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バイオマス利活用の技術
柚山 義人
7. バイオマスの変換技術
1．変換技術の概要*1*2
■バイオマス利活用には，いわゆる廃棄物処分の側面が強いものと新たなマテリアル・エネルギー生産の側面が強いものがある。ほぼ実用化されている変換技術の概要を表1に示す。 バイオマスの主な構成原子は，C（炭素），H（水素），O（酸素）であり，その組成はC6H12O6で代表される。バイオマスの変換による組成の変化は，次の化学式で表される。
表1 実用化されている変換技術の概要
■バイオマスの変換技術は，再生資源をマテリアル利用（「モノ」として利用）するものとエネルギー利用するものに大別できる。マテリアル利用のための変換技術は，実用化されているものが多い。バイオマスをエネルギーに変換する技術は，熱化学的変換技術と生物学的変換技術に分類することができる。一般に，含水率の低いバイオマスほど熱化学的変換技術を適用する方が有利であり，含水率が高くなると水の蒸発に消費されるエネルギーが多くなるため，生物学的変換技術を適用する方が有利となる。 （1）マテリアル（製品）利用 ■堆肥や畜産・養魚用の飼料化は既に実用化されている技術であるが，利用者から見た品質の安定や利便性の向上が課題になっている。 木質系廃材・未利用材については，量的に多いことから従来より様々な技術開発が行われてきており，木質系廃材を粉砕してから再構成する再生木質ボードや木材－プラスチック複合素材は既に広く利用されている。さらに，リグニン（木材を構成する成分の1つで，微生物分解を受けにくい安定した構造をしている）と古紙との複合による木質プラスチックの製造技術が実証レベルにあり，グラファイト（黒鉛）を始めとする木質系素材の製造技術開発ついても精力的に取り組まれている。 また，近年，生分解性素材について，従来のプラスチックと異なり微生物により分解されるという特性等に強い関心が寄せられており，バイオマス由来の乳酸やでんぷんを原料としたバイオマス・プラスチックについては，既に一部商業生産が開始されている。今後，廃棄，リサイクル時の環境面における影響等に十分配慮し，耐熱性や強度等の物性の改良が進めば，用途と需要の拡大が期待される。 さらに，水産廃棄物，農作物非食用部等から機能性食品や化学製品の原料を製造する技術も期待されており，例えば，機能性食品の原料となるDHA（ドコサヘキサエン酸），EPA（エイコサペンタエン酸），γ－アミノ酪酸，食物繊維，甲殻類を原料として抗菌繊維の原料として利用されるキトサン及び化粧品の原料となるコラーゲンを抽出する技術については既に実用化されている。現在，様々な機能を有し医薬品や新素材の原料となりうる各種物質を製造するための技術開発が実証段階若しくは基礎段階で進められている。 （2）エネルギー利用 ■バイオマスのエネルギー化技術のうち，実用段階にあるもの，実証や研究の段階であってもその導入の必要性が高いと思われるものについて表5に整理した。熱化学的変換技術のうち，木くず焚きボイラーやペレットストーブ等による直接燃焼，固形燃料化については北欧諸国で多くの実績がある。炭化とRDF（ゴミ固形化燃料；Refuse Derived Fuel）化は国内での実績がある。ガス化については種々の方法が研究されているが，部分酸化やガス化経由のメタノール合成技術の実現可能性が高いと考えられる。廃食用油からBDF（バイオディーゼル燃料；Bio Diesel Fuel）を作り出すエステル化技術については実用段階にあり，ディーゼル機関用の代替燃料として有望視されている。一方，生物学的変換技術については，実用段階にあるものは家畜排せつ物等を原料とするメタン発酵と糖・でんぷん系を原料とするエタノール発酵である。将来的には，水素生産に係る技術が有望と考えられる。 ■個別変換技術については，堆肥化，メタン発酵，炭化などの従来技術が需要者ニーズに合うように改良されてくるとともに，各種の新しい技術が開発され実証試験が始まっている。農畜産業系バイオマスは，飼料，堆肥，液肥，炭化物などのマテリアル利用を主とするが，地域にこれらの需要がない場合にエネルギー化を考えるというスタンスが一般的である。 2．性能とコスト*1*2 ■ここでは，各種のバイオマス変換技術について，性能とコストの試算を行った研究結果4）の一部を紹介する。この研究では，まず，原料となるバイオマスの性状をとりまとめている。性状設定の項目は，熱的変換技術の熱量計算に含水率が，生物的変換技術の性能計算に分解率が必要であることから，大きく「水分」と「固形物」に，固形物は「有機物」と「無機物」に，さらに有機物は「微生物分解性」と「難分解性」に分類している。これにより各種のバイオマス原料を混合して変換しようとする場合にも必要な性状の情報が得られる。また，エネルギー収支や再生資源を農地施用した場合の肥効を検討できるよう，Ｃ（炭素），Ｎ（窒素），Ｐ（リン），Ｋ（カリウム）の含有率についても設定している。家畜排せつ物，食品加工残さ，生ごみ，汚泥類及び農林業残さに対して，適用性の高いバイオマス変換技術は表2に示すように整理された。 表3は，バイオマスのエネルギー化技術のうち，実用段階にあるもの，実証や研究の段階であってもその導入の必要性が高いと思われるものについて整理したものである。
表2 適用性の高いバイオマス変換技術
表3 バイオマスのエネルギー化技術
■バイオマスの変換に関する情報としては，何を原料に，どのくらいの量から，何がどのくらい生成できるか，そのために必要なエネルギーはいかほどか，環境への負荷はいかほどかなどが重要である。ここでは表1に示した各種変換技術（エタノール発酵を除く）について，技術の特徴と物質・エネルギー収支に関わる情報をとりまとめた。熱収支の試算は，主として施設規模25t/dについて検討し，1t/d当りに換算している。この場合，施設規模が小さくなれば体積当りの表面積が大きくなり放熱量が増大し，その対策として保温のための建設費がかかったり，加温のエネルギーが必要となったり，適当な大きさの発電機が無かったりする。このため，試算結果は，任意の施設規模に対する1t/d当りの熱収支を表現するものではない。図1はメタン発酵技術について，乳牛糞尿1トンを原料とした場合の物質・エネルギー収支を求めた例である。メタン生成効率や必要エネルギー等は，原料の種類や温度によって変化する。 ■コストの試算は，乳牛糞尿と食品廃棄物（生ごみ等）を対象に行った。乳牛糞尿については，メタン発酵（消化液を液肥利用する場合と固液分離後に堆肥化及び水処理する場合の2通り），炭化及び堆肥化について試算した。食品廃棄物については，メタン発酵（同上），炭化，溶融ガス化，固形燃料化及び堆肥化について試算した。検討した施設規模は，基本的にバイオマス原料量25，50及び100t/dの3ケースであった。総コストは，変換施設の建設費，維持管理費及び処理受託費や製品販売利益等の収入を考慮し，20年間での必要経費として次式で算出した。例として，メタン発酵に関するコスト試算結果を表4に示す。 総コスト＝建設費×1.5＋（維持管理費－収入）×20年 ■食品廃棄物を原料として，湿式メタン発酵（「液肥利用」と「堆肥化＋水処理」の2ケース），炭化，溶融ガス化，固形燃料化及び堆肥化を適用した場合のコストの試算結果を図4に示す。必要経費は，建設費の負担分（補助を受けない金額）を耐用年数と考えられる20年で割った額と年維持管理費の和である。図2は，建設費について1/2の補助を受けることを想定した例である。スケールメリットについては，施設規模の拡大によって採算性の増加傾向があると判断できる。なお，ここでは各種変換施設単独の試算を行っており，収集・運搬費を考慮していないこと，製品は100％販売できるとしていること，売電価格は買電電力の削減とみなし買電価格と等価と設定していることなどにより，現実より採算性が見込める設定となっていることに注意する必要がある。 表4 メタン発酵に関するコスト試算結果
図2 食品廃棄物の再資源化（変換）に必要な経費の比較（建設費1/2補助の場合）  技術および変換規模 →図を拡大 考えて頂きたいこと ■皆さんの住んでいる町で，コンポスト施設を建設することになったとします。施設には寿命があるので，時期が来たら作り直さなければいけません。丁度，1人1人当たり，30円の経費がかかるという試算がでたとします。私たちは，日常生活で，色々な形でお金を使っています。毎回30円を支払う意義を感じて，捻出できるでしょうか。
次回予告 ■次回は，話題提供者らが進めているバイオマス多段階利用の実証研究の概要と教訓を紹介します。
＜コラム＞ バイオマス・プラスチック
バイオマス・プラスチックは，とうもろこし，ビート，コメ，食品廃棄物などに含まれるでんぷんや糖を用いて生成されるポリ乳酸を原料としている。食器，鉢，生ごみ袋，各種の容器，ボールペンの外枠，農業用マルチフィルムなど多様な用途に通常のプラスチックと同じように使えて，使用後は微生物の力によって水と二酸化炭素に分解されるのが特徴である。 バイオマス・プラスチックは，農林水産省（霞ヶ関）や千葉県庁の食堂で食器として使われている。2005年に愛知県で開催された「愛・地球博」でも循環型社会を象徴する新素材として一部のレストランで使われ注目された。
柚山 義人 H20.5.14
*1 農林水産バイオリサイクル研究「システム化サブチーム」編：「バイオマス利活用システムの設計と評価」（ISBN4-9902-6830-x），2006 *2 柚山義人・生村隆司・小原章彦・小林 久・中村真人：バイオマス再資源化技術の性能・コスト評価，農業工学研究所技報，204，pp.61-103，2006 |
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