バイオリファイナリー

バイオリファイナリーは、バイオマスをエネルギーやその他の有益な副産物（化学物質など）に変換する精製所です。国際エネルギー機関のバイオエネルギータスク42は、バイオリファイナリーを「バイオマスをバイオベースの製品（食品、飼料、化学物質、材料）とバイオエネルギー（バイオ燃料、電力および/または熱）のスペクトルに持続可能な方法で処理すること」と定義しています。^[1]精製所としてのバイオリファイナリーは、最初の原材料（バイオマス）を複数の中間体（炭水化物、タンパク質、トリグリセリド）に分割することで、複数の化学物質を提供できます。これらの中間体は、さらに付加価値のある製品に変換できます。^[2]各精製段階は、「カスケード段階」とも呼ばれます。^{[3] [4]}バイオマスを原料として使用すると、汚染物質の排出が少なくなり、有害物質の排出が削減されるため、環境への影響が軽減されるという利点があります。^[5]さらに、バイオリファイナリーは、次の目標を達成することを目的としています。^[6]

1. 現在の燃料と化学成分を供給する
2. 破壊的な特性を持つ新しい材料の製造のための新しい構成要素を供給する
3. 農村地域を含む新たな雇用の創出
4. 廃棄物（農業廃棄物、都市廃棄物、産業廃棄物）の価値化
5. 温室効果ガス排出量削減の最終目標を達成する

バイオリファイナリーは4つの主な特徴に基づいて分類することができます。^[7]

1. プラットフォーム: 原材料と最終製品の間にある重要な中間体を指します。最も重要な中間体は次のとおりです。
   • 嫌気性消化によるバイオガス
   • ガス化による合成ガス
   • 水性ガス転化反応、水蒸気改質、水電気分解、発酵による水素
   • ショ糖、デンプン、セルロース、ヘミセルロースの加水分解によるC6糖
   • C5糖類（例：キシロース、アラビノース：C ₅ H ₁₀ O ₅）、ヘミセルロースの加水分解および食品および飼料の副産物
   • リグノセルロース系バイオマスの加工から得られるリグニン。
   • 熱分解液（熱分解油）
2. 製品: バイオリファイナリーは、バイオマスをエネルギー製品または非エネルギー製品に変換する方法に応じて、2 つの主要なカテゴリに分類できます。この分類では、主な市場を特定する必要があります。
   • エネルギー駆動型バイオ精製システム: 主な製品はバイオ燃料、電力、熱などの第 2 のエネルギー キャリアです。
   • 材料主導型バイオリファイナリーシステム：主な製品はバイオベース製品
3. 原料: 専用原料 (砂糖作物、デンプン作物、リグノセルロース作物、油糧作物、草、海洋バイオマス)、および残渣 (油糧残渣、リグノセルロース残渣、有機残渣など)
4. プロセス：バイオマスを最終製品に変換する変換プロセス：
   • 機械的/物理的: バイオマス成分の化学構造が保存されます。この操作には、圧縮、粉砕、分離、蒸留などが含まれます。
   • 生化学的: 微生物または酵素を使用して、低温および低圧下で処理します。
   • 化学プロセス：基質は外部化学物質の作用によって変化します（例：加水分解、エステル交換、水素化、酸化、パルプ化）
   • 熱化学: 原料に厳しい条件が適用されます (高圧、高温、触媒の有無にかかわらず)。

前述の特徴は、以下の方法に従ってバイオリファイナリー システムを分類するために使用されます。

1. 原料、プロセスに含まれる主な技術、プラットフォーム、最終製品を特定する
2. ステップ 1 で特定した機能を使用して、製油所の概略図を描きます。
3. プラットフォーム、製品、原料、プロセスの数を引用して、精製システムにラベルを付ける
4. 特定された特徴と内部エネルギー需要の源を記載した表を作成します。

分類の例をいくつか挙げます。

• デンプン作物からバイオエタノールと動物飼料を製造する C6 糖プラットフォームバイオ精製所。
• わらからFTディーゼルとフェノールを製造する合成ガスプラットフォームバイオリファイナリー
• 製材所残渣からバイオエタノール、FT-ディーゼル、フルフラールを生産する C6 および C5 砂糖および合成ガス プラットフォーム バイオ精製所。

技術経済評価(TEA) は、技術またはプロセスが経済的に魅力的であるかどうかを評価する方法論です。TEA 研究は、サトウキビ工場、バイオディーゼル生産、パルプおよび製紙工場、産業廃棄物および都市固形廃棄物の処理など、さまざまな生産システムにおけるバイオリファイナリー コンセプトのパフォーマンスに関する情報を提供するために開発されました。

バイオエタノール工場とサトウキビ工場は、サトウキビのバガスが燃料や化学薬品を生産するための適切な原料であるため、バイオリファイナリーのコンセプトを実施できる確立したプロセスです。 ^[8]リグノセルロースバイオエタノール（2G）は、ブラジルの2つの工場で、40 Ml/年と84 Ml/年の生産能力で生産されています（ブラジルの生産能力の約0.4％）。^[9]バガスの穏やかな液化と同時糖化および共発酵を使用したエタノール生産のTEAは、市場価格に匹敵する50.38〜62.72 USセント/Lの最小販売価格を示しています。^[10]サトウキビリグノセルロース（バガスと収穫残渣）からのキシリトール、クエン酸、グルタミン酸の生産は、それぞれ電気と組み合わせて評価されました。^[11] 3つのバイオリファイナリーシステムは、南アフリカの既存の製糖工場に併設されるようにシミュレーションされました。キシリトールとグルタミン酸の生産は、内部収益率（IRR）がそれぞれ12.3％と31.5％と経済的実現可能性を示しており、ベースケースのIRR（10.3％）を上回っています。同様に、サトウキビの搾りかすからのエタノール、乳酸、メタノール、エタノール乳酸の生産が研究され、^[12]乳酸は最大の正味現在価値（M$476～1278）を示し、経済的に魅力的であることが実証されています。同様に、副産物としてのエタノールと乳酸の生産は、この酸が製薬、化粧品、化学、食品業界で使用されているため、好ましいシナリオであることがわかりました（正味現在価値はM$165～M$718）。

バイオディーゼル生産に関しては、この産業はバイオ精製システムを統合して残留バイオマスや廃棄物をバイオ燃料、熱、電気、バイオベースのグリーン製品に変換する可能性もあります。^[13]グリセロールはバイオディーゼル生産の主な副産物であり、化学触媒技術によって貴重な製品に変換できます。乳酸、アクリル酸、アリルアルコール、プロパンジオール、グリセロールカーボネートの生産のためのグリセロールの価値向上が評価されています。^[14]すべてのグリセロール価値向上ルートは収益性が高いことが示されており、最も魅力的なのはグリセロールカーボネートの製造です。パーム空果房（EFB）は、パーム油/バイオディーゼル産業から豊富に発生するリグノセルロース残渣であり、この残渣のエタノール、熱と電力、および家畜の飼料への変換は技術経済的原則に従って評価されました。^[15]研究中のシナリオでは、従来のバイオディーゼル生産と比較して、環境への影響（気候変動と化石燃料の枯渇）が軽減されたものの、経済的利益は減少しました。流動床を使用した高速熱分解によるEFBからのバイオオイル生産の経済的実現可能性が研究されました。^[16]粗バイオオイルは、EFBから0.47ドル/kgの製品価値で生産でき、回収期間は3.2年、投資収益率は21.9％です。アラブ首長国連邦（UAE）の状況では、バイオ燃料と生化学物質の製造のための実行可能なルートとして微細藻類とジャトロファの統合が分析されました。^[17] 3つのシナリオが検討されました。これらすべてにおいて、バイオディーゼルとグリセロールが生産されます。最初のシナリオでは、ジャトロファの果実ケーキと種子ケーキの嫌気性発酵によってバイオガスと有機肥料が生成されます。2 番目のシナリオでは、ジャトロファと微細藻類から脂質を生産してバイオディーゼルを生産し、動物飼料、バイオガス、有機肥料を生産します。3 番目のシナリオでは、微細藻類から脂質を生産してバイオディーゼルを生産し、最終製品として水素と動物飼料を生産します。収益性があったのは最初のシナリオだけでした。

パルプおよび製紙産業に関して言えば、リグニンは共生成する天然ポリマーであり、一般的にボイラー燃料として使用され、熱または蒸気を発生させてプロセスのエネルギー需要を賄っています。^[18]リグニンは利用可能なリグノセルロース系バイオマスの10～30重量％を占め、そのエネルギー含有量の約40％に相当するため、バイオリファイナリーの経済性は、リグニンを付加価値のある燃料や化学物質に変換する費用対効果の高いプロセスに依存しています。^[19]既存のスウェーデンのクラフトパルプ工場を溶解パルプ、電気、リグニン、ヘミセルロースの生産に転換する研究が行われています。^[20]蒸気の自給自足と余剰蒸気の生成は、リグニン分離プラントの統合の重要な要素でした。この場合、同じ生産レベルを維持するために消化槽をアップグレードする必要があり、転換の総投資コストの70％を占めています。クラフトパルプ工場を再利用または併設して、針葉樹からバイオエタノールを生産するためのクラフトプロセスの使用の可能性が研究されており、 ^[21]糖回収率が 60% を超えると、このプロセスは針葉樹からのエタノール生産で競争力を持つようになります。クラフトパルプ工場を再利用してエタノールとジメチルエーテルの両方を生産することが調査されています。^[22]このプロセスでは、セルロースをアルカリ前処理で分離し、加水分解して発酵させてエタノールを生産し、溶解したリグニンを含む結果として生じる液体をガス化してジメチルエーテルに精製します。このプロセスは、熱ユーティリティ (新鮮な蒸気) 需要の点では自給自足ですが、電力が不足していることが実証されています。このプロセスは経済的に実行可能ですが、バイオ燃料価格の動向に大きく依存します。リグニンからのカテコール生産のエクセルギー的および経済的評価を行って、その実現可能性を判定しました。^[23]結果によると、総資本投資額は原料2,544kg/日のプラント能力に基づいて490万ドルであり、カテコール価格は1,100ドル/トンと推定され、価格調整率は3.02であることがわかった。

廃棄バイオマスの大量発生は、価値ある製品への変換の魅力的な資源であり、廃棄物ストリームを価値ある製品にアップグレードするためのいくつかのバイオリファイナリールートが提案されている。バイオリファイナリーのコンセプトに基づくバナナの皮（Musa x paradisiaca）からのバイオガス生産は、バイオガスとエタノール、キシリトール、合成ガス、電気などの他の副産物を得ることができるため、有望な代替手段である。このプロセスは、高生産規模で高い収益性も提供する。^[24]有機廃棄物の嫌気性消化と他の混合培養嫌気性発酵技術の統合の経済的評価が研究された。^[25]最高の利益は、酢酸と酪酸の分離と精製を伴う食品廃棄物の暗発酵によって得られる（食品廃棄物1トンあたり47米ドル）。食品および飲料廃棄物から砂糖シロップを生産するための技術的な実現可能性、収益性、および投資リスクの範囲が分析された。^[26]投資収益率は、フルクトースシロップ（9.4%）、HFS42（22.8%）、グルコースリッチシ​​ロップ（58.9%）の生産で満足のいくものであることが示されています。また、糖シロップは、比較的低い純生産コストと最低販売価格で高いコスト競争力を持っています。レブリン酸の生産のための統合機械的生物化学処理（MBCT）システムによる都市固形廃棄物の価値化が研究されており、^[27]資源回収と製品生成からの収益（ゲート料金を含まない）は、廃棄物収集料金、年間資本および運用コストを十分上回ります。

バイオリファイナリーの主な目標の1つは、資源の保全と温室効果ガスやその他の汚染物質の排出削減によって、より持続可能な産業に貢献することです。しかし、土地利用の変化、水の富栄養化、農薬による環境汚染、環境負荷につながるエネルギーや材料の需要増加など、バイオベース製品の生産には他の環境影響が伴う可能性があります。^[28] ライフサイクルアセスメント（LCA）は、原材料の抽出から最終使用までのプロセスの環境負荷を評価する方法です。LCAは、バイオリファイナリーシステムの潜在的な利点を調査するために使用できます。従来の代替手段と比較してバイオリファイナリーがより環境に優しいかどうかを分析するために、複数のLCA研究が開発されています。

原料はバイオ燃料生産における環境影響の主な原因の一つであり、この影響の原因はバイオマスを栽培、取り扱い、バイオリファイナリーゲートまで輸送する現場での作業に関連しています。^[29]農業残渣は環境影響が最も低い原料であり、次いでリグノセルロース作物、そして最後に第一世代の耕作作物が続きますが、環境影響は作物管理方法、収穫システム、作物収量などの要因に敏感です。^[29]バイオマス原料からの化学物質の製造は環境上の利点があることが示されています。バイオマス由来の原料からのバルク化学物質が研究されており^{[30] [31]}、非再生可能エネルギーの使用と温室効果ガスの排出を節約できることが示されています。

1Gおよび2Gエタノールの環境アセスメントによると、これら2つのバイオリファイナリーシステムはガソリンに比べて気候変動の影響を緩和できますが、2Gエタノール生産ではより大きな気候変動のメリットが得られます（最大80％削減）。^[32]ヤシの空の果実の房を価値ある製品（エタノール、熱と電力、牛の飼料）に変換すると、従来のバイオディーゼル生産に比べて気候変動と化石燃料の枯渇への影響が軽減されますが、毒性と富栄養化のメリットは限られています。^{[15]グリセロールの発酵によって生成される} プロピオン酸は、化石燃料の代替品に比べて温室効果ガスの排出量を大幅に削減しますが、エネルギー入力は2倍になり、富栄養化への寄与が大幅に高くなります。 ^{[33]カナダのクラフト溶解パルプ工場での前加水分解物からの}ブタノールの統合に関するLCAによると、このブタノールの炭素フットプリントはガソリンに比べて5％低い可能性があります。しかし、コーンブタノールほど低くはない（ガソリンより23％低い）。^[34]

食品廃棄物の価値化に関するLCA研究の大部分は、バイオガスやエネルギー生産への環境影響に焦点を当てており、高付加価値化学物質の合成に関する研究はごくわずかでした。^[35]ヒドロキシメチルフルフラール（HMF）は、米国エネルギー省によってバイオベース化学物質のトップ10に挙げられています。HMF製造のための8つの食品廃棄物価値化ルートのLCAによると、最も環境に優しい選択肢は、汚染の少ない触媒（AlCl3）と共溶媒（アセトン）を使用し、HMFの最高の収率（27.9 Cmol％）をもたらし、金属の枯渇と毒性の影響（海洋生態毒性、淡水毒性、およびヒト毒性）が最も高い値のカテゴリーでした。

パルプ・製紙産業は、最初の工業化されたバイオリファイナリーシステムと考えられています。この工業プロセスでは、トール油、ロジン、バニリン、リグノスルホン酸などの副産物が生産されます。^[36]これらの副産物とは別に、システムには内部のエネルギー需要をカバーするためのエネルギー生成（蒸気と電気の形で）が含まれており、熱と電気をグリッドに供給する可能性があります。^[37]

この産業はバイオマスの最大の消費者として定着しており、木材を原料として利用するだけでなく、バ​​ガス、稲わら、トウモロコシの茎葉などの農業廃棄物を処理することもできる。^[38]この産業のその他の重要な特徴は、バイオマス生産のための確立された物流、^[39]肥沃な土地をめぐる食糧生産との競争を回避し、より高いバイオマス収量をもたらすことである。^[40]

完全に稼働しているBlue Marble Energy社は、ワシントン州オデッサとモンタナ州ミズーラに複数のバイオ精製所を所有しています。

Himark BioGas社が嫌気性消化技術に基づいて開発したカナダ初の統合バイオ精製所は、アルバータ州にあります。バイオ精製所は、メトロエドモントン地域から排出される分離有機物、開放型畜舎の肥料、食品加工廃棄物を活用しています。

ケムレック社の黒液 ガス化技術とバイオメタノールやバイオDMEなどの第二世代バイオ燃料の生産技術は、ホストパルプ工場と統合されており、主要な硫酸塩または亜硫酸塩プロセスの廃棄物を原料として利用しています。^[41]

ノバモントは古い石油化学工場をバイオ精製所に改造し、カルドンからタンパク質、プラスチック、動物飼料、潤滑剤、除草剤、エラストマーを生産している。^{[42] [43]}

C16バイオサイエンスは、酵母を利用して炭素含有廃棄物（食品廃棄物、グリセロールなど）から合成パーム油を生産している。^{[44] [45]}

MacroCascadeは海藻を食品や飼料に精製し、その後ヘルスケア、化粧品、ファインケミカル産業向けの製品にすることを目指しています。副産物は肥料やバイオガスの生産に使用されます。その他の海藻バイオリファイナリープロジェクトには、MacroAlgaeBiorefinery (MAB4)、^[46] SeaRefinery、SEAFARMなどがあります。^[3]

FUMI Ingredientsは、ビール酵母やパン酵母などの微生物の助けを借りて、微細藻類^[要説明]から発泡剤、加熱硬化ゲル、乳化剤^[47]を生産しています。^{[48] [49] [50]}

BIOCONプラットフォームは、木材を様々な製品に加工する研究を行っています。^{[51] [52]}より正確には、研究者はリグニンとセルロースを様々な製品に変換することを検討しています。^{[53] [54]}例えば、リグニンはフェノール成分に変換でき、接着剤、プラスチック、農産物（例：作物保護）の製造に使用できます。セルロースは衣類や包装材に変換できます。^[55]

南アフリカでは、Numbitrax LLCがBlume Biorefineryシステムを買収し、バイオエタノールの生産に加え、ウチワサボテンなどの地元で容易に入手できる資源から高収益のオフテイク製品を生産しました。^{[56] [57] [58]}

サーキュラー・オーガニックス（ケンペン・インセクト・バレー^[59]の一部）は、農業や食品産業からの廃棄物（果物や野菜の余剰、果汁やジャムの製造から残った廃棄物など）でミズアブの幼虫を育てています。これらの幼虫は、タンパク質、グリース、キチンの生産に使用されます。グリースは製薬産業（化粧品、^{[60]シャワージェルの} 界面活性剤）で使用でき、パーム油などの他の植物油の代替品として、または飼料に使用できます。^[61]

バイトバックインセクトは、昆虫食用油、昆虫バター、脂肪アルコール、昆虫糞タンパク質、スーパーワーム（ゾフォバス・モリオ）からキチンを生産する。^{[62] [63]}

• 戦術的バイオリファイナリー
• 糖化
• バイオシナジー
• バイオマスからのバイオリファイナリー
• 水相改質。
• ウィスコンシン州バイオ精製開発イニシアチブ。
• バイオリファイナリーフィルム
• 稼働中のバイオリファイナリー施設
• バイオマスから得られる高付加価値化学物質: バイオマスから抽出できる化学物質のリスト