日本発の新技術により、東南アジアでのバイオエタノール生産拡大に貢献

実証事業とは現場で起こる問題を解決すること

山口大学、磐田化学工業そしてサッポロビールが進めてきた、「耐熱性酵母」による燃料用バイオエタノール生産技術が、タイでの実証事業の成功まで漕ぎ着けられたのには、どのようなブレークスルーがあったのでしょうか。

2010年度に行われた「国際エネルギー消費効率化等技術普及協力事業／技術実証事業FS／キャッサバパルプからのバイオエタノール製造技術実証事業（タイ）」と、続く2011～2015年度に行われた「国際エネルギー消費効率化等技術・システム実証事業／キャッサバパルプからのバイオエタノール製造技術実証事業（タイ）」では、山口大学と磐田化学工業が2007年度からのプロジェクトで明らかにした「耐熱性酵母」の特性を基に、サッポロビールがバイオエタノール製造のスケールアップを図りました。

三谷さんは、「この辺りのノウハウは、ビール会社で長年エンジニアをやっていると身についているものです。しかし、実証事業では、これまでの経験に裏付けられたノウハウを活かすばかりでなく、装置や実証プラントで起こるこれまで経験したことのない問題にも対応しなければなりません。現場で試験して初めて分かる事実というものが必ずあって、それを次の装置開発やプロセス開発につなげていかなくてはなりません」と話します。

2010年度に行われたFS調査から数えると約6年に及んだ実証事業は、タイのバンコク空港から東へ約250km離れたサケーオ県で行われました。ここには、タイの大手デンプン加工会社EBPがあります。

写真4　デンプン工場から排出されるキャッサバパルプは屋外で貯蔵している（左）、キャッサバパルプの状態（右）（写真提供：サッポロホールディングス）

キャッサバからデンプン成分のタピオカを絞った後のさまざまなキャッサバパルプを大量に使用できるように、実証プラントをデンプン工場に隣接させて建設し、さまざまな条件で、バイオエタノールの製造を実験、評価していきました（写真4、5）。

現地で実証試験に携わった、現在サッポロホールディングスグループR＆D本部グループ研究戦略推進部主任研究員の阿部透さんは、「エタノール発酵は放っておいても進みます。しかしバイオエタノールを燃料として使うには、効率よく生産して生産コストを抑えなくてはなりません。ですから私たちがやるのは、酵母が良い状態で発酵し生産効率があがるように条件を整えてあげることなのです」と説明します。

また、実証プラントの設計を担当した、現在同社グループR&D本部グループ研究戦略推進部シニアマネージャーの渡里彰さんは、「実験室でも温度条件の検討はできます。しかし、実際の工場では100t規模のタンクを扱います。例えば、その温度は、実験室の設備のように急激に変化させることはできません。この100tのタンクを思ったように制御するのが、産業技術です」と実験室と工場の違いを説明します。

大規模にしたことで、バイオエタノールの生産性に影響してくることは実に多く、最適の条件でバイオエタノール生産を行うには、原料をタンクに入れたり、タンクから出したりする時間さえも考慮しなくてはなりません。考えられるすべての要因について検討して、最適なタンクサイズや、バイオエタノールの製造工程を決めていきました。

写真5　タイの実証プラント。（左）工場外観、（右）採集前の原料　（写真提供：サッポロホールディングス）

キャッサバパルプからのバイオエタノール製造を可能にした三つの技術

渡里さんは、「同じエタノールでも燃料用エタノール製造の設備は、ビール製造の設備とはまったく違います。特に今回は、原料にキャッサバパルプを採用したことが、実証プラントの設計に大きく関わってきました」と設計者としての苦労の一端を覗かせます。

キャッサバパルプがこれまでバイオエタノールの原料として利用できなかったのは、繊維分を多く含んでおり、エタノール発酵させるのが難しかったからです。では、どのような技術によってキャッサバパルプは原料として使えるようになったのでしょうか。

糖からエタノールを作る化学反応はとてもシンプルですが、バイオマス原料から燃料用バイオエタノールを得るには、原料の前処理からエタノールの蒸留・脱水まで多くの工程を経なければなりません（図1、「なるほど基礎知識」参照）。阿部さんによると、たくさんの工程のうち「ドライミル」と「高温並行複発酵」「連続蒸留」の三つが最大の技術的なトピックだったと言います。

図1　バイオエタノールの製造工程　①粉砕原料に加水しスラリー状とする、②スラリーを蒸気で連続加熱し、酵素反応を受けやすくする、③酵母を添加しアルコール発酵により濃度8％の発酵液を得る、④アルコール濃度を8％→99.5％に蒸留・脱水する　（資料提供：サッポロホールディングス）

エタノールは酵母により糖から発酵作用を経て作られます。そこでキャッサバパルプに含まれるデンプン成分を糖に分解しなければなりません。まずキャッサバパルプを粉砕して水を加え、泥のようなスラリー状にします（写真6）。

写真6　粉砕したキャッサバパルプ（左）、キャッサバパルプに水を加えてスラリー状態にしたもの（右）

ここに、デンプンを糖に分解する酵素であるアミラーゼを添加します。次に配管を通しながら熱い水蒸気を吹きかけると、デンプンの分子構造が崩れアルファ化します。この状態とすることで初めて種々の酵素反応を受けることが可能となります。

この後、アミラーゼによる作用でデンプンが糖にまで分解されます。その後、繊維成分を分解する酵素であるセルラーゼを添加し、原料中のデンプン分解を進めます。通常このような操作は、大型のタンク内でバッチ処理で行われますが、大型のタンクを使用せず配管内で連続的に熱い水蒸気を吹き付けることでアルファ化を進める工程が、一つ目の技術的トピックであるドライミルです。ウェットミルに対して水分量を抑えることができるため、原料を薄めることなく発酵工程に入ることができます。

二つ目の技術的トピックである高温並行複発酵は、「耐熱性酵母」を使うことで実現した技術です。糖化は通常60℃を超えた温度領域に至適温度があります。一方、酵母の発酵至適温度はこれに比べ随分と低く、従来の酵母では35℃前後です。

「耐熱性酵母」を使用することで、従来の酵母よりも5℃以上高い温度で発酵を行うことができます。発酵期間中に糖化も同時に行う並行複発酵では、この発酵温度が糖化の至適温度により近づくことになり、効率の良いプロセス構築が可能となります。

三つ目の技術的トピックである連続蒸留では、発酵スラリー中に残存する繊維成分、夾雑物（きょうざつぶつ）により、蒸留装置内が詰まってしまうことが懸念されました。

パイロット以前の小スケールで確認済みとはいえ、スケールアップした際の挙動を十分に確認する必要がありました。実証プラントでは発酵液が初めに導入されるモロミ塔内を適宜確認できるように点検口を設け、汚れの付着状態を確認しました（写真7）。これにより汚れのレベルや、必要な洗浄頻度の目星をつけることができ、商用運転の目処をつけることができました。

写真7　（左）連続加熱後のキャッサバパルプスラリー、（右）点検口から確認された蒸留塔内部の汚れ状況　（写真提供：サッポロホールディングス）

原料のばらつきにも対応する

実証事業では、キャッサバパルプの品質によって生じる問題も明らかになりました。食べ物であるビールの原料は品質がいいものが選ばれますが、これまで廃棄されていたキャッサバパルプは、繊維成分や夾雑物が多く、時には腐りかけていることもあります。

「キャッサバパルプを原料にしたことで、終始、発酵液の粘度の高さに困らされることになりました」と三谷さん。

原料は普通のプロペラでは混ざらないほど粘度が高いので（写真8）、実証プラントには、原料の粘度を下げるための工夫が多く見られます。また、腐りかけた原料を使うと、それが原因で発酵液が酸性になり、酵素の活性が著しく低下することがありました。

写真8　スラリー状態でも高い粘度を持つキャッサバパルプ。発酵のため加温するとさらに粘度を増すため取り扱いが難しい

解決しなければならない問題はいろいろ発生しましたが、サッポロビールのメンバーをもっとも驚かせたのは、キャッサバパルプのデンプン含有量の変動でした。「実証事業期間中に、キャッサバ栽培を2シーズン経験しましたが、悪天候の影響で、品質が悪くデンプン含有量が低いシーズンがあり、それまでのバイオエタノール製造のデータが全く参考になりませんでした」と渡里さん。

阿部さんも、「キャッサバパルプはデンプン含有量が65％以上で良質のこともあれば、40％ほどしかないときもあったのです。たいへんな経験をしましたが、今にして思うと、キャッサバの出来がこれほど変わることを知り、それがバイオエタノール生産に大きく影響することがわかったのですから、良かったと思っています」と話します。

キャッサバの品質低下によって起こる問題は、原料中のデンプン量が少ないことで起こる発酵液の最終エタノール濃度の低下です。発酵液のエタノール濃度が目標値の8％に達していれば、蒸留・脱水工程で92％の水分を蒸発・分離させるとバイオエタノールを得られますが、発酵液のエタノール濃度が低下すると、それだけ多くの水分を蒸発・分離させなくてはならず、その分コストがかかり商業的に成り立たなくなります。

この問題を解決するためには、キャッサバパルプの品質によらず、ある範囲内でバイオエタノールを製造できる技術が必要でした。キャッサバパルプに加える水の量を抑えることで、発酵液の最終エタノール濃度が下がらない方法を検討し、問題を解決しました。

タイではすでに多くのバイオエタノール生産工場が稼働していますが、中には当初に予定していた生産量を達成できていない施設もあります。原料の状態や、タンク・配管内の汚れが原因で生産効率は容易に変動することもあり、工場設備を最適な状態で稼働し続けることは簡単ではありません。

そのため、実証事業ではタンクの汚れを常に確認し、ノウハウの蓄積を行いました。キャッサバパルプスラリーは装置内への付着が当初の想定よりも弱く、軽い水通しなどで容易に洗浄可能であることが分かりましたが、一度洗浄漏れがあると急速に汚れの蓄積ができることも分かりました。

実証プラントにおける工夫は大きいものから小さいものまで実に多岐に渡りました。「2011年から2015年の実証プラントの試験期間中は、やらなければならないことが多くて本当に忙しかった」と皆が口を揃えます。

実用化を牽引する体制づくり

サッポロビールは、タイに実証プラントを建設し、バイオエタノール製造試験と分析を行いました。事業がスムーズに進められたのは、しっかりした体制が築かれ、役割分担が明確になっていたからでした。

プロジェクトは、NEDOとタイ科学技術省国家イノベーション庁（NIA）が基本協定書を結んで進められました。また、タイ側からは前出のようにデンプン加工会社であるEBP社の子会社のEBP Ethanol社が参加し、実証事業をサポートしました（図2）。

図2　日本とタイの協力体制図

一方で、プロジェクトが急激に展開したことに、磐田化学工業は不安を感じていました。「世の中のためになる研究だけれど、静岡の中小企業がやるようなプロジェクトなのか。元々、自社の工場でできることを探るために始めたプロジェクトじゃなかったのか、などと社内でも事業の継続に反対する声が聞かれました」と関口さん。

それでも、ここまで関わってきた「耐熱性酵母」のことを考えると、続けたい気持ちが大きく、当時のNEDOの担当者に相談に行ったと言います。この時の話し合いで、「菌株の管理運営をする」とプロジェクトへの関わり方が明確になり、磐田化学工業はプロジェクトに関わり続けることになりました。

そして結果的には「サッポロビールという大企業との共同研究という貴重な経験をして、会社としても個人としてもたいへん得ることが多く、勉強になりました」と関口さんは振り返ります。