プレスリリース
(研究成果) 農産物茎葉の新たな活用法を創出する常温酸処理GrAASプロセスの開発

<気候変動の激化とその緩和>

2023年の7月が観測史上最も高温となったことを受けて、国際連合のグテーレス事務総長は、「地球沸騰の時代が到来」と述べ、気候変動対策を強化する必要性を説きました⁴⁾。気候変動を緩和するためには、温室効果ガス(GHG)、特に温室効果の主因となるCO₂の排出削減が重要となります。実効性を伴う新たなGHG削減技術として、大気中のCO₂を直接回収し、貯留・除去するための「ネガティブエミッション技術(NETs)」への注目が高まっており、現在、約0.04%という低濃度の大気中CO₂を効率的に捕捉するため、DAC(Direct Air Capture)技術の開発が精力的に進められています(図2)。DAC技術としては、膜を用いた物理的なCO₂回収技術、アルカリとCO₂との結合による捕捉技術や、光合成等の生化学反応を利用する炭酸固定技術などが開発されつつあります。

<農林業とDAC>

農林業は、光合成によって空気中CO₂を捕捉・固定して農作物や木材中の有機物に変換することからDAC技術と見なすことができ、その固定炭素を長期間貯留できればNETsとして完成します。腐敗・変質しにくい木材は、国産の建材や紙などの長期使用による炭素プールを通じて、脱炭素への貢献がカウントされています。しかしながら、農業生産に伴い発生する稲わらなどの茎葉は、腐敗・変質しやすく、長期使用を想定した用途は殆ど存在しないことから、脱炭素への貢献は限定的です。以前は、わらを原料としてセルロースを主成分とするパルプを取り出し、わら半紙が作られてきました。しかし、わらを原料とするわら半紙は、アルカリを用いた大規模パルプ製造工程に適合しにくいため、現在は殆ど製造されていません。国内水田作だけで約800万トンのわらを産生し、世界的には米、小麦およびトウモロコシの作付により約24億トンのわらを産生する農業の役割を高度化し、気候変動を緩和するため、茎葉による低・脱炭素技術の開発が急務となっています。

• 稲わら粉末の改質・粉砕
  稲わらの粉末を塩化カルシウム-塩酸水溶液(反応液)の共存下で、液相反応⁵⁾または気相反応⁶⁾によって処理することで、粉末を改質しました。洗浄後の処理粉末を水に懸濁して粉砕用ビーズの添加後に湿式粉砕しました(処理試料)。対照試料としては、反応液の代わりに塩化カルシウム水溶液を用いて同様の処理を行いました。
  粉砕後の懸濁液を水で希釈して全量を5 mLとした後、再懸濁して室温で静置した際の懸濁物の見かけ体積を図3Aに示します。液相反応と気相反応の両方について、処理試料の方が対照試料と比較して数倍の体積に拡がっています。図3Bで示したように、処理試料の方がかさ高くなっています。

  

• 処理試料の構造上の特徴
  酸処理した稲わら粉末の組成を調べると、二次細胞壁⁷⁾多糖のキシランの主構成成分であるキシロースが対照試料と比較して25%(液相処理試料)または46%(気相処理試料)減少していました。図3Aで用いた液相処理試料の懸濁物を取り、乾燥後に顕微鏡観察すると、対照試料では、幅1 mm弱、長さ数mmの粉末が観察されたのに対して、処理試料では一層細かく粉砕されています(図4)。

  

  懸濁状態の液相処理試料をさらに詳しく観察すると、一本一本の細長い繊維細胞にまでほぐれており、その繊維細胞の表面を構成する微細繊維が浮き上がっているように見える箇所があることが確認できました(図5A)。そして、このほぐれている箇所を電子顕微鏡で観察すると、1μm未満の幅の微細繊維が確認されました(図5B)。このように、本処理によって、組織間の結合が弱まり細胞単位に分離しやすくなり、さらに、その表面の細胞壁がほぐれて露出し、ナノ繊維化したものと考えられます。この繊維の比表面積(単位乾燥重量あたりの表面積)は、対照試料から得られる繊維の値の6.3倍に上昇しました。

  

• 処理試料の糖化特性
  稲わら粉末を液相処理または気相処理した試料から、微生物発酵によるエタノール生産等の基質となるグルコースとキシロースを遊離させるため、繊維質分解酵素を作用させました。その結果、対照試料を用いた結果と比較して、グルコースの回収率が2倍以上、キシロースの回収率は約3倍(液相処理)または約6倍(気相処理)に向上しました(図6)。このように、本処理工程は、シンプルな常温酸処理によって繊維の改質を促すだけでなく、その酵素糖化性を大きく向上させます。回収した糖をエタノール、SAF(Sustainable Aviation Fuel:持続可能な航空燃料)⁸⁾などのバイオ燃料、バイオプラスチック原料などに変換することで、低炭素産業の創出に繋げることができます。

  

• 備蓄糖としての役割
  

  

  上記の二つの特性を組み合わせると、稲わら繊維は長期使用・貯蔵が可能な有機物という「炭素プール」としての価値に加えて、必要な時に糖を回収利用できる「Sugar pool:備蓄糖」としての価値を持つと言えます。貯蔵性を確保するため、稲わら粉末の液相処理により得られた繊維を型に詰めて高密度で安定性の高い形状に圧縮成型したところ、密度0.64 g/cm³の「糖の延べ棒」が得られました(図7 重量289 g、底部66 mm×180 mm、上部52 mm×165 mm、高さ34 mm)。全体重量の58%を糖(単糖)が占めるこの備蓄糖は、必要に応じて燃料、飼料や食料に変換することができ、非常時の資源供給の安定化にも寄与します。

今後は、GrAASプロセスの試験規模拡大、試作用試料提供、資材特性評価等を行い、小規模製造技術実証を経て、用途を絞って社会実装することを検討しています。最小規模として、20 ha程度の水田から100トンの稲わらが回収されるケースを想定した場合には、その稲わらに捕捉される約40トンの炭素(炭素含有率40%と仮定、CO₂として150トン相当=ガソリン約64,000 L燃焼時の排出CO₂に相当)の産業利用が期待できます。

中規模での社会実装イメージとしては、水田1,000 ha程度から5,000トンの稲わらを回収することを想定すると、収率7割と仮定して3,500トンの繊維が生産されます。そして、例えば、備蓄糖としての「糖の延べ棒(図7)」を製造する場合、収率8割として2,800トン(CO₂として約4,100トン相当、970万個)の製造規模となります。さらに大規模化すべきもの、例えばバイオ燃料製造工程などについても社会実装を目指します。

茎葉は非可食資源と見なされていますが、GrAASプロセスにより得られる繊維は糖化性が向上しており、「可食化」可能な資源としての潜在的価値が向上しています。世界で約24億トン生産される穀物茎葉を備蓄性の炭水化物として利用し、さらに多様な栄養を発酵生産するための糖源として活用できれば、茎葉は強靱な「食料供給余力」と見なすことができます。