セルロースエタノール

セルロース系エタノールは、植物の種子や果実ではなく、セルロース（植物の繊維質）から生成されるエタノール（エチルアルコール）です。草、木材、藻類、その他の植物から生成できます。一般的にバイオ燃料としての利用が検討されています。植物が成長する際に吸収する二酸化炭素は、植物から生成されるエタノールの燃焼時に排出される二酸化炭素の一部を相殺するため、セルロース系エタノール燃料は化石燃料よりもカーボンフットプリントを低減できる可能性があります。

セルロース系エタノールへの関心は、トウモロコシやサトウキビから作られるエタノールの代替品となる可能性から高まっている。これらの植物は食品にも使われるため、エタノール生産に転用すると食料価格の上昇を招く可能性がある。一方、セルロースを原料とするエタノールは、繊維質の部分はほとんどが人間が食べられないため、一般的に食料と競合しない。もう1つの潜在的な利点は、セルロースの原料が非常に多様で豊富であることだ。草、木、藻類は、地球上のほぼあらゆる環境に生息している。紙などの都市固形廃棄物からでも、エタノールを生産できる可能性がある。セルロース系エタノールの現在の主な欠点は、生産コストが高いことである。生産は、トウモロコシやサトウキビを原料とするエタノールよりも複雑で、多くの工程を必要とする。

セルロースエタノールは、2000年代から2010年代初頭にかけて大きな注目を集めた。特に米国政府は、その商業化に関する研究に資金を提供し、自動車燃料に添加するセルロースエタノールの割合の目標を設定した。多くの既存企業に加えて、セルロースエタノールを専門とする多数の新興企業が、パイロット規模の生産プラントに投資した。しかし、穀物ベースのエタノールの製造コストがはるかに安く、2010年代の原油価格が低かったため、セルロースエタノールはこれらの既存燃料と競争できなかった。その結果、新しい精製所のほとんどは2010年代半ばまでに閉鎖され、新しく設立された企業の多くは倒産した。現在もいくつか存在しているが、主に実証または研究目的で使用されており、2021年現在、大規模にセルロースエタノールを生産している企業はない。

概要

セルロース系エタノールは、植物の大部分を占める構造物質であるリグノセルロースから生産されるバイオ燃料の一種で、セルロース、ヘミセルロース、リグニンを主成分としています。リグノセルロースの一般的な供給源には、農業廃棄物（トウモロコシの茎葉や木材チップなど）とスイッチグラスやススキなどの草があります。[ 1 ]これらのエタノール生産原料は、豊富で多様であるという利点があり、より一般的に使用されるトウモロコシやサトウキビの糖とは異なり、食料生産と競合しません。[ 2 ]しかし、発酵によってエタノールを生産するために通常使用される微生物が糖モノマーを利用できるようにするためには、より多くの処理が必要であり、これがセルロース由来のエタノールの価格を押し上げています。[ 3 ]

セルロースエタノールは、改質ガソリンに比べて温室効果ガスの排出を85%削減できる。 [ 4 ]対照的に、プロセス用のエネルギーとして天然ガスを使用することが最も多いデンプンエタノール (トウモロコシ由来のものなど)は、デンプンベースの原料の製造方法によっては全く温室効果ガスの排出を削減できない可能性がある。[ 5 ] 2011 年の全米科学アカデミーによると、リグノセルロース系バイオマスを燃料に変換する商業的に実行可能なバイオ精製所は存在しない。[ 6 ]規制で要求される量のセルロースエタノールが生産されていないことが、 2013 年 1 月 25 日に発表されたコロンビア特別区控訴裁判所の判決の根拠となり、米国の自動車およびトラック用燃料生産者に対して環境保護庁がセルロース系バイオ燃料の製品への添加を義務付ける要件を無効とした。[ 7 ]これらの問題と他の多くの困難な生産上の課題により、ジョージ・ワシントン大学の政策研究者は「短期的には、[セルロース]エタノールはガソリン代替品としてのエネルギー安全保障と環境目標を満たすことができない」と述べています。[ 8 ]

歴史

フランスの化学者アンリ・ブラコノーは、 1819年にセルロースを硫酸で加水分解して糖にすることができることを初めて発見しました。 [ 9 ]加水分解された糖は、発酵によってエタノールに変換されます。最初の商業的なエタノール生産は1898年にドイツで始まり、そこでは酸を用いてセルロースを加水分解していました。アメリカ合衆国では、スタンダード・アルコール社が1910年にサウスカロライナ州に最初のセルロース系エタノール生産工場を開設しました。その後、ルイジアナ州に2番目の工場が開設されました。しかし、第一次世界大戦後、経済的な理由から両工場は閉鎖されました。[ 10 ]

木材からエタノールを製造する最初の商業化の試みは、1898年にドイツで行われました。このプロセスは、希硫酸を用いてセルロースをグルコースに加水分解するものであり、木材廃棄物100kgあたり7.6リットル（1トンあたり18米ガロン（68リットル））のエタノールを生産することができました。ドイツ人はすぐに、バイオマス1トンあたり約50米ガロン（190リットル）の収量に最適化した工業プロセスを開発しました。このプロセスはすぐにアメリカに渡り、第一次世界大戦中には南東部で2つの商業プラントが稼働しました。これらのプラントは、「アメリカン・プロセス」と呼ばれる、一段式希硫酸加水分解法を採用していました。収量は元のドイツ・プロセスの半分（1トンあたり25米ガロン（95リットル）のエタノールに対して50米ガロン）でしたが、アメリカン・プロセスの処理能力ははるかに高くなりました。第一次世界大戦終結後、木材生産の落ち込みにより工場は間もなく閉鎖を余儀なくされた。その間も、米国森林局の森林製品研究所では希酸加水分解に関する研究が小規模ながら着実に続けられた。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]第二次世界大戦中、米国は再びセルロース系エタノールに目を向け、今度はブタジエンに変換して合成ゴムを生産した。バルカン・カッパー・アンド・サプライ社は、おがくずをエタノールに変換する工場の建設と運営を請け負った。この工場は、森林製品研究所が開発したドイツのショラー法を改良したものに基づいていた。この工場は1乾燥トンあたり50米ガロン（190リットル）のエタノール収率を達成したが、それでも利益は出ず、戦後閉鎖された。[ 14 ]

過去20年間の酵素技術の急速な発展により、酸加水分解プロセスは徐々に酵素加水分解に置き換えられてきました。ヘミセルロースを加水分解（分離）し、より効率的に糖に変換するには、原料の化学的前処理が必要です。この希酸前処理は、米国森林局（USFS）の森林製品研究所における木材の酸加水分解に関する初期の研究に基づいて開発されました。2009年、森林製品研究所はウィスコンシン大学マディソン校と共同で、リグノセルロースの難分解性を克服し、木材セルロースの強力な酵素加水分解を可能にする亜硫酸塩前処理を開発しました。[ 15 ]

2007年1月23日の一般教書演説で、ジョージ・W・ブッシュ米大統領は、2017年までに350億米ガロン（130 × 10 9 L）のエタノール生産を義務付ける提案を発表しました。 同年、米国エネルギー省は、木材チップ、スイッチグラス、柑橘類の皮などの非伝統的な資源からのエタノール生産を促進するために3億8500万ドルの助成金を交付しました。[ 16 ]^

生産方法

セルロースエタノール研究用のバイオリアクター。

生物学的アプローチを用いたエタノール生産の段階は以下の通りである。[ 17 ]

  1. 木材やわらなどのリグノセルロース材料を加水分解しやすい状態にするための「前処理」段階
  2. セルロースの加水分解（セルロース分解）により分子が糖に分解される
  3. 糖溶液の微生物発酵
  4. 蒸留と脱水により純粋なアルコールを製造する

2010年には、独自のセルロース分解酵素を生産する遺伝子組み換え酵母株が開発されました。[ 18 ]この技術が産業レベルにまで拡大できれば、セルロース分解の1つ以上のステップが省略され、生産に必要な時間とコストの両方が削減されます。

リグノセルロースは最も豊富な植物資源ですが、その強固な構造のためにその利用性は制限されています。そのため、セルロースをリグニンシールとその結晶構造から遊離させ、後続の加水分解工程で利用できるようにするための効果的な前処理が必要です。[ 19 ]これまでのところ、ほとんどの前処理は物理的または化学的手段によって行われています。より高い効率を達成するには、物理​​的前処理と化学的前処理の両方が必要です。物理的前処理では、粉砕や押し出しなどの機械的処理方法によってバイオマスの粒子サイズを縮小します。化学的前処理では、リグノセルロースを部分的に脱重合し、酵素がセルロースにアクセスして微生物反応を起こせるようにします。[ 20 ]

化学的前処理技術には、酸加水分解、水蒸気爆発、アンモニア繊維膨張、オルガノソルブ、亜硫酸塩前処理、[ 15 ] SO2-エタノール-水分留、[ 21 ]アルカリ湿式酸化およびオゾン前処理がある。[ 22 ]セルロースを効果的に分離することに加え、理想的な前処理では、後続の加水分解および発酵工程を阻害する可能性があるため、分解生成物の生成を最小限に抑える必要がある。[ 23 ]阻害剤の存在は、必要な解毒工程のためにエタノール生産をさらに複雑にし、コストを増加させる。例えば、酸加水分解はおそらく最も古く、最も研究されている前処理技術であるが、フルフラールやヒドロキシメチルフルフラールなどのいくつかの強力な阻害剤を生成する。[ 24 ]アンモニア繊維膨張（AFEX）は、阻害剤を生成しない有望な前処理の例である。[ 25 ]

ほとんどの前処理プロセスは、森林バイオマスなどのリグニン含有量の高い原料には効果的ではありません。そのため、代替または特殊なアプローチが必要です。オルガノソルブ、SPORL（「リグノセルロースの難分解性を克服するための亜硫酸塩前処理」）、およびSO2-エタノール-水（AVAP®）プロセスは、特に針葉樹などの森林バイオマスにおいて、90%以上のセルロース変換率を達成できる3つのプロセスです。SPORLは、発酵阻害物質の生成量が非常に少なく、森林バイオマスの前処理において最もエネルギー効率（前処理における単位エネルギー消費量あたりの糖生成量）が高く、堅牢なプロセスです。オルガノソルブパルプ化は特に広葉樹に効果的で、希釈と沈殿によって疎水性リグニン製品を容易に回収できます。[ 26 ] AVAP®プロセスは、あらゆる種類のリグノセルロースを、消化性の高いセルロース、分解されていないヘミセルロース糖、反応性リグニン、リグノスルホン酸塩に効果的に分別し、化学物質を効率的に回収できることが特徴です。[ 27 ] [ 28 ]

セルロース分解プロセス

セルロースの加水分解（セルロース分解）により、発酵によってアルコールに変換できる単糖が生成されます。セルロース分解には、酸を用いた化学的プロセスとセルラーゼを用いた酵素反応という2つの主要なプロセスがあります。[ 17 ]

化学的加水分解

19 世紀から 20 世紀初頭にかけて開発された伝統的な方法では、セルロースを酸で攻撃することで加水分解が行われます。[ 29 ]希酸は高温高圧下で使用でき、より濃い酸は低温大気圧下で使用できます。酸と糖の結晶化解除されたセルロース混合物は、水の存在下で反応して個々の糖分子を完成させます (加水分解)。この加水分解産物は次に中和され、酵母発酵によってエタノールが生成されます。前述のように、希酸プロセスの大きな障害は、加水分解が非常に激しいため、発酵を妨げる可能性のある有毒な分解産物が生成されることにあります。BlueFire Renewablesでは濃酸を使用しています。濃酸は発酵阻害物質をほとんど生成しませんが、商業的に魅力的であるためには、リサイクル (たとえば、模擬移動床クロマトグラフィーによる分離) のために糖ストリームから分離する必要があります。

農業研究局の科学者たちは、小麦わらに残る糖分のほぼ全てにアクセスし、発酵させることができることを発見しました。これらの糖分は植物の細胞壁に存在し、分解が非常に難しいことで知られています。これらの糖分にアクセスするために、科学者たちは小麦わらをアルカリ性過酸化物で前処理し、その後、特殊な酵素を用いて細胞壁を分解しました。この方法により、小麦わら1トンあたり93米ガロン（350リットル）のエタノールが得られました。[ 30 ]

酵素加水分解

セルロース鎖はセルラーゼ酵素によってグルコース分子に分解されます。この反応は牛や羊などの反芻動物の胃の中で体温で起こり、酵素は微生物によって産生されます。このプロセスでは、変換の様々な段階で複数の酵素が使用されます。同様の酵素システムを用いることで、リグノセルロース材料は比較的穏やかな条件（50℃、pH 5）で酵素加水分解することができ、酵素活性を阻害する副産物を生成せずにセルロースを効果的に分解することができます。希酸を含むすべての主要な前処理法は、エタノール発酵で高い糖収率を達成するために酵素加水分解工程を必要とします。[ 25 ]

真菌酵素はセルロースの加水分解に利用できます。原料（多くの場合、木材や藁）は、加水分解しやすいように前処理する必要があります。[ 31 ] 2005年、アイオジェン社は、トリコデルマ・リーゼイ菌 を用いて「特別に設計された酵素」を分泌させ、酵素加水分解プロセスに利用するプロセスを開発中であると発表しました。[ 32 ]

カナダの別の企業であるサンオプタは、蒸気爆発前処理技術を用いており、ルイジアナ州ジェニングスにあるベレニウム（旧セルノール・コーポレーション） 、スペイン・サラマンカにあるアベンゴアの施設、そして趙東にある中国資源アルコール公司に技術を提供しています。CRAC製造施設では、トウモロコシの茎葉を原料として使用しています。[ 33 ]

微生物発酵

伝統的に、パン酵母（サッカロミセス・セレビシエ）は、醸造業界でヘキソース（六炭糖）からエタノールを生産するために長年使用されてきました。リグノセルロース系バイオマスに含まれる炭水化物の複雑な性質のため、加水分解物には相当量のキシロースとアラビノース（リグノセルロースのヘミセルロース部分に由来する五炭糖）も含まれています。例えば、トウモロコシ茎葉の加水分解物では、発酵可能な糖の総量の約30%がキシロースです。そのため、セルロース系エタノール、そして将来的にはバイオベースタンパク質の経済的競争力を高めるには、加水分解物から得られるあらゆる糖を発酵微生物が利用できる能力が不可欠です。

2000年代初頭、燃料用エタノール生産に用いられる微生物の代謝工学は飛躍的な進歩を遂げました。 [ 34 ]サッカロミセス・セレビシエに加え、ザイモモナス・モビリスや大腸菌といった微生物も、セルロース系エタノール生産のための代謝工学の対象となっています。代替発酵生物の魅力は、5炭素糖を発酵させ、原料の収量を向上させる能力にあります。この能力は、細菌[ 35 ]をベースとした生物によく見られます。

21世紀の最初の10年間で、遺伝子組み換え酵母がキシロース[ 36 ] [ 37 ]やアラビノース[ 38 ]、さらには両方を効率的に発酵することが報告されています。[ 39 ]酵母細胞は、バイオテクノロジーで数百年にわたって使用されており、高エタノール濃度や阻害剤濃度に耐性があり、細菌汚染を減らすために低いpH値で増殖できるため、セルロース系エタノール製造プロセスに特に魅力的です。

加水分解と発酵の組み合わせ

セルロース基質をエタノールに直接変換できる細菌種がいくつか発見されています。例えば、複雑なセルロソームを用いてセルロースを分解し、エタノールを合成するクロストリジウム・サーモセラム（Clostridium thermocellum）が挙げられます。しかし、 C. thermocellumはセルロース代謝の際にエタノールに加えて酢酸や乳酸などの他の生成物も生成するため、プロセスの効率が低下します。エタノール生成経路に着目した細菌を遺伝子組み換えすることで、エタノール生産を最適化する研究が行われています。[ 40 ]

ガス化プロセス（熱化学的アプローチ）

オーストリア、ギュッシング・ブルゲンラント の流動層ガス化装置

ガス化プロセスは、セルロース鎖の化学分解（セルロース分解）に依存しません。セルロースを糖分子に分解するのではなく、原料中の炭素を部分燃焼に近い方法で合成ガスに変換します。生成された一酸化炭素、二酸化炭素、水素は、特殊な発酵槽に供給されます。このプロセスでは、酵母による糖発酵の代わりに、クロストリジウム・リュングダーリ（Clostridium ljungdahlii）という細菌を使用します。[ 41 ]この微生物は、一酸化炭素、二酸化炭素、水素を摂取し、エタノールと水を生成します。したがって、このプロセスは3つのステップに分けられます。

  1. ガス化- 複雑な炭素ベースの分子が分解され、一酸化炭素、二酸化炭素、水素として炭素が抽出される。
  2. 発酵 —クロストリジウム・リュングダーリイ菌を用いて一酸化炭素、二酸化炭素、水素をエタノールに変換する
  3. 蒸留 — エタノールを水から分離する

2002年の研究では、一酸化炭素からエタノールを生成するのに上記の細菌の2倍の効率を持つと思われる別のクロストリジウム細菌が発見されました。 [ 42 ]

あるいは、ガス化による合成ガスを触媒反応器に供給し、熱化学プロセスによってエタノールやその他の高級アルコールを生成することもできる。[ 43 ]このプロセスでは他の種類の液体燃料も生成することができ、この代替コンセプトはモントリオールに拠点を置くEnerkem社がケベック州ウェストベリーの施設で実証している。[ 44 ]

ヘミセルロースからエタノールへ

セルロースとヘミセルロースの両方をエタノールに変換する経済的な方法の開発に向けた研究が精力的に行われている。セルロース加水分解物の主生成物であるグルコースをエタノールに発酵させる方法は、既に確立された効率的な技術である。しかし、ヘミセルロース加水分解物のペントース糖であるキシロースの変換は、特にグルコースが存在する場合、制限要因となる。さらに、ヘミセルロースはセルロース系エタノール生産の効率と費用対効果を向上させるため、キシロースを無視することはできない。[ 45 ]

坂本（2012）らは、遺伝子組み換え微生物がヘミセルラーゼ酵素を発現する可能性を示した。研究者らは、以下の機能を持つ組み換えサッカロミセス・セレビシエ株を作製した。

  1. 細胞表面にエンドキシラナーゼを共発現させることでヘミセルラーゼを加水分解する。
  2. キシロース還元酵素とキシリトール脱水素酵素の発現によりキシロースを同化します。

この株は、稲わら加水分解物をヘミセルロース成分を含むエタノールに変換することができました。さらに、対照株と比較して2.5倍のエタノールを生産することができ、細胞表面工学によるエタノール生産の非常に効率的なプロセスを示しました。[ 45 ]

利点

エタノール燃料の一般的な利点

エタノールはガソリンよりもクリーンかつ効率的に燃焼します。[ 46 ] [ 47 ]植物は成長する際に二酸化炭素を消費するため、バイオエタノールは化石燃料よりも全体的に炭素排出量が少なくなります。[ 48 ]石油の代わりにエタノールを使用すると、国の石油輸入への依存を減らすこともできます。[ 49 ]

トウモロコシや砂糖由来のエタノールに対するセルロース系エタノールの利点

米国環境保護庁ライフサイクルGHG排出量削減結果草案（異なる時間範囲と割引率アプローチ） [ 50 ]（間接的な土地利用変化の影響を含む）
燃料経路100年 + 2%の割引率30年 +割引率 0%
トウモロコシエタノール（天然ガス乾式粉砕機）（1）-16%+5%
トウモロコシエタノール（最良のNG DMの場合）（2）-39%-18%
トウモロコシエタノール（石炭乾式粉砕機）+13%+34%
トウモロコシエタノール（バイオマスドライミル）-39%-18%
トウモロコシエタノール（熱電併給バイオマス乾式粉砕機）-47%-26%
ブラジル産サトウキビエタノール-44%-26%
スイッチグラス由来のセルロースエタノール-128%-124%
トウモロコシ茎葉由来のセルロースエタノール-115%-116%
注：（1）乾式粉砕（DM）プラントは穀粒全体を粉砕し、通常、主要な副産物である可溶性物質を含む蒸留粕（DGS）のみを生産します。（2）最良のプラントでは、湿式蒸留粕の副産物を生産します。

セルロースエタノールはトウモロコシやサトウキビと異なり食糧生産と競合しないため、これらの食糧作物への圧力を軽減するため、商業生産は非常に魅力的である。

セルロースバイオマスは加工コストが高いものの、穀物や果物に比べて価格ははるかに安価です。さらに、セルロースは植物の主成分であるため、果実や種子だけでなく、植物全体を収穫することができます。このため、収量が大幅に向上します。たとえば、スイッチグラスは1エーカーあたりトウモロコシの2倍のエタノールを生産します。[ 51 ]セルロース生産用のバイオマス材料は、肥料や除草剤などの投入量が少なくて済み、その広範囲に広がる根は土壌の質を向上させ、浸食を減らし、養分吸収を増加させます。[ 52 ] [ 53 ]セルロースエタノールの全体的な炭素フットプリントと地球温暖化係数はかなり低く（図を参照）[ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]、正味エネルギー出力はトウモロコシベースのエタノールよりも数倍高くなります。

潜在的な原料も豊富です。世界中で発生する家庭ごみの約44%は食品と野菜です。[ 57 ]エタノールの製造に使用できるセルロース含有原料は、米国だけでも毎年推定3億2,300万トン廃棄されています。これには、都市部の木材廃棄物3,680万乾燥トン、一次製材所残渣9,050万乾燥トン、森林残渣4,500万乾燥トン、トウモロコシの茎葉と麦わら1億5,070万乾燥トンが含まれます。[ 58 ]さらに、農業に適さない土地でも、スイッチグラスなどのセルロース生産作物を栽培することができ、その結果、米国が現在輸入しているすべての石油を代替するのに十分な生産量が得られます。[ 59 ]

紙、段ボール、包装材は世界の家庭ごみの約17%を占めています。[ 57 ]一部はリサイクルされていますが、これらの製品にはセルロースが含まれているため、セルロース系エタノールに変換できます。[ 58 ]これにより、分解時に強力な温室効果ガスであるメタンの発生を回避できます。[ 60 ]

デメリット

一般的な欠点

エタノール燃料の主な欠点は、圧縮比の低いガソリン用に設計されたエンジンでエタノールを使用した場合、ガソリンに比べて燃費が悪いことです。[ 49 ]

トウモロコシや砂糖由来のエタノールと比較したセルロース系エタノールの欠点

セルロースエタノールの主な欠点は、その高コストと生産の複雑さであり、これが商業化の大きな障害となっている。[ 61 ] [ 62 ]

経済

世界のバイオエタノール市場はかなりの規模（2019年には約1100億リットル）であるが、その大部分はセルロースではなくトウモロコシやサトウキビから作られている。[ 63 ] 2007年には、セルロース源からエタノールを生産するコストは1ガロンあたり約2.65米ドル（1リットルあたり0.58ユーロ）と推定され、これはトウモロコシから作られたエタノールの約2～3倍高価である。[ 64 ]しかし、セルロースエタノール市場は比較的小規模であり、政府の補助金に依存している。[ 62 ]米国政府は当初、2011年の10億リットルから2022年には600億リットルまで段階的に増やすセルロースエタノール目標を設定していた。[ 65 ]しかし、これらの年間目標は、達成できる見込みがないことが明らかになったため、ほぼ常に放棄されてきた。[ 61 ]セルロースエタノールを生産する工場のほとんどは、2010年代初頭に中止または放棄されました。[ 62 ] [ 66 ]デュポン、ゼネラルモーターズ、BPなどによって建設または資金提供された工場は閉鎖または売却されました。[ 67 ] 2018年現在、米国には主要な工場が1つしか残っていません。[ 62 ]

セルロースバイオマスを大規模生産するには、主に農作物の生産を目的とした既存の農地利用と競合する必要がある。米国の非水没地22億6000万エーカー（910万km²）のうち、 [ 68 ] 33 %が森林、26%が牧草地と草地、20%が農地である。米国エネルギー省と農務省が2005年に実施した調査によると、林業、農業への影響を許容範囲内に抑えつつ、理論上13億乾燥トンのバイオマスがエタノール生産に利用可能であることが示唆されている。[ 69 ]

トウモロコシ由来のエタノールとの比較

現在、セルロースはトウモロコシやサトウキビよりもエタノールへの加工が難しく、コストも高い。米国エネルギー省は2007年にセルロースエタノールの生産コストは1ガロンあたり約2.20ドルと推定しており、これはトウモロコシからのエタノールの2～3倍である。植物細胞壁組織を破壊する酵素のコストはエタノール1ガロンあたり0.40ドルであるのに対し、トウモロコシの場合は0.03ドルである。[ 64 ]しかし、セルロースバイオマスはエネルギー、肥料、除草剤などの投入量が少なく、土壌浸食が少なく土壌肥沃度が向上するため、トウモロコシよりも生産コストが安い。さらに、エタノール製造後に残る非発酵性で未変換の固形物は、変換プラントの稼働と発電に必要な燃料として燃焼させることができる。トウモロコシベースのエタノールプラントの稼働に使用されるエネルギーは、石炭と天然ガスに由来する。地域自立研究所（ISR）は、第一世代の商業用植物から生産されるセルロース系エタノールのコストは、インセンティブを除けば1ガロンあたり1.90～2.25ドルになると推定している。これは、トウモロコシ由来のエタノールの現在のコストである1ガロンあたり1.20～1.50ドル、そして補助金と税金が課せられているレギュラーガソリンの現在の小売価格である1ガロンあたり4.00ドル以上と比較すると低い。[ 70 ]

酵素コスト障壁

セルロース系エタノールの生産に使われるセルラーゼとヘミセルラーゼは、第一世代のものに比べて高価である。トウモロコシからのエタノール生産に必要な酵素は、生産されるエタノール1立方メートルあたり2.64～5.28米ドルかかる。セルロース系エタノール生産用の酵素は79.25米ドルと予測されており、20～40倍高価である。[ 71 ]コストの違いは必要な量による。セルラーゼファミリーの酵素は効率が1～2桁小さい。したがって、生産には40～100倍の酵素が必要になる。バイオマス1トンあたり、15～25キログラムの酵素が必要である。[ 72 ]最近の推定値[ 73 ]はさらに低く、バイオマス原料の乾燥1トンあたり酵素1キログラムと示唆している。また、酵素加水分解を行う容器の長いインキュベーション時間に関連する資本コストも比較的高い。全体として、酵素はセルロースエタノール生産の20～40％のかなりの部分を占める。2016年の論文[ 73 ]では、セルラーゼ酵素の製造方法が主な要因となり、現金コストの13～36％の範囲と推定されている。オフサイトで生産されるセルラーゼの場合、酵素生産は現金コストの36％に達する。別の工場でオンサイトの酵素を生産する場合、その割合は29％であり、統合酵素生産の場合、その割合は13％である。統合生産の主な利点の1つは、グルコースではなくバイオマスが酵素の増殖培地になることである。バイオマスはコストが低く、結果として得られるセルロースエタノールは100％第二世代バイオ燃料、すなわち「燃料用の食料」を使用しないものになる。

原料

一般に、原料には森林（木質）バイオマスと農業バイオマスの2種類がある。米国では、年間約14億乾燥トンのバイオマスを持続的に生産することができる。約3億7000万トン、つまり30％が森林バイオマスである。[ 74 ] 森林バイオマスは、農業バイオマスに比べてセルロースとリグニンの含有量が多く、ヘミセルロースと灰分の含有量が少ない。前処理加水分解物、特にキシロースなどの炭素数5のヘミセルロース糖を非常に多く含む加水分解物の発酵が難しく、エタノール収率が低いため、森林バイオマスは農業バイオマスに比べて大きな利点がある。森林バイオマスは密度も高いため、輸送コストが大幅に削減される。年間を通して収穫できるため、長期保管が不要になる。森林バイオマスの灰分はほぼゼロであるため、輸送および処理時の固定荷重が大幅に軽減される。生物多様性のニーズを満たすために、森林バイオマスは将来のバイオベース経済において重要なバイオマス原料供給ミックスとなるだろう。しかし、森林バイオマスは農業バイオマスよりもはるかに扱いにくい性質を持っています。2009年、米国農務省林産物研究所はウィスコンシン大学マディソン校と共同で、キシラン含有量の低い針葉樹種を含む森林（木質）バイオマスの強い扱いにくさを克服できる効率的な技術を開発しました[ 15 ] [ 75 ]。短期伐採による集約栽培や樹木栽培は、森林バイオマス生産のほぼ無限の可能性を提供します[ 76 ] 。

伐採後の木片や木のてっぺんから得られる木材チップ、製材所から出るおがくず、そして廃紙パルプは、セルロースエタノール生産のための森林バイオマス原料です。[ 77 ]

スイッチグラス（学名： Panicum virgatum）は、在来種の高草草原の草です。その耐寒性と急速な成長で知られるこの多年草は、暖かい時期には2～6フィートの高さまで成長します。スイッチグラスは、沼地、平原、小川、海岸沿い、州間高速道路沿いなど、米国のほとんどの地域で栽培できます。自生（播種にはトラクターは不要、刈り取りのみ）し、多くの病害虫に耐性があり、肥料やその他の化学物質を少なく使用して高い収量を得ることができます。また、痩せた土壌、洪水、干ばつにも耐性があり、その根系により土壌の質を改善し、浸食を防ぎます。[ 78 ]

スイッチグラスは、連邦保全保留プログラム（CRP）で保護されている土地の被覆作物として承認されています。CRPは、最近まで作物が栽培されていた土地で作物を栽培しないことに対して生産者に手数料を支払う政府のプログラムです。このプログラムは土壌浸食を軽減し、水質を改善し、野生生物の生息地を拡大します。CRPの土地は、キジやアヒルなどの高地の狩猟動物や多くの昆虫の生息地となっています。バイオ燃料生産のためのスイッチグラスは、保全保留プログラム（CRP）の土地での使用が検討されており、生態系の持続可能性を高め、CRPプログラムのコストを削減する可能性があります。しかし、CRPの土地を経済的に利用できるようにするには、CRPの規則を改正する必要があります。[ 78 ]

ミスカンサス・ギガンテウス（Miscanthus × giganteus）は、セルロース系エタノール生産に適した原料です。このイネ科の植物はアジア原産で、ススキ（Miscanthus sinensis）とススキ（Miscanthus sacchariflorus）の不妊雑種です。収量が高く、栽培コストも低く、様々な気候条件で生育します。しかし、不妊であるため、栄養繁殖が必要となり、コストが高くなります。 [ 79 ]

クズは貴重なバイオマス源となる可能性が示唆されている。 [ 80 ]

セルロースエタノールの商業化

補助金や助成金の支援を受けて、2000年代初頭にはセルロース系エタノールの研究とパイロットプラントが急増しました。Iogen 、POET、Abengoaなどの企業は、バイオマスをエタノールに変換できる精製所を建設し、DuPont、Diversa、Novozymes、Dyadicなどの企業は酵素研究に投資しました。しかし、技術的な障壁が克服しきれないことが判明したため、これらのプラントのほとんどは2010年代初頭に中止または閉鎖されました。2018年現在、稼働中のセルロース系エタノールプラントは1つだけです。[ 62 ]

2010年代後半には、様々な企業がセルロースエタノールの商業化に向けて小規模な取り組みを時折試みたが、このような事業は一般的に実験規模にとどまり、補助金に頼っていることも多い。Granbio、Raízen、Centro de Tecnologia Canavieiraの各社は、それぞれブラジルでパイロット規模の施設を運営しており、2019年には合計で約3000万リットルを生産した。[ 81 ] 1991年に酵素メーカーとして始まり、2013年にセルロースエタノールに主眼を置くよう方向転換したIogenは、セルロースエタノール生産に関する多くの特許を保有しており[ 82 ]、Raízen工場に技術を提供した。[ 83 ] 2021年現在、セルロースエタノール技術を開発しているその他の企業としては、Inbicon（デンマーク）がある。パイロット生産プラントを稼働中または計画中の企業には、ニューエナジーブルー（米国）[ 84 ] 、セカブ（スウェーデン）[ 85 ]、クラリアント（ルーマニア）[ 86 ]などがある。セルロースエタノール資産を持つスペインの企業アベンゴアは2021年に倒産した。[ 87 ]、クラリアントは2023年にこの分野から撤退した。[ 88 ]

オーストラリア再生可能エネルギー庁は、州政府や地方自治体と協力し、石炭採掘からの地域経済の多様化に向けた取り組みの一環として、2017年と2020年にニューサウスウェールズ州でパイロットプラントに部分的に資金を提供しました。[ 89 ]

米国政府の支援

2006年から、米国連邦政府はセルロース系原料からのエタノール開発の促進を開始しました。2008年5月、議会はセルロース系エタノールを含む第二世代バイオ燃料の商業化のための資金提供を含む新たな農業法案を可決しました。 2008年食糧・保全・エネルギー法は、「先進バイオ燃料」を生産するための実証規模のバイオリファイナリーの開発・建設費用の最大30%を補助金で賄うことを規定しており、これには事実上、トウモロコシの穀粒澱粉から生産されないすべての燃料が含まれます。また、商業規模のバイオリファイナリーの建設に対して最大2億5000万ドルの融資保証も認められました。[ 90 ]

2011年1月、USDAは2008年農業法に基づき、Coskata、Enerkem、INEOS New Planet BioEnergyが所有する3つの施設でのセルロースエタノールの商業化を支援するため、4億500万ドルの融資保証を承認した。これらのプロジェクトは、合計で年間7,300万米ガロン（280,000 m 3）の生産能力を有し、2012年にセルロースエタノールの生産を開始する予定である。USDAはまた、先進バイオ燃料の生産拡大に対して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た。[ 91 ] 2011年7月、米国エネルギー省は、アイオワ州エメッツバーグに建設される商業規模の工場のために、POETに1億500万ドルの融資保証を与えた。[ 92 ]

参照

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