0

（独）産業技術総合研究所 （AIST)バイオマス研究センター (BTRC)研究センター長 坂西欣也

バイオマスエネルギーの現状と課題バイオマスエネルギーの現状と課題

バイオマス研究センター広島県呉市

資料１

1

バイオマスのエネルギー政策における位置付けバイオマスのエネルギー政策における位置付け

“炭酸ガス低減と地球環境保全が最重要課題”

・国内対策； バイオマスニッポン総合戦略との連携＝＞ 新エネ導入促進；RPS, バイオ燃料優遇税制等・海外対策； バイオマスアジア戦略の確立＝＞CDM活用、植林、砂漠化防止、CO2排出権取引等

課題：化石資源、特に石油（液体燃料）代替のためのバイオマスのエネルギー利用最適システム開発=>2010年新エネ導入目標 (1910万ＫＬ、特に、バイオ燃料：50万KL）達成とそれ以降の増産

2

バイオマス利用技術マップ

黒液の利用

セメントキルン中での燃焼

石炭との混焼

薪の利用

BDF（ローカル利用）

液体燃料

木質ペレット

メタン発酵

BDF（商業利用）

高付加価値物質

活性炭、木炭

バイオケミカルズ

バイオマスコジェネ

大規模プロセス バイオリファイナリー技術プラント利用技術

小規模プロセスローカルエネルギー技術 有価物回収技術

地産地消 産業利用

標準化

インフラ整備

3

産総研におけるバイオマス研究マップ

3) バイオマスシステム解析

資源作物( キャッサバ、サトウキビ、

オイルパーム等)

下水汚泥

森林バイオマス

農産廃棄物(稲わら、籾殻、バガス)

バイオマス 要素技術 目的生成物

炭化水素燃料、DME

エタノール

BDF、ケミカルズ

バイオプラスチックス

食品廃棄物

メタン

エタノール発酵1)非硫酸前処理

2)BTL(バイオマス・ツーリキッド)

メタン発酵

水素

水熱前処理

BDF(+グリセリン)

1),2),3):BTRCの重点研究

4

バイオ液体燃料の現状

BDF（バイオディーゼルフューエル）

原料：廃食油、植物油

バイオエタノール原料：草、木質

バイオエタノール原料：サトウキビ、トウモロコシ

BTL（バイオマスツーリキッド）原料：植物系バイオ

マス全般

資源量に限りがある。

実用化技術

ディーゼル代替、B5 ガソリン代替、E3

研究開発段階の技術

研究開発段階の技術

第一世代

第二世代バイオ原料油の水素化処理油（Bio Hydrofined Diesel、 BHD）

5

出所：「バイオマス・ニッポン総合戦略」（平成18年３月31日策定）

主なバイオマスの発生量と利用状況の変化

6

木質バイオマス

75%硫酸

糖化

水

固液

固液

リグニン

連続式発酵

濃縮濃縮

擬似移動層式クロマト分離

凝集性酵母

エタノール

蒸留

固液分離

粉砕粉砕

膜脱水膜脱水水

濃硫酸法（日揮／ＮＥＤＯ）鹿児島・出水

硫酸

CaO

中和

CaSO4

C５糖＋C６糖遺伝子組み換え

第１段

糖化

木質バイオマス粉砕粉砕希硫酸

固液分離固

液固

液

リグニン

KO11株

酵母菌

蒸留蒸留

エタノール

中和 C６糖発酵

C５糖発酵

二段希硫酸法フロー（月島機械）

中和

CaO

CaOCaSO4

CaSO4

第２段

糖化希硫酸

固液

固液

固液分離

C５糖

C６糖

遺伝子組み換え膜脱水

第１段

糖化

木質バイオマス粉砕粉砕希硫酸

固液分離固

液固

液

リグニン酵母菌

蒸留蒸留

エタノール

Ｃ５糖C６糖同時発酵

希硫酸法＋酵素法フロー（三井造船／ＮＥＤＯ）岡山・真庭

中和

CaO

CaSO4第２段

糖化酵素

C５糖

C６糖

C５糖

膜脱水

燃料へ

サトウキビ

燃焼／発電

圧搾

搾汁

発酵

蒸留

エタノール

九州沖縄農業研究センター／アサヒビール（沖縄・伊江島）

結晶化

バガス

砂糖

糖蜜

（絞りカス）

(モンスターケーン)

膜脱水

砂糖，熱・電力の併産による経済性向上

最近のプロジェクト（実証試験）

建築廃材（おが屑）・反応器容量600リットル 建築廃材・４トン／日

おが屑・２トン／日 ３０トン／年

7

前処理

特徴：(1)基本的に一つの反応槽で生産が進行するので、プロセスがシンプルになる。(2)一つの反応槽で生産が進行し、中間生成物の分離工程がないのでロスが少ない。

木粉添加

エタノール

糸状菌培養液添加

（糖化酵素）

粉砕法、水熱法

蒸留

一つの反応槽

C6・C5同時糖化発酵蒸留残渣：リグニンの利用

C6・C5同時糖化

組換酵母添加

NEDO バイオマスエネルギー先導技術研究開発／ワンバッチ式バイオエタノール製造技術の研究開発

C6：グルコースなど六炭糖のことで、従来の酵母が発酵可能。C5：キシロースなどの五炭糖のことで、従来の酵母が発酵できない糖を含む。

8

木質組織のモデル図木質組織のモデル図 セルロースセルロース

リグニンリグニンヘミセルロースヘミセルロース

メカノケミカル処理による酵素糖化促進のモデル

セルラーゼ酵素（約３～５ nm）

メカノケミカル処理（乾式粉砕）

粒径：20μm，分子運動：5nm

容易に接近

セルロースミクロフィブリル（約３ nm）

基礎実験装置（遊星型ボールミル）

木質構造の転換による酵素糖化性の向上

ブナ

（添付資料－産総研のバイオエタノール生産技術）

9

水熱処理とメカノケミカル処理の複合効果

水熱処理技術 メカノケミカル処理技術＋◎処理時間の短縮◎高効率化

木質系バイオマス（ユーカリ）

水熱処理技術

技術の融合

セルロース画分（固体）

メカノケミカル処理技術

ヘミセルロース画分（溶液）

酵素糖化試験

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0ｍｉｎ

30ｍｉｎ120ｍ

ｉｎ

0ｍｉｎ

30ｍｉｎ120ｍ

ｉｎ

セルロース糖化率 / ％

メカノケミカル処理時間

未処理 水熱処理

10

0

200

400

600

800

理論値 カクテル セルラーゼ

Arabinose

Galactose

Xylose

Mannose

Glucose

生成糖 (g/kg DM)

100％ 80％ 70％

5％（w/v) BM処理ベイマツ

10FPU/g DM セルラーゼ

1U/g DM マンノシダーゼ

45℃, 48 h, (pH 5.0)

糖化反応条件

0 200 400 600 800

ベイマツ

ヒノキ

Arabinose

Galactose

Xylose

Mannose

Glucose

稲わら

バガス

0 200 400 600 800

ユーカリ

ブナ

原料中の糖組成 g/kg DM

C6・C5発酵酵母の開発が必須

C6発酵酵母で高効率発酵

研究成果酵素カクテルを用いたボールミル処理バイオマスの糖化②糖化

11

セルラーゼ生産菌 アクレモニウム・セルロリティカス C1 株

セルラーゼの生産性を向上させる

目標方法① 方法②

アクレモニウムセルラーゼ生産を誘導物質の検索

高セルラーゼ活性を有する突然変異株の取得

Acremonium cellulolyticus による高効率糖化酵素生産②糖化

オンサイト酵素生産

12

安価な原料の安定供給セルロース系原料の価格が15円/kgとすると、エタノール１L当たりの原料コストは50～60円程度となる。想定されるエタノール工場は、原料を１日当たり数百トン必要とする。また、特に稲わらなど農産廃棄物は腐りやすく、季節性がある点が課題。

経済性の高い生産技術前処理： 低環境負荷・経済性・低酵素要求性糖化： 酵素生産コストの低減発酵： キシロース発酵速度の向上

国産バイオエタノール実用化への課題

13

2000-2010Fuel technologies for urban environment

2010-2020Fuel technologies for mini-minimizing fuel consumption

Petroleum

S-free gasoline

S-free diesel

S-free・low-aroma・low-olefins and high octane gasoline

S-free・low-aroma diesel

Natural Gas

Biomass

Coal

Heavy Oils

SyngasCO/H2

FT Synthesis,

GTL / BTL

DME

Methanol

H2 for Fuel CellH2

*PM,NOx reduction *Advanced end-of-pipe technologies

*CO2 reduction *New engine system/new fuel

２）超低環境負荷クリーン燃料製造におけるBTLの重要性

S-free,Aroma-free

Energy security

2020-

Designed fuel

etc.

14

BTLとは？バイオマスからFT軽油を製造する技術

杉木部 稲わら

農業廃棄物など合成ガス製造

Fischer-Tropsch合成

水素化分解／異性化

FT Diesel他にFT Naphtha FT Kerosene

H2/CO 比調整ガスクリーニング

•バイオマスから合成ガスを製造する技術:*ガス化、ガスクリーニング、水素／CO比調整

•合成ガスの液化技術:*Fischer-Tropsch合成, ワックス分解／異性化による軽油分への変換、*その他：DME合成

DME

多段階の反応－触媒を中心とした産総研の技術連携

15

Hydrocracking/isomerization

catalysts

MD

C20+ wax

Naphtha (C10-)

Middle-distillate (C10-C20)

C20+ wax

Targets in C20+ wax upgrading: * conversion >80% * selectivity to MD >75% * iso-paraffins in MD >65%

Quality of MD: * Sulfur < 1ppm * Aromatics ~ 0 * Cetane No.>70

水素化分解／異性化反応の目標

MD

R R

RFT粗油（wax）

FT軽油

水素化分解

異性化

C10-ｶﾞｿﾘﾝ,ガス

16

産総研におけるBTL（バイオマスツーリキッド、Biomass to liquid）プロセス開発

FT合成

1) H2/CO=22) CO収率>35％

1) CO Conv.> 70%2) C5+Sel. > 85%3) a > 0.9

AIST技術の特徴

噴流床ガス化によるH2/CO比調整が不要なガス化技術の開発

活性炭を用いた乾式ガス精製

高ワックス/水素化分解の2元機能触媒の開発

個々の目標値

1) S<0.1ppm

トータルシステムの目標値生成量：16L/日、セタン価>70、S<1 ppm、中間留分収率：20 wt%以上、芳香族 ～0%、

2007年度に、1.6L/日規模の実験プラントをセンター内で稼働

実用化の一つのイメージ

ガス化ガス精製

フィッシャートロップシュ（FT）合成

BTL（ディーゼル燃料）

水素化分解異性化反応

可搬型プラントへ

17

３） シミュレーションによるバイオマス転換システム評価技術

経済性・環境適合性評価＆ETBE・BTL製造システムの最適化

ETBE・BTL製造プロセスモデル

炭素収支

エネルギー収支

変換効率

環境負荷量(LCA)

トータルコスト

投資回収年

■エタノール＆ETBE製造技術： 水熱メカノケミカル糖化法の連続プロセスとしての優位性■エタノール＆ETBE製造技術： 吸着アルコール分離式エタノール発酵技術の優位性■BTL製造技術： 活性炭利用クリーンガス化・FT触媒・水素化触媒による合成プロセスの最適組み合せ

期待される成果；

木材 水 水 水

50 90 320

炭酸ガス

３KＧ蒸気 ETOH500

240化 空気 水

250 冷却水600

850 630９５℃温水 五炭糖

水 71 六炭糖840 水

270 640120 130 400 炭酸ガス

430150

灰分 灰分 415 冷却水205 530

190810 670

３KＧ蒸気 690水800 660 460 445 冷却水

680180 乳酸

830 465９５℃温水 空気 炭素材 メタン 水 乳酸

水 水 六炭糖820 冷却水 水 六炭糖

水

炭酸ガス ギ酸メチル 炭酸ガス ﾌﾟﾛﾊﾟﾝｼﾞｵｰﾙ水、窒素 メタノール 六炭糖、水 六炭糖

水

2.9

29.3

29.3

29.3

29.3発電

42.2

16.95.1

第２燃焼

水熱処理

五炭糖ETOH発酵

水蒸気改質

11.8

ｸﾛﾏﾄ分離１

六炭糖酵素糖化

貯蔵３

蒸発

16.4

9.6

五炭糖酵素糖化

75.7

107.2107.2 75.7

第２粉砕

16.1 107.2

68.5

107.2

68.5熱交換２

空気圧縮２

191.8

熱交換４

空気圧縮１

68.5

0.041.6

13.2

炭化

1.64

熱交換３

第１燃焼

貯蔵１ 濾過

15.1

1.5

40.6

31.5

熱交換１

固液分離＆爆砕

第１粉砕

75.7

ｸﾛﾏﾄ分離２

19.2

2.0

40.6 53.8

貯蔵２

1.1

2.8 8.5

MEOH合成

40.6

40.611.4

1.3

12.6

MFOR合成

貯蔵５

貯蔵７ﾌﾟﾛﾊﾟﾝｼﾞｵｰﾙ濃縮

ﾌﾟﾛﾊﾟﾝｼﾞｵｰﾙ発酵

39.5

6.7

乳酸発酵水

12.6

六炭糖ETOH発酵

水

貯蔵４

ETOH蒸留

1.0

1.3

1.7

15.9

ﾌﾟﾛﾊﾟﾝｼﾞｵｰﾙ貯蔵６

乳酸蒸留

炭酸ガス水、窒素灰分

入力 出力シミュレーション

物質収支前提条件

・固液分離・酵素糖化・エタノール発酵・FT合成・・・・

熱物性値

・燃焼熱・含水率・標準生成熱・エンタルピー・・・・

木材組成

・分子構造・分子組成・元素組成・・・・

価格データ

・装置・プロセス・生産物・・・・

解析項目・エネルギー収支・物質収支・コスト分析

CO2

18

単純投資回収年＝投資総額（固定費：267億円）／単年度回収費

単年度回収費＝製品販売額（液体燃料:60円/L）－人件費、保守費等

0

5

10

15

20

25

30

-5000 0 5000 10000 15000 20000

木材価格

単純投資回収年

間伐材

林地残材

製材残材

建設廃材

ETBE・BTL生産システムの経済性検討

（円／トン）

19

・自動車等輸送用燃料の代替による二酸化炭素削減・国内資源によるエネルギー生産技術・バイオマス系新産業・新規雇用の創出

セルロース，ヘミセルロース

前処理技術＋酵素糖化技術

・低環境負荷・低コスト

リグニン

発酵技術

ガス化技術

エタノール

ＥＴＢＥ 合成ガソリン・ディーゼル燃料，ＤＭＥ

輸送用液体燃料

木質系バイオマス

総合システムの開発

ガス化技術

波及効果

木質系バイオマスからの液体燃料製造トータルシステム開発木質系バイオマスからの液体燃料製造トータルシステム開発

20

日本知財＆技術

アジア資源, 技術、効率、経済性

R&DにおけるWin/Win協力体制

•アジア全体基盤•バイオマス産業•新規産業＆市場の創成

1. 新エネルギー製造 (輸送用燃料: バイオエタノール、BDF 等)

2. バイオマス利用によるCO2削減

3. バイオマテリアル生産

4）持続可能な成長のためのバイオマスアジア戦略

21

＜概要＞アジアに大量に賦存するバイオマスの相互有効利用のため、資源・技術・人材育成のネットワークを構築＜研究内容＞バイオマス利用は地域特性が高く、また資源・技術も多種多様である。国別、資源別の賦存量等のデータベースを作成し、研究機関間の分散型ネットワークを構築。（例えば、タイ・ベトナムのライス・シュガーエネギー・コンプレックス、マレーシア・インドネシアのパームエネルギー・コンプレックス、ウッドリファイナリー構想を展開中）＜開発技術の波及効果＞・CDM事業展開へのガイドブック、支援・バイオエネルギー・ケミカルズ輸出入事業支援 等＝＞ ASEANバイオマスにおける農工連携

の推進

森林の育成

CO2排出源対策、ローカルエネルギー供給

液体燃料、ケミカルズ

ＣＤＭ

ＣＤＭ

生産系バイオマスのエネルギー・物質変換

クレジット

技術供与、投資

日本

フィリピン

インドネシア

タイ

中国

ベトナム

マレーシア

ネットワーキングネットワーキング

アジア諸国→“両者にメリットのある相互補完的な共同研究開発”←日本

バイオマス・アジアネットワーク

BDFは、植物油をメチルエステル化して製造。世界で大豆油生産量3000万t/年、パーム油2500万t/年。パーム油生産は、マレーシアとインドネシアが大部分を占める。

22

バイオマスの研究展開

廃棄物系

木質系草木系

ガス転換

分散型エネルギー源

水素転換

ガス転換 軽油転換

エタノール発酵

運輸用液体燃料製造

国際展開

ETBE

石油代替化学原料

be

風力発電

燃料電池

水素

電力ネットワーク

ガス・水素ネットワーク

バイオマスガス

太陽光

BTL技術 ディーゼル燃料

ガソリン添加剤

国内ローカルエネルギー

アジアのローカルエネルギー

アジアのプランテーション

バイオリファイナリー

2005年

2010年

2020年

地域連携課題

重点課題

長期的課題

23

バイオマス資源の利活用トータルシステムの構築（まとめ）

小規模分散型・高付加価値製品・輸送容易

大規模集中型・低価格製品・輸送困難製品

切り出しコスト 運搬コスト製造コスト

廃棄物処理・リサイクル技術と融合

保管コスト販売コスト

地産地消

大規模製材所

森林の育成

CO2排出源対策、ローカルエネルギー供給

液体燃料、ケミカルズ

ＣＤＭ

ＣＤＭ

生産系バイオマスのエネルギー・物質変換

クレジット

技術供与、投資

日本

フィリピン

インドネシア

タイ

中国

ベトナム

マレーシア

ネットワーキングネットワーキング

適材適所でコスト削減（原料→製造→製品）

海外展開

木質系バイオマス

間伐材丸太チップおが屑，カンナ屑建築系（柱･･･）

単一樹種高純度混合物樹皮廃棄物

事業形態