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...
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(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
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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
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2008
2009
2010
2011
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2013
2014
2015
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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)
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0
Mill
ion
gallo
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EISA2007 RFS2
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Year
～
2014
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～ 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
