バイオテクノロジーを利用した省エネ・資源循環技術...2010/10/27 · Title バイオテクノロジーを利用した省エネ・資源循環技術 Author Created

電力中央研究所フォーラム2010

研究成果発表会環境部門「低炭素・持続可能な社会に向けたこれからの環境問題と対策技術」

〔1〕Copyright © 2010 CRIEPI 2010/10/27

バイオテクノロジーを利用した省エネ・資源循環技術

環境科学研究所

松本伯夫


低炭素社会に向けたバイオテクノロジー研究

研究の紹介

農業電化：次世代型植物生産技術の開発

資源循環利用：微生物を利用した革新的資源循環技術

社会動向

当所における研究成果

今後の展開

報告内容


温室効果ガスの削減

生物多様性の保全

３Rの推進

環境リスクの低減


低炭素、持続可能な社会構築に向けての諸課題に対し、バイオテクノロジーの側面から様々な対策技術が期待されている

バイオテクノロジー関連対策技術の例

バイオマス利活用、農業の省エネ化等

遺伝資源の保全等

微生物利用資源循環技術等

有害物質の生物計測・排水の生物処理等

低炭素・持続可能な社会に向けた課題



３Rの推進・微生物機能を活用した環境調和型製造基盤技術開発（経産省）・廃棄物系バイオマス次世代利活用推進事業（環境省）・etc...

わが国における現在実施中の主なバイオ関連プロジェクト（H21）

外部動向と当所保有基盤技術から次の研究に着目

温室効果ガスの削減・共同型ﾊﾞｲｵｶﾞｽﾌﾟﾗﾝﾄを核とした地域ﾊﾞｲｵﾏｽ資源の導入促進事業（国交省）・ＣＯ２排出削減のための木質バイオマス利用拡大対策事業（農水省）・セルロース系エタノール革新的生産システム開発事業（経産省）・バイオマス等未活用エネルギー事業調査（経産省）・二酸化炭素排出抑制に資する革新的技術の創出（文科省）・バイオ燃料地域利用モデル実証事業（農水省）・植物機能を活用した高度モノづくり基盤技術開発（経産省）・ etc...



地球温暖化対策

農業電化

大気環境評価

水域環境評価

環境リスク評価

生物環境評価

資源循環利用

低炭素社会に資する技術

自然共生・循環型社会に資する技術

次世代植物工場技術

微生物を利用した革新的資源循環技術

当研究所における低炭素・持続可能な社会に資するバイオテクノロジー研究



研究の紹介



社会動向

当研究所における研究成果

今後の展開

報告内容



植物工場とは？

農林水産省生産局生産流通振興課資料より（平成21年）

栽培環境を人工的に制御することにより、作物を効率的に生産する工場・安全・安心な食の提供・気候に左右されない農業を提供

http://www.prinsusa.com/index.php

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9f/Greenhouse.pdf



農業における温室効果ガス発生量（産業別比約２％：３,５７０万トン）・約1/4が温室などによる燃料燃焼（８３０万トン）・約1/4が肥料の過剰投入など（８３０万トン）

出典：「施設園芸省エネルギーマニュアル」農林水産省生産局,2008

温室効果ガス排出量削減にヒートポンプなどを利用した次世代植物工場が期待されているが、削減効果の評価方法や実証データが不十分であり研究課題となっている


次世代植物工場の普及状況と法整備


日本国内の植物工場マップ（2009年４月現在）

・農商工等連携推進法（H20.7施行）

農業革命、ものづくりの一環として「工」の先端技術を「農」へ活用

・植物工場モデル事業自治体、大学、民間企業のモデル事業や公共教育施設に国の補助

農業再生に向けた取り組みとして推進。電化に伴う新規需要開拓や地域貢献に好機も、次の課題もある

農林水産省生産局生産流通振興課資料より（平成21年）


次世代植物工場の実用に向けた主な課題


熱源の最適化ボイラーからヒートポンプへ

新たな栽培法増産、効率的養分供給、栽培種拡大、高付加価値化

温室効果ガス削減効果評価法の確立と実証

経済性の評価環境制御による生産性向上などによる経済性確保の実証

写真：農林水産省生産局生産流通振興課資料より（平成21年）



モデルの構築を行うことによって、時間変化を伴う温室内の環境変化を予測

熱源の最適化（ボイラーからヒートポンプへ）

次世代植物工場における温熱環境の最適化

３次元流体力学モデルの構築

（例）温室の中央断面上の気流分布イメージ

環境変化予測→効率的なヒートポンプ利用方法→ヒートポンプ普及促進→低炭素化


特定物質を微量に添加するだけで通常の0.4倍濃度の培養液でも生育が可能も、生産安定性や品質面から実用的課題もある


×0.4 ×0.4 ×1.00

20

40

60

80

100

生育量

(%)

試験区

肥料濃度とレタスの生育量の関係

40％の肥料濃度

40％肥料＋特定物質添加

新たな栽培法（増産、効率的養分供給、栽培種拡大、高付加価値化）

次世代植物工場にむけた効率的養分供給

４０％肥料濃度４０％肥料濃度+特定物質追加

肥料供給法によるレタスの生育の変化

通常の肥料濃度

栄養分節約→温室効果ガス削減→ソフト化→コスト削減→経済性向上



光の波長制御による高付加価値化

→成長制御→医薬品の製品（漢方）

波長制御による栽培技術の確立

ハッカカンゾウマオウ

新たな栽培法（増産、効率的養分供給、栽培種拡大、高付加価値化）

次世代植物工場による高付加価値作物の生産

白色光照射でポリフェノール含量が増大


次世代型植物生産技術今後の展開


フイールド実証試験・生産量及び経済性の評価・温室効果ガス削減効果の見積もり

・・

アウトカム（波及効果）：・環境制御への電気利用機器の普及促進や栽培ソフトの提供・食の安全に配慮した省エネ型の農業生産の提供

農林水産省植物工場実証・展示研修事業千葉大学拠点におけるフィールド試験などに協力して実証

千葉大学柏の葉キャンパス次世代植物工場完成予想図（平成22年度）

2010～2014

要素技術開発・ヒートポンプの効率的利用（温熱環境予測やエネルギー効率の算出）・効率的養分供給・光利用により高付加価値化

・・

2015～

http://www.prinsusa.com/index.php

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9f/Greenhouse.pdf



研究の紹介



社会動向

当所における研究成果

今後の展開

報告内容


我が国のバイオマスの利用可能量


我が国の主要バイオマスエネルギー賦存量：1,261ＰＪ/年（原油換算で約3,300万ｋＬ/年）

日本の一次エネルギー供給量の6％に相当（出典：Ｈ14年経済産業省）

半分程度は含水系バイオマス

微生物を利用したメタン発酵に期待

PJ（ペタジュール）=1015 J

日本の一次エネルギー供給23,000PJ/年


エネルギー事業におけるバイオマス資源の位置づけ


2002年電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法（ＲＰＳ法）成立

2009年エネルギー供給構造高度化法成立（ガス・石油事業者にも非化石エネルギー源の

利用促進を促すもの）

エネルギー事業者にとってバイオマス資源の位置づけが年々重要になってきている


微生物によるバイオマス再資源化技術世界の潮流


バイオマス

酵素・医薬品エタノール（燃料）

樹脂・接着剤

バイオプラスチック

微生物

メタンガス*

バイオマスは、燃料物質生産のみならず、医薬品、プラスチックなどの高付加価値物質生産も視野に入れられている

＊：http://eco.nikkeibp.co.jp/article/report/20090708/101816/?P=2


微生物によるバイオマス再資源化技術海外の事例


【米国NatureWorks 社】

年産70kt のポリ乳酸を生産

【米国DuPont 社及びTelles社】

PETボトルの原料となる1,3-プロパンジオールとポリヒドロキシアルカン酸生産

【オランダPURAC 社】

キャッサバから乳酸年間75kt の生産

【ブラジル B r a s k e m 社】

サトウキビを原料にポリエチレンやポリプロピレンの製造に成功


バイオマス再資源化の課題


メタン発酵の高効率化安定化、高負荷運転

新たな再資源化技術の開発バイオマスからのものづくり

経済性の評価

インフラの整備

次世代の資源循環を見据えた基盤研究

スケールアップ


当所におけるバイオマス再資源化のアプローチ


＜電気培養＞

微生物培養電気

電気培養：当所独自の微生物培養法。微生物の生育を促進したり、反応を調節することが可能


生ごみスラリー＋微生物

電気培養

メタンガス発生量メタンガス発生量

2倍の生ごみ量でも安定したメタン発酵を実現

メタン発酵微生物の生育環境を電気的に最適化することに成功従来の2倍量の生ごみを処理可能になった

メタン発酵の電気培養

メタン発酵の高効率化（安定化、高負荷運転）

生ごみメタン発酵の高濃度運転


8,000mL/day4,000mL/day

未利用バイオマスの再資源化に役立つ技術として期待


菌体→2.6倍

電気培養

普通の培養


酵素やバイオプラスチックなどを作れるようにした大腸菌を「電気培養」することで物質生産能力を約12倍向上させることに成功

大腸菌

電気培養

物質生産能力（酵素・プラスチックなど）

新たな再資源化技術の開発（バイオマスからのものづくり）

電気による微生物物質生産能力の向上

バイオマスからの高効率物質生産技術として期待

バイオマス


微生物を利用した革新的資源循環技術

～実用化へのステップ～


メタン発酵の高効率化

電気による微生物物質生産能力の向上

ラボスケールベンチスケール実用化

メタン発酵を電気で最適化

大腸菌の物質生産能力向上

微生物の代謝を電気で制御する原理究明

バイオマスの再資源化

低炭素へ貢献

スケールアップ安定性向上

生ごみの種類

実証試験

経済性評価インフラの

整備

スケールアップ反応の最適化

製品回収率向上

様々な発酵プロセスへ適用(発酵産業へ)

電気利用による発酵産業の

高効率化再資源化・省エネへ貢献

バイオエンジニアリング複合微生物制御社会経済評価

求められる要素技術・・・市場分析


微生物を利用した革新的資源循環技術今後の展開


2010～2014 2015～

メタン発酵の高効率化生ごみメタン発酵の高濃度運転

（ＮＥＤＯ受託研究）数Ｌ規模のベンチスケール実証

実証試験・自治体等との連携によるプラント実証を検討

新たな再資源化技術の開発（バイオマスからのものづくり）

物質生産も含めたバイオマス資源循環のための基盤研究

低炭素、資源循環につながるバイオプロ

セスの提案へ

アウトカム（波及効果）：・未利用バイオマスからの高効率エネルギー回収の実現・未利用バイオマスからの物質生産技術の提案

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