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バイオリファイナリーの研究開発動向
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限りある資源である化石資源の代替として、また、カーボンニュートラルの観点から、バイオマスを再生エネルギーとして利用する技術が期待され研究開発が行われてきました。さらにもう一つの化石資源利用の要である化学製品化「石油リファイナリー」に代わる「バイオリファイナリー」も注目されています。特に、非可食である木材や稲わらなどセルロース系のバイオマスを原料とした化学品製造のプロセスの実現化・簡易化に関する研究開発が広い分野で行われています。 この調査レポートはバイオマス利用のための「バイオリファイナリー」技術について、最近の動向を調査して報告したものです。
□体裁 A4判 296ページ □税込価格 71,400円 (本体68,000円、消費税3,400円) □送料 弊社負担 □発行 2011年9月 |
章 目 次
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第1章 バイオマスとバイオリファイナリー |
詳 細 目 次
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| 第1章 バイオマスとバイオリファイナリー | 1 |
| 1.1 エネルギー資源としてのバイオマス | 1 |
| 1.1.1 バイオマスの種類と構成 | 1 |
| (1) セルロース系バイオマス | 1 |
| (2) バイオマスの分解 | 2 |
| 1.1.2 バイオリファイナリー研究開発プログラム | 3 |
| (1) DOEおよびUSDAの動向 | 3 |
| (2) NEDOの動向 | 8 |
| (3) 文部科学省科学研究費採択の動向 | 11 |
| 1.2 バイオマス利用の問題点 | 12 |
| 1.2.1 未利用残滓、利用済残渣の有効利用 | 12 |
| (1) 廃棄物(利用済残渣)の現状 | 12 |
| (2) バイオマス系廃棄物の糖組成 | 13 |
| (3) バイオマス系廃棄物利用の課題 | 13 |
| 1.2.2 生産のエネルギー効率 | 13 |
| (1) コーンエタノールとセルロース系エタノールの比較 | 14 |
| (2) セルロース系エタノールのエネルギー効率 | 15 |
| (3) 水生植物を用いた水質浄化とバイオマス生産効率 | 15 |
| (4) 藻類の利用効率 | 19 |
| (5) 林産資源の確保 | 22 |
| 1.2.3 カーボンニュートラル | 23 |
| 第2章 バイオファイナリーに係わる生物 | 26 |
| 2.1 生体触媒としての微生物の育成 | 26 |
| 2.1.1 微生物育成の目的 | 26 |
| (1) セルロース分解性微生物 | 26 |
| (2) 微生物と解糖代謝経路 | 30 |
| 2.1.2 酵母の細胞表層提示技術(アーミング技術) | 36 |
| (1) 酵母細胞表層ディスプレイシステム | 37 |
| (2) セルラーゼを細胞表層提示したアーミング酵母(神戸大学) | 38 |
| (3) セルロースとヘミセルロース両方の分解機能の付与 | 38 |
| (4) 人工セルロソーム(豊田中央研究所、三重大学) | 39 |
| 2.1.3 グルコース耐性を有するβ‐グルコシダーゼの発現 (産業技術総合研究所) |
41 |
| 2.1.4 Corynebacterium glutamicum (RITE菌)の形質転換体と培養 | 43 |
| (1) RITEのバイオプロセス | 43 |
| (2) 阻害物質への耐性を示す酵母の開発 | 44 |
| (3) コリネ型細菌の形質転換 | 45 |
| 2.1.5 宿主細胞ミニマムゲノムファクトリー(MGF)の開発 | 45 |
| (1) 大腸変異株(MGF-01株)のゲノム削除(協和発酵キリン) | 46 |
| (2) 枯草菌RGF(花王 他) | 46 |
| 2.1.6 有機溶媒耐性微生物の探索(大阪府立大学) | 49 |
| (1) 有機溶媒存在下で機能する酵素 | 49 |
| (2) 有機溶媒耐性酵素を生産する有機溶媒耐性微生物の探索 | 49 |
| 2.2 植物バイオマス生産の制御 | 51 |
| 2.2.1 リグノセルロース系バイオマス植物 | 51 |
| (1) リグニンの構成 | 51 |
| (2) リグニンの改変技術(京都大学) | 52 |
| (3) 遺伝子操作によるリグニン量の制御 | 55 |
| (4) 維管束木部の道管要素の分化を制御 (理化学研究所、奈良科学技術大学院大学) |
57 |
| (5) その他の遺伝子の発現制御による形質転換体 | 59 |
| A.セルロース、ヘミセルロースの改変 | 59 |
| B.セルラーゼによる形態変化 | 60 |
| 2.2.2 油糧生産バイオマス植物の開発 | 62 |
| (1) 植物油総量の増大 | 62 |
| (2) 脂肪酸組成の改変 | 63 |
| 2.2.3 ショ糖・デンプン生産バイオマス植物の収量増大 | 63 |
| 2.3 藻の培養とオイル生産 | 64 |
| 2.3.1 オイル生産藻 | 64 |
| 2.3.2 藻の培養方法の検討 | 66 |
| (1) 試験プラント・デモプラントによる工業化技術開発(筑波大学) | 66 |
| (2) Asticcacaulis excentricus菌株の培養(デンソー) | 66 |
| (3) Pseudochoricystis ellipsoideaの大量培養検討(デンソー) | 67 |
| 2.3.3 藻類培養養殖のデモ段階あるいはパイロット・プロジェクト | 70 |
| (1) 米国のデモ段階あるいはパイロット・プロジェクト | 70 |
| (2) 日本国内での藻や水生植物培養の実績例 | 72 |
| A.DICグループによる開放池での特定藻類の大量培養 | 72 |
| B.琉球大学らによる微細藻類の培養や養殖に関する実証実験 | 72 |
| 第3章 セルロース系バイオマスの前処理 | 75 |
| 3.1 物理的前処理技術 | 75 |
| 3.1.1 微粉砕処理 | 76 |
| (1) 木材のミクロフィブリル化処理(産業技術総合研究所) | 76 |
| (2) 直接同時糖化発酵処理のための爆砕処理(徳島大学) | 79 |
| (3) 粉砕処理による酵素反応の促進(花王) | 80 |
| 3.1.2 蒸煮爆砕法 | 80 |
| 3.1.3 亜臨界水処理 | 81 |
| (1) 亜臨界水処理による木材の分解(森林総合研究所) | 82 |
| (2) 亜臨界水による籾殻分解 (純真短期大学、佐賀大学、産業技術総合研究所) |
84 |
| (3) 二酸化炭素を溶解させた水熱処理(名古屋大学、王子製紙) | 87 |
| 3.2 化学的前処理技術 | 87 |
| 3.2.1 アルカリ処理 | 89 |
| (1) AFEX(Ammonia fiber/freeze Explosion アンモニア爆砕法) | 89 |
| (2) アルカリ処理による低密度結晶性セルロース化 | 89 |
| A.低密度結晶性セルロース(東京大学) | 89 |
| B.アルカリセルロースIV型の調整 (東京大学、農業・食品産業技術総合研究機構) |
91 |
| (3) アルカリ蒸解、漂白処理により脱リグニン(森林総合研究所) | 92 |
| 3.2.2 イオン液体処理 | 93 |
| (1) 1‐ブチル‐3‐メチルイミダゾリウムクロライドを用いたセルロースの溶解 | 94 |
| (2) 1‐エチル‐3‐メチルイミダゾリウムクロライドを用いた木材液化処理 (京都大学) |
94 |
| (3) リン酸誘導体アニオンを用いたバイオマス可溶化技術(東京農工大学) | 96 |
| 3.2.3 有機溶媒処理 | 97 |
| (1) オルガノソルブ法による前処置 | 97 |
| (2) アルコール溶媒による前処理(産業技術総合研究所) | 97 |
| 3.2.4 相分離システム | 99 |
| (1) 相分離変換によるリグニンの分離(三重大学) | 99 |
| 3.3 生物的前処理技術 | 101 |
| 3.3.1 選択的白色腐朽菌を利用した前処理(京都大学) | 102 |
| (1) フェントン反応とリグニンの分解 | 102 |
| (2) 白色腐朽菌によるリグニンの分解機構 | 103 |
| (3) 白色腐朽菌大量培養システムの開発 | 105 |
| 3.3.2 その他のリグニン分解酵素高発現の選択的白色腐朽菌の開発 | 106 |
| (1) Phanerochaete sordida
YK-624を親株とするウラシル要求性変異株 (農業・食品産業技術総合研究機構、静岡大学) |
106 |
| (2) リグニンペルオキシダーゼの製造方法(青森県、環境テクノリサーチ) | 106 |
| 第4章 リグノセルロース系バイオマスの糖化促進法 | 110 |
| 4.1 酵素糖化法 | 111 |
| 4.1.1 加水分解酵素産生微生物による糖化液の製造(武蔵野化学研究所) | 111 |
| 4.1.2 イオン液体の環境制御によるセルラーゼの活性化 (豊田中央研究所、九州大学) |
113 |
| 4.1.3 廃棄物(利用済残渣)の酵素糖化 | 116 |
| (1) 食品工業廃棄物の酵素糖化法(岐阜大学) | 116 |
| (2) 稲わらの酵素糖化(農業・食品産業技術総合研究機構) | 118 |
| 4.1.4 糖化阻害リグニンの酸化分解抑制法(名古屋大学、三井造船) | 119 |
| 4.2 酸糖化法 | 121 |
| 4.2.1 酸糖化法の課題 | 121 |
| 4.2.2 多段酸糖化法(三重大学、王子製紙) | 122 |
| (1) ヘミセルロース系オリゴ糖の分離 | 122 |
| (2) セルロース系オリゴ糖の分離 | 122 |
| (3) 陰イオン交換膜による酸と糖液の分離 | 123 |
| 4.3 固体酸触媒による糖化法 | 124 |
| 4.3.1 クラスター酸触媒によるセルロースの加水分解(トヨタ自動車) | 124 |
| 4.3.2 陽イオン交換樹脂(東京農工大学) | 126 |
| 4.3.3 カーボン系固体酸触媒 | 127 |
| (1) 多環式芳香族カーボン系固体酸触媒 | 127 |
| A.作製方法(東京工業大学) | 127 |
| B.セルロースの糖化(神奈川科学技術アカデミー) | 129 |
| (2) カーボン系固体酸と酵素の組み合わせ(新日本石油、東京工業大学) | 129 |
| (3) 固体酸触媒と加圧熱水の組み合わせ(IHI、KAST、東京工業大学) | 131 |
| 4.3.4 マイクロ波照射下による糖化反応の促進(豊田中央研究所) | 131 |
| 4.3.5 光触媒を使ったセルロースの分解処理(宮崎大学) | 133 |
| 第5章 バイオマスからの燃料生産 | 138 |
| 5.1 バイオ液体燃料 | 138 |
| 5.1.1 バイオエタノール | 138 |
| (1) バイオエタノール製造技術の概略 | 138 |
| (2) 発酵プロセスの改良 | 140 |
| A.コリネ型細菌C.glutamicumを用いたバイオプロセス(RITE) | 140 |
| B.相分離システムを用いたバイオエタノール製造(荏原製作所) | 140 |
| C.凝集性酵母を用いた連続生産法(三井造船) | 142 |
| D.C6、C5混合糖化液におけるエタノールの収率向上 (JX日鉱日石エネルギー) |
145 |
| (3) 濃縮プロセスの改良 | 146 |
| A.パーベーパレーション処理による糖水溶液の濃縮(本田技研工業) | 146 |
| B.超音波霧化分離による糖化液の濃縮(霧化分離研究所、三井造船) | 148 |
| (4) 廃棄物を原料としたバイオエタノール製造 | 149 |
| A.建築廃材を主原料にしたバイオエタノール生産パイロットプラント(日揮) | 149 |
| B.脂質高含有食品廃棄物(中央化工機,三重大学) | 152 |
| C.固体廃棄物からのエタノール製造(東京農業大学) | 154 |
| D.紙類からのエタノール製造プロセス(日立造船) | 156 |
| E.合成ガスを原料とするエタノール発酵(三井造船) | 157 |
| 5.1.2 バイオブタノール | 160 |
| (1) ABE発酵 | 160 |
| A.ABE生産菌のブタノール生成代謝経路(ABE発酵代謝経路) | 160 |
| B.ABE発酵の問題点 | 162 |
| C.ABE発酵のプロセスの改良に関する検討 | 162 |
| a) 最近の研究開発 | 162 |
| b) Cell-recyclingによる高密度連続培養法(九州大学他) | 168 |
| D.高濃度ブタノール耐性のある菌株の育種 | 172 |
| (2) ABE発酵以外のバイオブタノールの製造 | 173 |
| A.Guerbet反応 | 174 |
| B.プロパノール発酵 | 175 |
| C.ガスからのブタノール製造 | 175 |
| D.遺伝子組み換え大腸菌によるブタノールの生産(RITE) | 176 |
| 5.1.3 バイオディーゼル | 179 |
| (1) バイオディーゼルの分類と製造ルート | 179 |
| (2) FAME(脂肪酸メチルエステル) | 180 |
| A.FAMEの製造法 | 180 |
| B.均相アルカリ触媒 | 181 |
| C.固定化酵素法(大阪市立工業研究所) | 183 |
| D.超臨界メタノール法 | 186 |
| E.イオン交換樹脂法 | 188 |
| F.無触媒過熱メタノール蒸気法 (農業・食品産業技術総合研究機構食品総合研究所、 東京大学、滋賀県立大学,鹿島建設) |
189 |
| G.副産物を生成しない無触媒製造法 (農業・生物系特定産業技術研究機構) |
190 |
| (3) 水素化バイオ軽油HBD | 190 |
| (4) FT合成油 | 192 |
| (5) DME(ジメチルエーテル) | 194 |
| 5.1.4 DMF(2,5-ジメチルフラン) | 195 |
| (1) 酸触媒を用いる方法 | 196 |
| (2) CrCl2を添加する方法 | 196 |
| (3) 燃料としての検討 | 197 |
| 5.2 バイオガス | 197 |
| 5.2.1 メタンガス | 197 |
| (1) メタン発酵 | 197 |
| (2) 水素・メタン二段発酵(広島大学) | 199 |
| 5.2.2 水素ガス | 203 |
| (1) 水素の製造技術の概要 | 203 |
| (2) 熱化学反応によるバイオマスからの水素製造 | 204 |
| A.触媒を用いたバイオマスのガス化による水素製造 (産業技術総合研究所) |
204 |
| B.部分酸化によるグルコースからの水素製造技術(東北大学) | 208 |
| C.高温高圧水/酸化チタンの複合技術による水素製造(大阪市立大学) | 210 |
| D.NaOH、水蒸気による一段階水素合成法(東京工業大学) | 212 |
| (3) 生物化学反応によるバイオマスからの水素製造 | 214 |
| A.光合成微生物による水素生産プロセス | 215 |
| B.非光合成微生物による発酵水素生産 | 217 |
| a)ギ酸からの水素生産(RITE) | 218 |
| b)グルコースからギ酸に至る代謝経路を活性化して水素を生産(RITE) | 219 |
| c)水素・メタン二段発酵のための水素発酵菌の探索(広島大学) | 220 |
| 第6章 バイオマスからの化学製品製造 | 226 |
| 6.1 バイオマスからの化学製品 | 226 |
| 6.2 基幹化学品の製造 | 226 |
| 6.2.1 バイオプロセスによるコハク酸、乳酸の生産 | 226 |
| (1) コネリ型細菌による製造法(RITE) | 227 |
| (2) 高分子多糖からの乳酸発酵(九州大学、京都工芸繊維大学) | 231 |
| (3) 細胞表層工学技術によるL-乳酸およびD-乳酸の生産技術の開発 (神戸大学) |
233 |
| 6.2.2 レブリン酸の生産 | 234 |
| (1) 加溶媒分解法(森林総合研究所) | 235 |
| (2) 触媒化反応(鹿児島大学) | 237 |
| 6.2.3 ソルビトール、HMFの製造 | 239 |
| (1) 触媒によるセルロース分解反応を用いたソルビトールの生成 (北海道大学) |
240 |
| (2) 高温高圧水-マイクロ空間反応場技術によるHMFの製造 (産業技術総合研究所) |
241 |
| (3) 有機酸を溶媒に使用するHMFの製造(キヤノン) | 244 |
| 6.2.4 バイオプロセスによるアミノ酸の製造 | 246 |
| (1) コネリ型細菌を用いる還元条件でのアミノ酸の製造法(RITE) | 246 |
| (2) アミノ酸発酵における生産プロセスの高効率化(味の素) | 247 |
| (3) 細胞表層提示技術を用いたL-リジンの生産(神戸大学) | 251 |
| 6.3 バイオアルコールからのオレフィン類の製造 | 252 |
| 6.3.1 プロピレン製造技術開発・実用化の動向 | 252 |
| (1) 石油化学資源からのプロピレン製造技術 | 252 |
| (2) バイオマス由来のプロピレン製造技術 | 252 |
| 6.3.2 エタノールからのエチレン、プロピレン製造技術 | 254 |
| (1) エタノールからのエチレン製造技術 | 254 |
| (2) プロピレン製造技術 | 255 |
| A.利用される固体酸 | 255 |
| B.メタセシス反応による製造(OCT法) | 255 |
| C.Ni/MCM-41触媒による直接プロピレン製造(東京工業大学) | 256 |
| D.リン酸塩素系ゼオライト触媒を用いたプロピレン転換(東京工業大学) | 257 |
| E.H-ZSM-5を用いたプロピレン転換(産業技術総合研究所) | 261 |
| 6.4 二次化学製品、中間体の製造 | 262 |
| 6.4.1 生体触媒を用いた医薬原料・医薬品中間体の製造 | 262 |
| (1) 有機溶媒耐性酵素の開発と医薬品中間体製造(富山県立大学) | 263 |
| (2) 糖質からのL-リボースの生産(三菱化学) | 264 |
| (3) 希少糖質の生産における糖類の異性化 | 266 |
| A.L-リボースイソメラーゼを用いた異性化(林原生物化学研究所) | 266 |
| B.L-ラムノースイソメラーゼによる異性化(希少糖生産技術研究所) | 267 |
| 6.4.2 界面活性剤の製造(産業技術総合研究所) | 268 |
| (1) バイオサーファクタントの種類と特徴 | 268 |
| (2) 微生物によるバイオサーファクタントの生産 | 269 |
| (3) MELのライフサイエンス分野への応用可能性 | 270 |
| 6.4.3 バイオマスからのプロピレングリコール(PG)の製造 | 271 |
| 6.5 バイオマスプラスチック | 272 |
| 6.5.1 バイオマスプラスチックの概要 | 272 |
| 6.5.2 化学合成系ポリマー | 274 |
| (1) 高L組成ポリ乳酸(LL-rich PLA)によるポリ乳酸の性能改善(京都工芸繊維大学) | 274 |
| (2) 完全バイオマス原料由来のポリマー合成(東レ) | 274 |
| 6.5.3 バイオ合成系ポリマー | 276 |
| (1) 共重合ポリエステルの微生物合成(東京工業大学) | 276 |
| (2) バイオポリエステルの超高分子量化と高強度繊維化(東京大学) | 279 |
| 第7章 バイオリファイナリーにおける副生成物等の利用と処理 | 284 |
| 7.1 バイオマスの処理と副生成物、廃棄物(残渣、廃液)等について | 284 |
| 7.2 バイオエタノールの副生成物と廃液の利用と処理 | 284 |
| 7.3 リグニンの利用技術 | 285 |
| 7.3.1 リグニンの精密分離と利用技術の開発(三重大学) | 285 |
| 7.3.2 微生物機能を用いたリグニンからのプラスチック原料の開発 (東京農工大学、長岡技術科学大学、森林総合研究所) |
286 |
| 7.4 バイオディーゼル廃グリセロールの有効活用技術 | 289 |
| 7.4.1 グリセロール(グリセリン)の状況 | 289 |
| 7.4.2 グリセロールからの有用化学物質の生産 | 291 |
| (1) 水素化分解によるグリセロールからのプロパンジオールの製造 (筑波大学) |
291 |
| (2) 微生物によるグリセロールの利用技術 | 292 |
| A.グリセロール(BDF廃液)からのエタノールの生産(筑波大学) | 292 |
| B.微生物によるグリセリン酸の製造技術(産業技術総合研究所) | 293 |
| C.微生物によるバイオプラスチックPHAの生産 (産業技術総合研究所、北海道大学、アグリバイオインダストリー、北清企業) |
294 |
| D.BDF製造工場廃液からの水素、エタノール生産(東京農工大学) | 295 |
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