プレスリリース
(研究成果) 稲わらを石灰処理後に高密度化するCaPPAプロセス

<稲わらの輸送・貯蔵上の課題>

稲わらは、食料生産と競合せず、持続的かつ大量に供給可能な主要な国産バイオマス資源です。発酵性の糖を取り出してエタノールに変換することで、環境価値の高い燃料用エタノール(バイオエタノール)やSAF³⁾などのバイオ燃料、さらにはエチレンなどの化成品原料などが製造できます。しかし、稲わらは空隙が多くかさばるため、ほ場でロールベールなどに梱包しても輸送・貯蔵の効率が悪く、その多くがほ場に放置されています。こうした課題を解決するには、稲わらを高密度化して効率的に供給する仕組みの構築が必要となります。

例えば、ほ場からエタノール製造工場まで直接輸送するのは非効率的であるため(図2-A)、まずほ場で梱包した稲わらを地域内の原料加工拠点まで一次輸送し、そこでの高密度化・一次加工を経て、工場へ二次輸送するシステム(図2-B)の構築が必要です。

その重要性については、米国農務省も、2024年3月に、強靱なバイオマス供給体制の確立に向けた計画の中で言及⁴⁾しており、原料の一次加工・貯蔵の役割を担う地域原料中継点の役割を強調しています。また、大型車での輸送が困難な地域での一次輸送の有効性や、地域雇用創出への貢献などについても説明しています。

• 草本茎葉の高密度化・一次加工技術「CaPPAプロセス」の概要
  

  稲わら等の草本茎葉の裁断物を常温で石灰処理した後に高密度化するプロセスを開発し、「CaPPA (Calcium hydroxide Pretreatment for Pressing Agricultural by-products:農業副産物を加圧するための消石灰前処理)プロセス」と名付けました。本プロセスフロー概要の一例を図3に示します。

  

  この例では、稲わら裁断物に石灰と水を混合して常温で静置することで改質物を調製し、これを洗浄後に圧搾・乾燥することで水分調整して、さらに加圧することで、高密度化された一次加工物が得られます。用途や原料特性に応じて、前処理温度の調整、洗浄工程の省略、湿式粉砕による繊維構造の改変など、柔軟なプロセス設計が可能です。

• 原料の物理的加工に及ぼす効果
  

  図1に示したとおり、本プロセスによる改質物は、改質を行わない原料裁断物(見かけ密度0.1 g/cm³)よりも加圧後の密度が向上します(見かけ密度0.23 g/cm³)。一般的に、稲わらの梱包物などの低密度の資材を輸送・貯蔵する際には、資材の重量ではなく体積が積載・収納可能量を制限します⁵⁾。本プロセスにより、見かけ密度を数倍に向上することで、積載・収納量を増すことが可能となり、輸送・貯蔵を効率化できます。

  また、石灰処理によって原料を改質することで、濡れた原料を粉砕する工程(湿式粉砕工程)を後段に導入した際の処理速度が向上します(図4)。改質後に湿式粉砕した試料は、原料を構成する繊維が解きほぐされており、圧縮時に原料間の結着が強くなるものと期待されます。このように、原料の改質によって圧縮や解繊などの物理的加工を行いやすくなることから、CaPPAプロセスでは、効率的に高密度化された一次加工物を得ることができます。

  

• 原料の利用特性に及ぼす効果
  

  CaPPAプロセスでは、石灰改質によって原料が大幅に酵素糖化されやすくなります。図1で用いた試料を粉砕して、酵素糖化した結果、セルロースを主成分とするグルカンからのグルコース残基⁷⁾の遊離率が2.6倍、そしてキシランからのキシロース残基⁸⁾の遊離率は9.1倍に上昇しました(図5)。このように、本プロセスにより高密度化された一次加工物は、輸送・貯蔵性が高く、糖化利用性が付与された新資材と見なされます。この資材を原料加工拠点から大規模エタノール製造工場に二次輸送することで、工場内で稲わらの糖化性向上のために行っている前処理工程を省略または簡素化できます。そして、遠方の大規模製造工場だけでなく、拠点近傍の地域に対しても糖化特性に優れた変換原料を供給できるようになることで、地域内で新たなバイオ産業を創出できる可能性が生まれます。小規模で地域内で分散的にものづくりを行う際に、これまで個別に設置する必要があった前処理設備を省略または簡素化できることから、エタノールやその他の化成品原料、食料、飼料等の製造時の障壁を下げるものと期待されます。

  

  この石灰改質物を乾燥・圧縮することで、長期貯蔵に適する棒(図6-A)、ペレット(図6-B)、長期利用に適する板(図6-C)などの形状に加工できます。このような長期貯蔵・利用に供することで、現在、炭素プールとしてカウントされている伐採木材製品と同様に、農業由来の新たな脱炭素メリットを訴求できるものと期待されます。それに加えて、この資材は、安定した高い糖化特性を保証することで、長期貯蔵後に酵素・微生物を活用するバイオプロセスに直接載せることが可能となり、エタノールのみならず、食料、飼料等の生産にも展開できる「備蓄糖」としての価値を生み出します。特に、ペレット状に加工した資材は、ベルトコンベア等による輸送、袋詰め等の作業性や流通性が優れることに加えて、安定した品質をもつ原料の計り取りやすさ(計量性)にメリットが生じます。この特性を有することで、糖化性能を合わせて規格化することによって、運び込まれた原料の重量(または体積)に応じた糖化成績を保証できるという新たな製品価値を与え、米と水の量を量るだけで再現性良く炊き上げる自動炊飯器のような、小規模(自治体、工場、事業所等向け)のエタノール製造装置の開発および簡易な地域エタノール製造の実現に向けて道が拓けます。

  草本茎葉を前処理して糖化特性を向上した後に高密度化するための研究は、これまでにもアンモニア⁹⁾または塩酸¹⁰⁾を使った工程が報告されました。それに対して、CaPPAプロセスでは劇物や高度な反応装置を使用せず、比較的安全性が高い石灰と水を塗して静置するだけの処理ができる点で優位と考えられ、地域への足早な展開力をもつものと期待されます。

  

• 本研究成果の意義・課題
  

  地域から長距離輸送を経てエタノール製造工場に運ばれる原料は、エタノールに変換された後、その一部は長距離輸送によって地域に運ばれて循環する可能性があります(図7-A)。それに対して、原料加工拠点での中核技術として開発したCaPPAプロセスを導入することで、大規模製造工場への原料二次輸送を効率化できるだけでなく、その一部を地域に振り分け、炭素プール・備蓄糖として活用したり、遠方でまとめてエタノールを製造する代わりに小規模で地産地消したりすることで、地域の資源利用を多様化できます(図7-B)。また、この原料供給システムの構築により、地域でエタノールを製造するためのバイオプロセスや装置の技術革新を促すものと期待されます。本プロセスでは、石灰、乾燥エネルギー等を必要としますが、石灰製造工場で副生する規格外石灰、各製造工場で生じる排熱等を高度利用できれば、製造コストや環境価値でのメリットに加えて、拠点の役割を担う工場側の環境負荷低減にも寄与する可能性が生じます。