北川 尚美

糖と脂肪酸からなるバイオマス由来の界面活性剤（シュガーエステル）は、優れた界面活性作用を持ち、生物分解可能で安全性が高い。しかし、現状では製造コストが高く、用途が高価な食品に限定されている。本課題では、食と競合しない新原料として、製糖工程で副生する未利用糖と、食用油製造工程で副生する非可食油から合成した脂肪酸エチルを用い、これらを安価な樹脂触媒充填塔に通液することで、石鹸の副生なしに目的製品の連続製造を目指す。操作条件が温和で反応速度が大きく、触媒や石鹸の除去が不要のためプロセスも簡便となる。原料に脂肪酸メチルを用いないため、毒性メタノールも副生せず、安全性と経済性を著しく向上できる。

バイオマスを集積する地域において農林工が連携する新複合産業を創出するべく、原料の種類と質の多様性および地域産業の制約に耐える革新的な化成品生産共通基盤技術の開発を目指し、安全性、ロバスト性、熱効率、操作性に優れ、かつバイオマスの全構成成分を化成品に誘導するプロセス技術、化成品の総付加価値を最大化する反応技術、これらを支える化成品生産のマス・カスタマイゼーションに基づくサプライチェーン最適化技術の可能性を検討する。

申請テーマ全体では、1)小規模燃料製造装置の設計と最適化、2）集中型樹脂再生設備の設計と最適化、3)経済性を考慮した再生条件の緩和、4)経済性や事業性の課題抽出、を継続的に実施し、小規模燃料製造装置に関しては、装置製造のコスト削減とコンパクト化、製造可能な燃料の最大量の決定とその性能安定性の検証を行う。また、集中型樹脂再生設備に関しては、再生条件の緩和によるランニングコストの削減と設備の操作性の改善、再生液のリサイクル可能な回数や樹脂の継続利用可能期間などの検証を行い、可能な限り長期のデータを収集する。そして、採算性のある燃料製造事業と樹脂再生事業を成立させる小規模分散型製造装置と集中型樹脂再生設備の仕様を明らかにし、株式会社エプシロンとしての装置販売事業を開始する。

本研究では、輸送や貯蔵が可能なバイオ液体燃料普及のブレークスルーを目指し、バイオエタノールの主なコスト要因である濃縮・脱水工程を省いた新たな利用法を提案すると同時に、今後も継続的な利用が見込める軽油代替燃料をより発熱量が高く低温流動性も良好なエチルエステルの形で製造する技術を確立する。そして、新燃料エチルエステルの高品質性を自動車会社の協力下でエンジン試験や走行試験によって実証し、規格化のためのデータを蓄積する。また、製造プロセスのLCAを実施することで経済・環境合理性を明らかにし、高品質化と経済性向上、温室効果ガス排出の低減を同時に達成できる多段循環型のバイオ液体燃料製造プロセスであることを立証する。さらに、地域性や原料の種類、バイオエタノールの含水率に応じて変化する省エネ効果と、エチルエステル化による負荷と利点についても検討し、本プロセスの有効性を定量的に示すことで社会実装を目指す。

米ぬか由来の油には多くの健康機能物質が含まれており、中でも、スーパービタミンEと呼ばれるトコトリエノールは、食用油製造工程で排出する廃棄油中に濃縮されている。申請企業では、分子蒸留による分画とクロマト分離による回収を試みているが、熱分解し易いトコトリエノールの回収率は低く(35%)、事業化に至っていない。東北大北川らはイオン交換樹脂を触媒・吸着剤とする独自の反応分離技術を開発しており、この方法を用いれば分子蒸留を行わずに高回収率で連続分離を達成できる。本研究開発では、東北大の独自技術と申請企業のクロマト分離を組み合わせてトコトリエノール製造（回収率≥80%、純度≥95%）を行い、その品質評価とコスト試算に取り組む。また、トコトリエノールの機能性や市場性に関する徹底調査を行い、これらの結果に基づき、事業化の可能性を見極める。

１．研究の背景 食用油製造工程で多量に排出する脂肪酸油などの残渣油（年間世界生産量：米糠212万トン、パーム1200万トン）は、製造工場で集中的、安定的に排出するため回収不要な新規な廃棄物系バイオマス原料と捉えることができる。この油には、環境調和型軽油代替燃料バイオディーゼルの原料となる遊離脂肪酸や油脂、健康保持の薬理活性を有するスーパービタミンＥや植物ステロールなどが含まれている。しかし、現行技術ではこれらの有効成分を利用することができず、大半が焼却廃棄されている。 ２．研究の目標 当研究者は、化学品製造プロセスの構築を行う反応プロセス工学の専門を活かし、廃棄物油を原料として高品質バイオ燃料と健康機能物質を同時製造する技術を開発する。原料の前処理や生成物の精製処理を付随させないことで余分なエネルギー消費や廃棄物排出を防ぎ、徹底的な環境配慮型技術とする。 ３．研究の特色 本技術は、耐久性が高く継続的に利用できるイオン交換樹脂粒子に触媒と分離剤の2つの機能を発現させることで、原料中の油成分（遊離脂肪酸と油脂）の燃料化と不純物成分（色素や副生物）の除去分離を同時に達成する。そのため、前処理や精製処理を必要としない。この粒子は油に低濃度で含まれるスーパービタミンEを選択的に吸着する機能も併せ持つため、唯一の同時製造可能な技術となる。 ４．将来的に期待される効果や応用分野 本技術は、バイオ燃料製造のみに着目しても、現行法の原料油の利用制限や製品燃料への不純物混入などの問題点を全て解消できるため、国内を始め世界中の燃料製造法が本技術に置き換わり、CO2排出量削減と循環型社会推進に著しく貢献する。また、現在高価で利用が困難な健康機能物質を安価に同時製造でき、国民の健康増進にも貢献する。

本研究では、食用油の製造工程で排出される遊離脂肪酸残渣油を未利用の廃棄物系バイオマス原料と捉え、申請者らの独自技術であるイオン交換樹脂法を用いて高品質のバイオディーゼル燃料（BDF）に連続変換する技術を開発し、燃料品質と製造コストを評価する。この残渣油は、国産米ぬか油の場合、年間3万トン（総生産量の約30%）排出されるものの、半分程度が利用されずに焼却されているのが現状である。現行の均相塩基触媒を用いた製造法では、遊離脂肪酸と触媒が反応し品質低下の原因となる石ケンを生成するため原料として利用できない。本法では、残渣油の主成分である遊離脂肪酸を陽イオン交換樹脂触媒によるエステル化でBDFに変換、僅かに存在する油脂（トリグリセリド）を陰イオン交換樹脂触媒によるエステル交換でBDFに変換と同時に、ビタミンEなどの高付加価値物質を樹脂への吸着により選択的に回収することで、経済性の向上を図る。

本事業の目的は、環境負荷大の現行BDF製造法の代替となる新規なイオン交換樹脂法の実用化を目指し、現時点で最も負荷の大きな樹脂再生コスト削減のために考案したBDF製造と樹脂再生を分離する方式（オフサイト方式）のフィージビリティスタディーに取り組み、実際にどの程度コストが削減できる可能性があるか、新たに解決すべき課題は何か、を明らかにし、ビジネス化の可能性を評価することである。

本研究では，米糠残渣油から活性劣化なしでトコトリエノールを回収すると共に，残りの成分をBDFとして利用可能な高品質の脂肪酸エステルに変換する新規な反応・分離技術の開発を目的とし，1)陽イオン交換樹脂による遊離脂肪酸のエステル化(50℃)，2)陰イオン交換樹脂によるビタミンE類の吸着（10℃）・脱離（50℃），3)陰イオン交換樹脂によるトリグリセリドのエステル交換(50℃)を段階的に行った。その結果，平均回収率78%でトコトリエノールを回収できること，遊離脂肪酸とトリグリセリドを共に高品質なBDFに変換できることを明らかにした。

植物細胞培養による組み換えタンパク質生産における1)分泌タンパク質の生産性が低い、2)生産されたタンパク質にヒトのアレルゲンとなる糖が付加する、という問題の解決を目指し、タバコ細胞によるモデルタンパク質生産系で種々の検討を行った。その結果、アルギン酸カルシウムコーティングビーズによる固定化培養を行うことで、分泌タンパク質の変性や分解を防ぐことに成功し、細胞あたりの生産性を懸濁培養系の約33倍まで向上させた。また、アレルゲンとなる糖の付加を抑制するための新規なハイブリッド酵素を作成し、目的タンパク質を生産する形質転換細胞に導入したところ、増殖能の阻害なしにハイブリッド酵素を発現させることに成功した。

バイオディーゼル燃料（脂肪酸エステル）は、動植物の油脂（トリグリセリド）とアルコールとのエステル交換反応によって合成される。この燃料は、従来の石油系ディーゼル燃料（軽油）に比べ、生物分解され易い、潤滑性が高い、排ガスがクリーン、など多くの利点を有する。また、環境汚染の一因となる廃食用油からも合成できるという特長を有する。現製造プロセスでは、エステル交換反応推進のために均相アルカリ触媒が用いられており、反応終了後に生成物と触媒との分離が必要であること、副反応であるケン化が生じて収率が低下すること、が大きな問題となっている。申請者らは、生成物との分離が不要な新規な不均相固体触媒としてイオン交換樹脂を提案しており、既にケン化反応を生ずることなく高いエステル交換活性を発現することを明らかにしている。イオン交換樹脂は比較的安価で活性が安定であり、樹脂骨格が破損しない限り長期間の繰り返しあるいは連続利用が可能と考える。しかし、主に水溶液系で用いられている樹脂を油溶液系で用いた場合の知見は僅少である。本研究では、バイオディーゼル燃料製造に適したイオン交換樹脂の選定と反応機構の解明、ならびに触媒活性の安定性や活性維持に必要となる再生処理方法の検討を行うことにより、イオン交換樹脂を触媒とした製造技術の確立を目的とする。

本研究では、分離プロセスの不要な新規プロセスとして、イオン交換樹脂を不均相固体触媒とした製造法を提案する。そして、この樹脂を用いた効率的な連続生産技術を確立し、バイオディーゼル燃料の低コスト化を計ると共に、農業廃棄物を利用したエタノール生産技術との組み合わせに取り組み、より環境調和型の生産技術の開発を目指す。

イオン交換樹脂を不均相触媒とした廃食用油からのバイオディーゼル燃料の高効率連続生産プロセスの構築

本研究は、カテキン生産性を高めるための光照射などの培養条件の最適化、細胞内に蓄積されたカテキンの選択的な回収法の確立、お茶細胞大量培養用の光バイオリアクターの開発を行うことにより、お茶培養細胞による効率的なカテキン生産システムを構築する。そして、このシステムで生産されたお茶カテキンの抗酸化活性の評価ならびに抗酸化機構の解明を行う。