rite - バイオリファイナリーの世界動向と 実用化に向けた取...

(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

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

World Economic Forum 2010

2

トウモロコシ価格推移 $/

Gal

lon

and

$/B

ushe

l

EthanolGasolineCorn

Ethanol

Corn

Gasoline

9.00

8.00

7.00

6.00

5.00

4.00

3.00

2.00

1.0006 07 08 09 10 12 1311

〔出典〕 Corn, Ethanol価格： CME Group Gasoline価格： The U.S. Energy Information Administration (EIA)

Year

3

4 4

セルロースエタノール実証状況

in 米国

セルロース系バイオ燃料導入計画 in 米国 Renewable Fuel Standard program (RFS2)

5

36 BG

〔出典〕 Energy independent and security act of 2007

0

5

10

15

20

25

30

35

40

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

2021

2022

Year

セルロース原料 バイオ燃料 16 BG

コーン原料

Bill

ion

gallo

ns

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

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2020

2021

2022

Bill

ion

gallo

ns

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

Mill

ion

gallo

ns

2010 2011 2012

EISA2007 RFS2

2013

1000

出典: Renewable Fuel Standard(RFS2)

Year Year

～

2014

1750

～

7 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

Mill

ion

gallo

ns

2010 2011 2012

EISA2007 RFS2

2013

1000

Year

～

2014

1750

～ 20

10

0 M

illio

n ga

llons

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 Mill

ion

gallo

ns

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

Mill

ion

gallo

ns

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 9

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

MGY：million gallons per year（3785KL/year） 25MGY＝9.5万KL/年

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）

10

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

11 11

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

12

（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

Con

cent

ratio

n（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.

実液混合糖（C6糖，C5糖）からのエタノール生成 13

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

RITEの取り組み 14

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 reactor

15 15

16

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

17

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

18

Integration in the NREL process

コーンストーバー 燃料エタノール 前処理・酵素分解 Zymomonas組換え菌

糖化工程 醗酵工程

RITEバイオプロセスへの置換

航空機によるCO2排出量 19

ICAO目標 ■燃費効率2%毎年改善 ■2020年以降CO2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 ･CO2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CO2排出削減対策 20

食料資源と競合しない 航空機用バイオ燃料への期待

出典：日本経済新聞2013年6月21日

百花繚乱のバイオジェット燃料技術開発 21

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

CH3 CH3

CH3butanol

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

OH

C12 - C18

オリゴマー化

BTL(Bioforming)

OHHOH2COH

OH

O

OHOH

OHHO

CH2OHO

trans-β-Farnesene

http://www.jica.go.jp/

http://biodiesel-news.com/

http://www.treehugger.com/

OHHOH2COH

OH

O

OHOH

OHHO

CH2OHO

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

RITEとしての取り組み 22

23

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 醗酵工程からの“Continuous extraction”

Acetolactate

2,3-Dihydroxyisovalerate

2-Ketoisovalerate

NAD+

NADH

Glucose

Isobutyraldehyde

Isobutanol

Lactate

x 2

ilvBN

NADP+

NADPH

ilvC ilvCTM

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

Metabolic Engineering for Isobutanol Production 24

25

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 70Is

obut

anol

(mM

)

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.

26

ブタノール阻害軽減効果の確認

27

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

－ ジェット燃料化技術

National Renewable Energy Laboratory

(NREL) Green Earth Institute(GEI)

/RITE

Non-food biomass

C6 & C5 Sugars

Bioethanol Biobutanol

US JAPAN

Green Chemicals

Joint research and development with DOE(NREL)

28

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。

29

30

かずさ研究施設

31

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

かずさDNA研究所 かずさﾊﾞｲｵ共同開発ｾﾝﾀｰ

32

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

33

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