セルロース系エタノールの商業化 – HiSoUR 芸術文化美術歴史

セルロース系エタノールの商品化は、バイオ燃料として使用するために、セルロース含有有機物をセルロースエタノールに変える方法から産業を構築するプロセスである。 Iogen、POET、DuPont、Abengoaなどの企業は、バイオマスを処理してバイオエタノールに変えることができる製油所を建設しています。 Diversa、Novozymes、Dyadicなどの企業は、セルロース系エタノールの将来を可能にする酵素を生産しています。食品作物原料から廃棄物残渣およびネイティブ草地への移行は、農家からバイオテクノロジー企業、プロジェクト開発者から投資家まで幅広い選手にとって重要な機会を提供します。

2013年現在、セルロース系バイオ燃料を製造する最初の商業規模の工場が稼動し始めています。異なるバイオ燃料供給原料の転換のための複数の経路が使用されている。今後数年間で、商業規模で動作するこれらの技術のコストデータ、およびそれらの相対的な性能が利用可能になるでしょう。教訓は、関連する産業プロセスのコストを下げることになります。

セルロース系エタノール生産
セルロース系エタノールは、樹木由来の木材パルプまたは植物の物質など、多様な原料の原料から製造することができる。小麦から穀物を取り、それを粉砕してデンプンとグルテンを得る代わりに、デンプンをとる代わりに、セルロースのエタノール生産は作物全体の使用を伴う。この手法は、エネルギーを消費する肥料や殺菌剤の使用量が同じで、使用可能な物質の生産量が増えるため、収量を増やし、二酸化炭素排出量を削減する必要があります。

経済
再生可能な燃料資源への移行は、長年にわたって目標とされてきました。しかし、その生産の大部分はトウモロコシエタノールの使用によるものである。 2000年には、米国でわずか62億リットルが生産されましたが、この数はわずか10年で800億リットル以上に拡大しました（2010年）。米国環境保護庁（EPA）が再生可能燃料の一定割合を燃料製品に含めることを要求した2007年再生可能燃料基準（RFS）を実施して以来、再生可能燃料資源への政府の圧力は明らかになっている。トウモロコシエタノールからのセルロース系エタノール生産への転換は、米国政府によって強く推進されている。これらの政策が実施され、政府がセルロースエタノールの市場を開拓しようとしているにもかかわらず、2010年と2011年にこの燃料の商業生産は行われていませんでした。エネルギー自主保安法はもともと1億2,500万5億2010年、2011年、および2012年のそれぞれの年間ガロン数です。しかし、2012年現在では、セルロースエタノールの生産量は目標から約1050万ガロンになると予測されていた。 2007年だけでも、米国政府はセルロース系エタノールプロジェクトに10億ドルを、中国はセルロース系エタノール研究に5億ドルを投資した。

既存の商業化されたプラントデータがないため、最も一般的に使用される正確な生産方法を決定することは困難です。モデルシステムは、異なるテクノロジーのコストを比較しようとしますが、これらのモデルは商用プラントのコストには適用できません。現在、小規模でセルロース生産を示す多くのパイロットおよびデモンストレーション施設が開設されている。これらの主要設備は以下の表に要約されている。

パイロット規模のリグノセルロース系エタノールプラントの開始費用は高い。 2007年2月28日に、米国エネルギー省は、6つのセルロース系エタノールプラントに対して3億8500万ドルの助成金を発表しました。この助成金は、投資費用の40％を占めています。残りの60％はその施設のプロモーターからのものです。したがって、総額約10億ドルが約1億4,000万USガロン（530,000 m3）の設備に投資されます。これは、パイロットプラントの設備投資コストで年間$ 7 /年間のガロン生産能力に変わります。将来の資本コストは低くなると予想される。トウモロコシのコストはスイッチグラスや廃棄物バイオマスのコストよりもかなり高いが、トウモロコシからエタノールへのプラントのコストは約1〜3ドル/年である。

2007年現在、エタノールは主に果物や穀物から得られた糖やデンプンから製造されています。対照的に、セルロースエタノールは、木材、藁、および植物の構造の多くの主要成分であるセルロースから得られる。セルロースは人間が消化することができないため、小麦の価格上昇による最近の問題となっている食糧生産からセルロース生産への土地転換以外に、セルロース生産は食糧生産と競合しません。原材料1トン当たりの価格は穀物や果物の価格よりもずっと安いです。さらに、セルロースは植物の主成分であるため、植物全体を収穫することができる。この結果、最良の作物の場合、4〜5トン/エーカー（9〜11トン/ヘクタール）ではなく、1エーカーあたり最大10トン（22トン/ ha）の収量が得られます。

原料は豊富です。エタノールを製造するために使用できるセルロース含有原材料の推定3億2300万トンは、米国だけで毎年捨てられる。これには、都市の木材廃棄物3680万トン、一次ミル残渣9050万トン、森林残渣45000000トン、およびトウモロコシの藁と小麦のわらの乾燥トン150700000トンが含まれています。効果的で費用対効果の高いヘミ（セルラーゼ）酵素または他のプロセスを用いてそれらをエタノールに変換することは、米国における現在の燃料消費量の30％を提供する可能性がある。さらに、スイッチグラスのようなセルロース生産作物を農業に必要な土地でも植え付けることができ、現在のすべての石油輸入を米国に代わる十分な生産につなげることができます。

紙、厚紙、および梱包は、毎日米国の埋立地に送られる固形廃棄物の大部分を占め、カリフォルニア州総合廃棄物管理委員会の都市のプロファイルによると、すべての有機都市固形廃棄物（MSW）の41.26％です。これらの都市プロファイルは、1平方マイル当たり2,413の平均人口密度が持続する埋立地あたり612.3トン（555.5トン）の累積を占めています。石膏ボードを除くこれらの全てはセルロースを含み、これはセルロースエタノールに変形可能である。これは、これらの製品の分解が有力な温室効果ガスであるメタンを生成するため、追加の環境上の利点を有する可能性がある。

セルロースのエタノール転化による固体廃棄物の処分の削減は、地方政府および州政府による固形廃棄物処理費用を削減する。米国の各人は毎日4.4ポンド（2.0kg）のゴミを投棄していると推定されています。そのうち37％にはほとんどがセルロースです。これは、セルロースを含む廃棄された紙の1日当たり244千トンと計算されます。セルロース系エタノールを製造するための原材料は無料であるだけでなく、負の費用がかかります。つまり、エタノール生産者はそれを払うために払うことができます。

2006年6月、米国の上院の聴聞会では、セルロース系エタノールの現在の生産コストは、現在の変換効率が低いことが主な理由で、米国ガロンあたり2.25 USドル（US $ 0.59 / L）であると言われています。その価格では、エタノールのエネルギー含量を考慮に入れて、バレル油（42 USガロン（160 L））を代替するには約120ドルかかるだろう。しかし、エネルギー省は楽観的であり、研究資金の倍増を要請している。同じ上院聴聞会では、2012年までに、生産コストをUSガロン当たり1.07米ドル（US $ 0.28 /リットル）に減らすことが目標であったと語った。「セルロース系エタノールの生産は、ロシアのバイオ燃料サミットで、1ドルにまで下落しているセルロースの燃料価格を見ることができると語ったKhosla VenturesのマネージングパートナであるVinod Khoslaは、次のように述べています。 10年以内に1ガロンあたり。

2010年9月、ブルームバーグの報告書は、欧州バイオマスインフラと将来の製油所開発を分析した。 2010年8月のエタノール1リットルの推定価格は、1gで0.51ユーロ、2グラムで0.71ユーロである[同報告書は、欧州が現行の米国の補助金を1トン当たり50ドルまでコピーするべきだと示唆した。

最近、燃料製品のリーダーの1人であるBPは、2012年10月25日に、3億5,000万ドルの商業規模のプラントをキャンセルすると発表しました。フロリダ州ハイランズ郡の工場では、年間3600万ガロン生産していると推定されています。 BPはエネルギーバイオサイエンス研究所でバイオ燃料研究に5億ドルを提供しています。ゼネラル・モーターズ（GM）はまた、より具体的には、マスコマ（Mascoma）およびコスカタ（Coskata）のセルロース系企業に投資した。建設やそれに向かう多くの企業があります。 Abengoaはリグノセルロースを発酵可能な糖に変換するMyceliophthora thermophila菌に基づいて年間2500万ガロンのプラントを建設しています。詩人はまた、アイオワ州Emmetsburgで年間200百万ドル、2500万ガロンを生産しています。 Valeroと提携しているMascomaは、ミシガン州Kinrossで年に2000万ガロンを建設する意向を表明しています。 China Alcohol Resource Corporationは、連続運転下で6.4百万リットルのセルロース系エタノールプラントを開発しました。

2013年以来、ブラジルの会社GranBioはバイオ燃料と生化学の生産者になるよう努めています。同社は、同グループの最初の工業施設となるブラジルのアラゴアス州に、年間8200万リットル（22MG）のセルロース系エタノールプラント（2Gエタノール）を委託している。 GranBioの第2世代エタノール施設は、Grupo Carlos Lyraが運営する第1世代のエタノールプラントに統合されており、Beta Renewablesのプロセス技術、Novozymesの酵素、DSMの酵母を使用しています。 2013年1月に打ち切られたこの工場は、最終的な試運転中です。 GranBio Annual Financial Recordsによると、総投資額は208百万米ドルでした。

国別商業化

オーストラリア
Ethtecは、木材残渣を原料として使用するニューサウスウェールズ州ハーウッドにパイロットプラントを建設しています。

ブラジル
GranBio（旧GraalBio）は、年間8,200万リットルのセルロース系エタノール生産を計画している施設を建設中です。

カナダ
カナダでは、Iogen Corp.はセルロース系エタノールプロセス技術の開発会社です。イオジェンは独自のプロセスを開発し、オンタリオ州でデモンストレーション規模の工場を運営しています。この施設は、隣接する酵素製造施設で製造された酵素を使用して、1日当たり40トンの小麦ストローをエタノールに処理するように設計され、設計されている。 2004年、イオジェンは市場に初めてセルロース系エタノールの出荷を開始しました。短期的には、同社は、ターンキープラント建設パートナーシップを通じて広範囲に技術をライセンス供与することにより、セルロースエタノールプロセスを商業化する予定である。同社は現在、米国およびカナダのサイトを最初の商業規模のプラントとして評価しています。

リグノール・イノベーションにはパイロットプラントがあり、バンクーバーで木材を原料として使用しています。

2009年3月、サウスダコタ州のKL Energy Corporationとアルバータ州のPrairie Green Renewable Energyは、サスカチュワン州ハドソン湾近くにセルロース系エタノールプラントを開発する意向を発表しました。北東サスカチュワンの再生可能エネルギー施設は、木材廃棄物からエタノールを製造するために、KL Energyのモダンな設計とエンジニアリングを使用します。

中国
セルロース系エタノールの生産は現在、SunOpta社によって設計され、中国資源アルコール公司（China Resources Alcohol Corporation）が所有しており、現在はトウモロコシ茎葉（茎および葉）からセルロース系エタノールを生産している中国のプラントを含む「パイロット」および「商業デモ」スケールで存在する1日24時間連続して使用できます。

デンマーク
2011年初頭に世界最大のセルロース系エタノールプラントであると信じられていたこの工場は、約3万トン（33,000トン）を稼動しています。カルビンボル（Kalundborg）のバイオエタノール工場は、年間5.4百万リットル（140万ガロン）トン）、植物は約30人を雇用しています。同工場では、火力発電プラントで燃料として使用される年間13,000トンのリグニンペレットと、現在嫌気性消化によるバイオメタン製造に使用されている11,100トンのC5糖蜜も生産されています。ジオール、グリコール、有機酸、およびバイオポリマー前駆体および中間体を含む数多くのコモディティ化学物質の製造のための、高炭水化物動物飼料サプリメントおよび潜在的なバイオベースの原料である。

2010年10月以来、デンマークの100の給油所で95％のガソリンと5％のセルロース系エタノールの混合物をE5ブレンドしています。 Bio95 2G混合物は、Statoil社によって販売され、収穫後にデンマークの畑で採取され、Novozymesの酵素技術を用いてInbicon（DONG Energyの部門）によって生産された小麦の麦藁由来のエタノールを使用する。

デンマークの商業用または実験用のセルロース系エタノール工場（稼動中または建設中）

会社	ロケーション	原料	年額	操作上の
バイオガス	ボーンホルム	麦わら	5メガリットル	2012年
エンステッドバークレー	Aabenraa	麦わら	？メガリトール	2013年
Dong Energyが所有するInbicon	Kalundborg、ジーランド	麦わら	5.4 megalitre	2009年
Dong Energyが所有するMaabjerg Energy Concept	Maabjerg	麦わら	50-70 megalitre	キャンセルされた2016

ドイツ
バイオ燃料会社Butalcoは最近、Hohenheim大学と研究開発契約を結んでいます。ホーエンハイム大学の食品科学・バイオテクノロジー部門の発酵技術研究所は、ほぼ30年間バイオエタノールの製造に関する質問をしてきました。近年、エタノール生産の材料、エネルギー、ライフサイクルアセスメントの改善が注目されています。 BUTALCOにとって特に興味深いのは、新たに建設されたパイロットプラントを使用することです。パイロットプラントには、安全クラス1の認可発酵室と、1.5m3の発酵槽が4つあります。植物のコンセプトは、デンプンおよびリグノセルロースベースの原材料の両方を処理することを可能にする。今回の共同研究により、BUTALCOは技術的規模でC5糖発酵およびブタノール生産酵母株を最適化し、リグノセルロースから最初の量のバイオエタノールを生産することができます。セルロースバイオマス原料の選択から砂糖への変換および浄化までの発酵からバイオ燃料製造の全プロセスは、工業条件下で最適化される。

シュラウビングでは、特殊化学品のクラリアント社は、2012年以来、サンリリュードプロセスに基づいてプリコミルタルプラントを操業しています。この工場では、小麦わら、トウモロコシストーバーまたはサトウキビバガスなどの農業残留物から1000トンまでのセルロースエタノールを製造できます。このプロセス技術は、酵素加水分解を行い、続いてC5およびC6糖をエタノールに発酵させる。同社はこの技術を世界中にライセンス供与する予定です。

インド
現在、セルロース系エタノールの生産は「パイロット」規模で行われており、リグノセルロースバイオマスをエタノール生産に利用する努力がなされている。インド、デラドゥンの森林研究所、セルロースおよび紙部門で実施された松の針およびLantana雑草の利用のためのパイロット規模研究。

イタリア
イタリアに本拠を置くMossi＆amp; Ghisolfi Groupは、2011年4月12日にイタリア北西部のCrescentinoに1年に1,300万USガロン（49,000 m3）のセルロースエタノール施設を開設しました。このプロジェクトは、世界最大のセルロースエタノールプロジェクトで、現在デモンストレーション規模の施設を運営しています。同工場は2012年に操業する予定で、多年草の巨大林である小麦わらやArundo donaxで始まるいろいろな地元産の原材料を使用する予定です。

日本
日本石油（株）などトヨタ自動車を含む日本のメーカーは、セルロース由来のバイオ燃料を開発するための研究機関を設立する計画だ。同コンソーシアムは2014年3月までにバイオエタノールの年間25万キロリットル（160万バレル）を生産し、2015年までにバイオエタノールを1リットルあたり40円（0.437ドル）（1バレルあたり約70ドル）で生産する予定です。

2009年3月、ホンダは日本でセルロース系エタノール研究施設を新設することで合意しました。ホンダ基礎技術研究センターの新加須支所施設は、千葉県木更津市の加須アカデミアパーク内に建設される。建設は2009年4月に開始され、2009年11月に操業を開始する予定です。

ノルウェー
2010年10月、ノルウェーに拠点を置くセルロース系エタノール技術開発会社のWeylandは、ノルウェーのベルゲンにある200,000リットル（約53,000ガロン）のパイロットスケール施設で生産を開始しました。このプラントは、同社の酸加水分解製造プロセスを実証し、商業規模のプロジェクトの道を開く。同社はまた、世界中でその技術を販売する予定です。

ロシア
木材（50％針葉樹+ 50％硬材）をエタノールに変換する商業工場は、1972年以来、キロフ市の北部ロシアで稼動しており、まだ利益を上げています。副産物としてKirov Biochemical Worksは、乾燥飼料酵母（20トン/月）とリグニンを提供しています。リグニンの乾燥と焼却のための設備を新鮮で埋立地に蓄積し、蒸気と電気のために、最近2億ドルの銀行融資が確保されました。

スペイン
Abengoaは、セルロース系エタノールを市場に投入するために必要な技術に大きく投資し続けています。 Abengoaは、SunOpta Inc.のプロセスおよび前処理技術を利用して、スペインに500万USガロン（19,000 m3）のセルロースエタノール施設を建設しており、最近はDyadic International、Incと戦略的研究開発契約を締結しました（AMEX：DIL ）を使用して、セルロースエタノール生産の効率とコスト構造の両方を改善するために使用することができる、より新しい、より良い酵素混合物を作製する。

スウェーデン
SEKABは、木材チップとサトウキビバガスを含むバイオマス飼料からエタノールを生産するための産業プロセスを開発しました。開発作業はÖrnsköldsvikの先進的なパイロットプラントで実施され、国際的な関心を呼んでいます。この技術は、2013年から2015年にかけて新たなバイオリファイナリーの品種で商業生産に徐々にスケールアップされます。

アメリカ
米国政府は、様々なメカニズムを通じてセルロース系エタノールの開発と商品化を積極的に支援しています。 21世紀の最初の10年で、多くの企業が商業的なセルロース系エタノールプラントを建設する計画を発表したが、それらの計画のほとんどは最終的に解散し、多くの中小企業は倒産した。現在（2016年）、全国の多くの実証プラントがあり、稼動中または近くにある数少ない商業規模のプラントがあります。米国におけるセルロース系エタノールの市場が今後も拡大すると予測される中、この業界の見通しは良好です。

政府の支援
米国連邦政府は、従来の石油輸送燃料の代替品として、セルロース系原料からのエタノールの開発を積極的に推進しています。例えば、米国エネルギー省（DOE）が主催するプログラムには、より良いセルロース加水分解酵素およびエタノール発酵生物の開発、潜在的プロセスの工学的研究、セルロースバイオマスの実証および生産施設からの最初のエタノールの共同資金調達に関する研究が含まれる。この研究は国立再生可能エネルギー研究所（NREL）、オークリッジ国立研究所（ORNL）、アイダホ国立研究所（INL）などの国立研究所や大学や民間企業が実施しています。エンジニアリングおよび建設会社および事業会社は、一般にエンジニアリング業務を行っています。

2008年5月、議会はセルロースエタノールを含む先進バイオ燃料の商業化を加速する新しい農業法案を可決した。 2008年の食品、省エネルギーおよびエネルギー法は、「先端バイオ燃料」を生産するためのデモンストレーション規模のバイオリファイナリーを開発し、構築するためのコストの30％をカバーする助成金を提供しています。また、高度なバイオ燃料を生産する商業規模のバイオリファイナリーを建設するために、最大2億5,000万ドルの貸出保証を可能にしている。

Sandiaの研究者は、「バイオ燃料展開モデル」として新たに開発されたツールを使用して、現在の作物に代わることなく、2022年までに210億USガロン（79,000,000 m3）のセルロースエタノールを生産できると判断しました。 2007年のエネルギー自主保安法の一部である再生可能燃料規格は、2022年までにバイオ燃料生産量を年間360億USガロン（140,000,000 m3）に増加させることを要求している。

2011年1月にUSDAは、コスカタ、エネケム、INEOSニュープラネットバイオエナジーが所有する3つの施設でセルロース系エタノールの商業化を支援するために、2008年のファーム法案により、405百万ドルの貸付保証を承認した。このプロジェクトは、年間生産能力7,300万USガロン（280,000 m3）を誇り、2012年にはセルロース系エタノールの生産を開始する予定です。また、先進バイオ燃料の生産拡大のための支払いを受ける先進バイオ燃料生産者のリストを発表しました。2011年7月、米国エネルギー省はアイオワ州Emmetsburgに建設される商業規模の工場に対してPOETに1億500万ドルの融資保証を行った。

商業開発
米国のセルロース系エタノール産業は、2008年にいくつかの新しい商業規模の工場を開発しました。年間1,200万リットル（317万gal）の工場が稼働し、年間生産能力は8000万リットル（2113万ガロン） 26の新工場で建設中。（比較のために、2008年の全用途で推定された米国の石油消費量は約8億1600万ガロンであった）

米国のセルロース系エタノール工場（稼働中または建設中）

会社	ロケーション	原料	能力（百万ガロン/年）	操作された	タイプ
Abengoa Bioenergy	Hugoton、KS	麦わら	25〜30	2013 – 2016年（破産）	商業の
アメリカンプロセス株式会社	アルペナ、MI	木のチップ	1.0	2012 –	デモンストレーション
BlueFireエタノール	フルトン、ミシシッピ州	複数の情報源	19	2011年建設が中止	商業の
コスカタ、Inc.	マディソン、ペンシルバニア州	複数の情報源	0.04	2009 – 2015	半商業
デュポン	ネバダ、アイオワ州	コーンストーバー	30	2015 – 2017（シャッター付き）	セミ商業
Fulcrum BioEnergy	リノ、ネバダ州	市の固形廃棄物	10	2013年末	商業の
湾岸沿岸エネルギー	リビングストン、アラバマ州	木屑	0.3	2008年以前	デモンストレーション
KLエネルギー株式会社	アップトン、ワイオミング州	木屑
マスコミ	キンロス、ミシガン州	木屑	20		商業の
ポエットLLC	Emmetsburg、IA	コーンストーバー	20 – 25	2014年9月	商業の
ポエットLLC	スコットランド、SD	コーンストーバー	0.03	2008年	パイロット

環境問題
実際、セルロース系エタノールと穀物ベースのエタノールは同じ製品ですが、多くの科学者は、セルロース系エタノールの生産は、穀物ベースのエタノール生産に比べて明確な環境上の利点があると考えています。ライフサイクルベースでは、農業残渣または専用セルロース系作物から製造されたエタノールは、穀物から製造されたエタノールよりも温室効果ガス排出量が大幅に少なく、持続可能性評価が高い。

シカゴ大学Argonne国立研究所の米国エネルギー省の研究によると、セルロース系エタノールは、改質ガソリンに対して温室効果ガス排出量（GHG）を85％削減します。対照的に、プロセスにエネルギーを供給するために通常天然ガスを使用するデンプンエタノール（例えば、トウモロコシ由来）は、ガソリンに対して温室効果ガスの排出を18％から29％削減する。

コーネル大学の生態学と農業の教授David Pimentelやカリフォルニア大学バークレー校の技術者Tad Patzekなどの批評家は、セルロース系エタノール技術の環境、エネルギー、経済的利益の可能性について疑問を投げかけています。