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

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

革新的環境技術シンポジウム2013

2013年12月4日

1

Biorefineries will generate $230 Billion by 2020

Biorefineries might be worth $300 Billion by 2030

World Economic Forum 2011

バイオリファイナリー：市場規模予測

トウモロコシ価格推移

$/Gallon and $/Bushel

Ethanol

Gasoline

Corn

Ethanol

Corn

Gasoline

9.00 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 06 07 08 09 10 11 12 13

〔出典〕

Corn, Ethanol価格： CME Group

Gasoline価格： The U.S. Energy Information Administration (EIA)

Year

4

セルロースエタノール実証状況

セルロース系バイオ燃料導入計画 in 米国

Renewable Fuel Standard program (RFS2)

36 BG

〔出典〕 Energy independent and security act of 2007

0

5

10

15

20

25

30

35

40

2

00

8

2

00

9

2

01

0

2

01

1

2

01

2

2

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3

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4

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5

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6

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7

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8

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9

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0

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1

2

02

2

Year

セルロース原料

バイオ燃料

16 BG

コーン原料

B

illio

n

gal

lons

セルロース系バイオ燃料導入計画 in 米国

Renewable Fuel Standard program (RFS2)

6

36 BG

出典: Energy independence and security act of 2007

0

5

10

15

20

25

30

35

40

2

00

8

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9

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0

2

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1

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2

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3

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4

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01

5

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0

2

02

1

2

02

2

B

illio

n

gal

lons

セルロース原料

_{バイオ燃料}

16 BG

コーン原料

500

400

300

200

100

0

M

ill

ion gal

lons

2010

2011

2012

EISA2007

RFS2

2013

1000

出典: Renewable Fuel Standard(RFS2)

Year _Year

～

2014

1750

セルロース系バイオ燃料導入計画 in 米国

Renewable Fuel Standard program (RFS2)

出典: Energy independence and security act of 2007(EISA2007), Renewable Fuel Standard(RFS2)

出典: Renewable Fuel Standard (RFS2)

500

400

300

200

100

0

M

ill

ion gal

lons

2010

2011

2012

EISA2007

RFS2

2013

1000

Year

～

2014

1750

～

20

10

0

M

ill

ion gal

lons

2010 2011 2012 2013

Year

2014

15

5

修正値

by EPA

8

セルロース系バイオ燃料導入計画 in 米国

Renewable Fuel Standard program (RFS2)

出典: Energy independence and security act of 2007(EISA2007), Renewable Fuel Standard (RFS2)

Year

Downward revision by EPA

6

4

2

0

M

ill

ion gal

lons

2010

2011

2012

2013

Year

0.02MG

0.3MG

（

_{by Oct.）}

実際の生産量

修正値

by EPA

6.0MG

500

400

300

200

100

0

M

ill

ion gal

lons

2010

2011

2012

EISA2007

RFS2

2013

1000

～

2014

1750

～

17MG

セルロースエタノール実証生産計画 in 米国

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

ノース

カロライナ

20

Energy crops

セルロースエタノール製造プロセス

非可食

バイオマス

燃料

エタノール

混合糖

C6

C5

OH OH OH HOH2C O OH OH OH CH₂OH O HO

分解

醗酵

（酵素）

C6糖

C5糖

非可食バイオマス

OH OH OH HOH2C O OH OH OH CH2OH O HO

混合糖

前処理

(加圧高温）

厳しい前処理

＊必要酵素量： 少

“天文学的”な酵素コスト

穏やかな前処理

＊

醗酵阻害物質

生成量： 少

trade off

＊

醗酵阻害物質

生成量： 多

＊必要酵素量： 多

酵素分解

工業化に障害： 醗酵阻害物質

バイオマス

前処理

（加圧高温）

醗酵

燃料エタノール

混合糖

酵素

分解

C6糖

C5糖

6

5

醗酵阻害物質

CHO

O

O

OH

エタノール醗酵阻害

（Zymomonas mobilis） （AX101） （Zhang M（NREL））

ザイモモナス

（Saccharomyces cerevisiae） （424A（LNH-ST）） （Ho NW（パデュー大））

酵母

（Escherichia coli） （KO11） （Ingram LO（フロリダ大））

大腸菌

C

onc

ent

rat

ion

（g/

L

）

60 50 40 30 20 10 0 80 40 0 120 160

Time（hr）

60 50 40 30 20 10 0 80 40 0 120 160 Glucose Xylose Ethanol 60 50 40 30 20 10 0 80 40 0 120 160

Time（hr）

Time（hr）

Bruce E Dale et al., Biotechnol. Biofuel. 3:11. 2010.

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

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

enzymatic hydrolysis reactors horizontal pretreatment

NRELとの共同研究

非可食バイオマス

各種前処理条件

(加圧高温）

酵素分解

C6糖

C5糖

OH OH OH HOH2C O OH OH OH CH2OH O HO

混合糖

RITEバイオプロセスにて

エタノール醗酵テスト

醗酵阻害物質に全く影響を受けない

厳しい前処理条件

必要酵素量： 少

高効率糖化実現

DOE目標 $2.15/gallon に目途

74.1

Pretreatment/

Conditioning

Feedstock + Handling

$2.15 / gallon

Enzymatic Hydrolysis

And Fermentation

Cellulase Enzyme

Distribution and Solids

Recovery

Wastewater Treatment

Storage Boiler/Turbogenerator : (Net) Utilities

28.8

20.2

33.8

12.1

33.5

2.3

4.3

6.3

DOE設定目標

✔糖化効率： 90%

酵素量： 20mg protein/g cellulase

✔醗酵収率： 90%

エタノール溶液

リアクター

ポンプ

Microfiltration

✓ Reactor is small due to high productivity

✓ Microfiltration more than compensates for reduced reactor cost

Integration in the NREL process

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

航空機によるCO

2

排出量

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

・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

2050年には輸送部門で最大との予測

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）

ICAO: International Civil Aviation Organization 国際民間航空機関

航空業界のCO

2

排出削減対策

食料資源と競合しない

航空機用

バイオ燃料

への期待

百花繚乱のバイオジェット燃料技術開発

ジェット燃料

<25% <5% CH3 S

成分調整

ヤトロファ 藻(Algae) カメリナ C H3 CH3 CH3 butanol ファルネセン 脂肪酸 バイオマス (セルロース系) O O O O O O 油脂：トリグリセライド

C10 - C15

パラフィン系

炭化水素

C12 - C18 O O H C12 - C18 オリゴマー化 BTL(Bioforming) OH HOH2C OH OH O OHOH OH HO CH2OH O trans-β-Farnesene http://www.jica.go.jp/ http://biodiesel-news.com/ http://www.treehugger.com/ OH HOH2C OH OH O OHOH OH HO CH2OH O syngas 水素化処理 酵素加水分解 化学変換 微生物変換 水素化処理 有機廃棄物 他 ガス化/熱分解 FT法

Biomass

・Pretreatment

・Saccharification

・Fermentation

・Dehydration

・Oligomerization

・Hydrogenation

・Distillation

Bio-Jet Fuel

(Renewable jet)

Butanol

Focus is on Biobutanol as a future renewable jet fuel

工業化への課題

✔

_{High performance菌株の育種}

✔

_{“ブタノール阻害”の回避策}

Acetolactate

2,3-Dihydroxyisovalerate

2-Ketoisovalerate

NAD

+

NADH

Glucose

Isobutyraldehyde

Isobutanol

Lactate

x 2

ilvBN

NADP

+

NADPH

ilvC

ilvC

TM

NAD

+

NADH

NAD

+

NADH

idh

kdc

L-Valine

Glyceraldehyde 3-phosphate

Glycerate 1, 3-bisphosohate

gapA

Overexpression of genes

encoding glycolytic enzyme

Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase

ilvD

Pyruvate + Pyruvate

NADH-preferring mutant

Coenzyme: NADPH

NADH

1) Nature 451:86-90. 2008.

2) Biotechnol. Biofuels 5:65. 2012. 3) Microb. Cell Fact. 11:101. 2012.

4) Nat. Biotechnol. 27:1177-1180. 2009.

5) Appl. Environ. Microbiol. 77:3300-3310. 2011. (Germany)

6) Biotechnol. Bioeng. 110:2938-2948. 2013 (our work)

Comparison by published papers

Microorganisms

Isobutanol

(g/L)

Isobutanol

productivity

(g/L/h)

Aerobic/

Anaerobic

Escherichia coli

1)

₂₂

_0.20

_{Micro-aerobic}

Saccharomyces cerevisiae

2)

_0.63

_0.007

_Aerobic

Bacillus subtilis

3)

_5.5

_0.09

_{Micro-aerobic}

Synechococcus elongatus

4)

_0.45

_0.003

_Aerobic

Corynebacterium glutamicum

5)

₁₃

_0.26

Shift to

oxygen deprivation

Corynebacterium glutamicum

6)

_25.4

_0.51

_{RITE bioprocess}

Isobutanol Producing Microorganisms

Yield (mol/mol%)

Without extraction

₅₇

Extraction

78

0

100

200

300

400

500

600

0

10

20

30

40

50

60

70

Is

o

b

u

ta

n

o

l

(m

M

)

Time (h)

Total

Solvent layer

Reaction layer

Solvent layer

(Oleyl alcohol)

Reaction layer

Biotechnol. Bioeng. 110:2938-2948. 2013 (our work)

Solvent extraction facilitates

increased yield of butanol.

早期実用化を目指して

✔

_{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

National Renewable

Energy Laboratory

(NREL)

Green Earth Institute(GEI)

/RITE

Non-food

biomass

C

6

& C

5

Sugars

Bioethanol

Biobutanol

US

JAPAN

Green

Chemicals

Joint research and development

with DOE(NREL)

Green Earth Institute株式会社

Green Earth Institute Co., Ltd.

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。

かずさｱｶﾃﾞﾐｱﾊﾟｰｸ

ﾎﾃﾙｵｰｸﾗ

NITEﾊﾞｲｵ

ﾃｸﾉﾛｼﾞｰｾﾝﾀｰ

バイオ燃料（エタノール、ブタノール他）

非食料バイオマス

C6糖

C5糖

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 C3 プロパノール C2 エタノール C4 ブタノール等 芳香族類 カルボン酸 アミン等 ６ ５

（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。 菌体触媒 （非増殖） 高生産性 混合糖完全同時利用可 発酵阻害物質耐性

＜RITEバイオプロセス＞

新規産業：バイオリファイナリー

ご清聴ありがとうございました

Contact Information:

mmg-lab@rite.or.jp

www.rite.or.jp