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。・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。 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 45.46 万円に1.3-15％の社会保険料負担分を上乗せした、522.79 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 98.32 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 * 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 522.79 千円/年であるため、 この二つの費用を合計し、固定費は952.79 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 費用/収入 項目 名称 金額 単位 備考 費用 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 522.79 千円/年 関与率10% 添加物費 イーストエクストラ クト 1.224* 円/g 添加量26.5g/ℓ**** リン酸二水素カリウ ム 0.091** 円/g 添加量11g/ℓ**** 水酸化ナトリウム 0.428*** 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転換費用98.32 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、969.35 千円/年となる。これに より、年間総収入は2,569.35 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。 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 1.216 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、 504.4 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% 6% 89%
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。 -7000 -6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 [ ] [%] -1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 [ ] [%]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
5. 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),https://japanese.alibaba.com/product-detail/yeast-extract- 60123074831.html,アクセス日 2016 年 9 月 28 日 Alibaba.com(2016b), https://japanese.alibaba.com/product-detail/industry-grade-sodium- hydroxide-factory-csp-csf-price-naoh-99-caustic-soda-flake-pearl-solid-liquid-beads-1900424182.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
-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 [ ] [ℓ] 58% 59% 60% 61% 62% 63% 64% 65% 66% 67% 68% 発酵槽容量(ℓ) 200 300 400 500 600 700 800 900 1,000 廃グリセロール 年間受入量 (1,000ℓ) 40 60 80 100 120 140 160 180 200
chemical method”,Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 42, February 2015, Pages 963–972
Hebei Nongwei Biological Science And Technology Co.,Ltd (2016), http://jp.hebeinongwei.com/tag/Kh2Po4-%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, 2016.5 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。
