるようにした大腸菌を 電気培養 することで物質生産能力を約 12 倍向上させることに成功 バイオマスからの高効率物質生産技術として期待 23
資源循環利用 : 微生物を利用した革新的資源循環技術 微生物を利用した革新的資源循環技術 ~ 実用化へのステップ ~ ラボスケールベンチスケール実証試験実用化 メタン発酵の高効率化 メタン発酵を電気で最適化 スケールアップ安定性向上生ごみの種類 経済性評価インフラの整備 バイオマスの再資源化低炭素へ貢献 求められる要素技術 複合微生物制御バイオエンジニアリング 社会経済評価市場分析 電気による微生物物質生産能力の向上 大腸菌の物質生産能力向上 微生物の代謝を電気で制御する原理究明 スケールアップ反応の最適化製品回収率向上 様々な発酵プロセスへ適用 ( 発酵産業へ ) 電気利用による発酵産業の高効率化再資源化 省エネへ貢献 24
資源循環利用 : 微生物を利用した革新的資源循環技術 微生物を利用した革新的資源循環技術 2010~2014 今後の展開 2015~ メタン発酵の高効率化生ごみメタン発酵の高濃度運転 (NEDO 受託研究 ) 数 L 規模のベンチスケール実証 実証試験 自治体等との連携によるプラント実証を検討 新たな再資源化技術の開発 ( バイオマスからのものづくり ) 物質生産も含めたバイオマス資源循環のための基盤研究 低炭素 資源循環につながるバイオプロセスの提案へ アウトカム ( 波及効果 ): 未利用バイオマスからの高効率エネルギー回収の実現 未利用バイオマスからの物質生産技術の提案 25