フリッツ・ヘンケルの倉庫は埃っぽくて乾燥していました。前世紀の初め、デュッセルドルフ・ホルトハウゼンにある赤いクリンカーの建物では、何百もの麻袋が屋根まで 15 メートルの高さに積み上げられていました。そこには、抜け目のない商人が大量に必要としていたもの、つまりヤシの実と大豆の種子がぎっしり詰まっていました。労働者たちは重工業のミルを使って穀物から油を搾り出しました。これがヘンケルの洗剤の本質であり、これがヘンケルを有名にしました。油をカリと混合して加熱し、けん化した。石鹸は当時の洗剤の基礎となりました。
第二次世界大戦後、合成洗剤や洗浄剤の人気が高まっているにもかかわらず、創業者フリッツ ヘンケル、その息子ヒューゴ、そして他の後継者全員は常に天然原料に忠実であり続けました。同社は5年前、油脂部門のオレオケミカル部門を新設の子会社コグニス・オレオケミカルズに委託した。ヘンケルの伝統に従い、この会社は現在「再生可能な原料をベースにした特殊化学品の世界最大のメーカー」であると主張しています。デュッセルドルフの会社だけでも、有機油からいわゆる脂肪アルコールを毎年数十万トン生産しています。これらの細長い分子は、化粧品、シャンプー、洗剤、クリーニング製品に必要な現代の界面活性剤の前駆体です。
しかし、化学会社が主に再生可能物質に依存していることはまれです。全体として、ドイツの化学産業において自然由来の材料はわずか 10% 程度にすぎません。最も重要な原料は石油です。これは、ドリンクカップやコンピューターケース用のプラスチック、家具や車の塗料、接着剤や溶剤など、ほぼすべての人が必要とする何千もの異なる製品に加工されます。
したがって、化学産業は減少する商品に依存している。専門家らは、数十年後には石油埋蔵量、少なくとも今日の観点からまだ利益を上げて採掘できる量は使い果たされるだろうと推定している。しかし、何かが起こっています。石油埋蔵量の減少と価格上昇を考慮して、近年、石油の見直しが始まりました。化学会社、研究機関、大学の科学者は、原材料の供給源として自然を再発見しました。砂糖、デンプン、セルロースは、さまざまな製品を製造するための主な候補です。これらの天然基礎材料は、プラスチックや塗料などの原料に変換できる炭素骨格で構成されています。
しかし、畑から出た原料を化学工場で利用することはこれまでそれほど簡単ではありませんでした。すべてのプロセスが石油に合わせて調整されているため、非常に純粋な化学成分を安定した品質で提供します。古典的な石油化学ルートは製油所から始まり、そこで石油成分が互いに分離され、貴重な塩基性物質に精製されます。たとえば、エチレンはわずか数ステップで生成されます。多くのエチレン分子を結合すると、一般的なプラスチックのポリエチレンである長鎖ポリマーが形成されます。
しかし、有機原料の変換にはまったく新しいプロセスが必要であり、その開発はしばらくの間集中的に進められてきました。細菌とタンパク質が重要な役割を果たします。微生物は、その遺伝物質を遺伝子操作することにより、非常に特異的な物質を生産するように調整されます。何十億もの単細胞生物が、発酵槽と呼ばれる家の高さのステンレス製タンクの中で浮遊しています。砂糖やデンプンを与えると、代謝を最大限のパフォーマンスに切り替え、細胞内に目的の物質、たとえばプラスチックの構成要素「モノマー」を構築します。
製薬業界は長い間、細菌を利用してインスリンなどの薬剤を生産してきました。しかし、この「白色バイオテクノロジー」、つまりバイオテクノロジープロセスを使用して化学物質（その多くは白色）を生産する技術は、プラスチックの生産にはまだ確立されていません。問題点: 目的の物質をバクテリア槽から取り出すには、エネルギーと時間がかかる複雑な洗浄手順が必要です。これは医薬品にとっては価値がありますが、安価なプラスチックにとってはそれほど価値がありません。ルートヴィッヒスハーフェンにあるBASFの再生可能原料の専門家、ステファン・フレイヤー氏は、「多くの医薬品は1キログラムあたり数千ユーロの値段がするが、一般的なプラスチックのほとんどはその数分の一の値段でしかない」と語る。
そのため、大手メーカーの化学現場は完全に石油向けになっています。 「ブラックゴールド」はここ数年、ますます高価になってきています。しかし、石油は依然として非常に安いため、石油をベースにしたプラスチック、溶剤、塗料の生産は利益を上げています。再生可能な原材料を大規模に使用する化学工場の場合、収益性の高い生産を可能にする巨大な発酵槽など、まったく新しいシステムを設計および構築する必要があります。フレイヤー氏: 「大規模な化学工場を再生可能な原材料を使用するように転換するには、数十億ユーロの費用がかかるでしょう。」したがって、専門家らは、再生可能原料は化学産業において徐々にしか確立されないと予想している。 「それにもかかわらず、私たちは研究室でバイオテクノロジープロセスの開発に集中的に取り組んでいます。」とフライヤー氏は強調します。たとえば、適切な遺伝子や微生物を探し、それらを技術的に利用するための生産システムを設計します。」しかし、フレイヤー氏はどのような物質や微生物が関与しているのかを明らかにしたくない。
ドイツの化学企業は依然として天然素材へのアプローチに躊躇しているが、化学産業自体とはほとんど関係のない他の企業、つまり食品メーカーは前進を進めている。なぜなら、それらは常に持続可能な原材料源に基づいているからです。たとえば、フランス北部のレストレムにあるロケット社は現在、でんぷんのプラスチック原料への変換を進めている。この小さな町の郊外には、ヨーロッパ最大のでんぷん工場の白い倉庫が平坦な耕作地の上にそびえ立っています。ここでは主にトウモロコシと小麦を粉砕して白い粉にします。ロケット氏は通常、ほぼすべての無糖チューインガムに含まれる砂糖代替品ソルビトールなどの食品添加物を製造するためにそれを使用します。
しばらくの間、同社はコーンスターチの一部をまったく異なる種類の産業プラントに転用してきました。その中で同社は、ポリエステルや実証済みのペットボトル素材のポリエチレン テレフタレート (PET) を製造するための基本分子であるイソソルビトールを製造しています。 「イソソルビトールは、再生可能な化学原料の可能性を最大限に発揮する『グリーンプラスチック』の好例です」と、ロケット社の植物ベースの化学開発エリア責任者のクリストフ・ラップダーレム氏は言う。
食品業界に両足を置く同社にとって、努力する価値はある。結局のところ、化学業界は魅力的な新たな販売市場です。ラップ・ダーレム氏はイソソルバイトの将来性が良好であると見ている。それは、エコプラスチックが加工業者にとって興味深いものとなるために必要な何か、つまり付加価値を備えているからです。ポリマーの耐熱性が高まります。プラスチックと混合すると、90℃以上の温度にも損傷なく耐えることができます。これは、液体を長持ちさせるために高温で液体を充填したい飲料メーカーにとって利点です。
米国の農業企業カーギルはさらに一歩進んだ企業です。数年前、同社はネブラスカ州に世界初の製油所を建設し、そこでトウモロコシをプラスチックであるポリ乳酸のみに加工した。同工場からは年間約14万トンが吐き出される。これを行うために、コーンスターチはまずグルコースシロップに分解され、次に細菌によって乳酸に変換されます。連鎖反応により、乳酸分子は最終的に結合してポリマー、ポリ乳酸 (PLA、ポリ乳酸) を形成します。子会社の Natureworks が現在、PLA の生産施設と販売を引き継いでいます。そこから繊維を紡ぐことができ、通気性のある T シャツやアウトドア ジャケットの製造に使用できます。もちろん生分解性のプラスチックなので、プラスチック製の包装材やフィルム、カップなどにも適しています。もちろんトウモロコシは食料であり、多量の肥料と農薬を使用して成熟するまで育てられます。しかし、ネイチャーワークスは特に PLA 生産のためにトウモロコシを植えるのではなく、食用に使用されず廃棄される余剰作物を使用しています。
「自然に還る」をモットーにしているのは食品企業や農業企業だけではありません。まったく異なる方向性を持つ企業、特に若い企業は、再生可能な原材料に自社の将来を見込んでいます。小型で柔軟なので、アイデアをすぐに実現でき、石油を必要とする何百万ドルもの機械を持ち歩く必要もありません。ボストン近郊のケンブリッジにあるマサチューセッツ工科大学からスピンオフした米国企業メタボリックスは、ドイツの研究者も長年注目してきた物質、ポリヒドロキシアルカノエート（PHA）を専門にしている。この材料は特に多用途です。成分を巧みに混合することで、多くの従来のプラスチックの特性を引き継ぐように設計できます。したがって、Metabolix マネージング ディレクターのダニエル ギリランド氏は、PHA が石油ベースのプラスチックの有望な代替品であると考えています。
PHA は細菌の代謝で生成され、単細胞生物のエネルギー貯蔵として機能します。 Metabolixの研究者らは、細菌がこの物質を過剰に生産するように遺伝子組み換えを行った。彼らにはコーンスターチが与えられています。その後、化学物質を増殖炉から取り出す必要があるが、それだけの価値はある、とギリランド氏は言う。 「これまで研究者らは、25パーセント未満の濃度からPHAを取得しようとしてきました。したがって、その努力には価値がありません。」と彼は言う。しかし、Metabolix では 85% の濃度で作業します。 「私たちは経済的に画期的な進歩を遂げました」と同社のボス、ギリランド氏は嬉しそうに語る。プラスチックの製造は、石油から作られる従来のプラスチックよりも依然として高価です。原油価格の上昇により、PHA の生産はますます収益性が高くなるでしょう。最初のパイロットプラントは 2005 年 10 月からメタボリックス研究所で稼働しています。量産開始は2008年初頭の予定。
さまざまな企業や研究者は依然として、主に個々の化合物に研究を集中しています。新しいビジョンは、植物から豊富な化学物質を抽出する「バイオリファイナリー」です。 「自然の合成力を利用するのは理にかなっています」と、ベルリン近郊のテルトウにある生物活性ポリマーシステム研究所（Biopos）所長のビルギット・カム氏は言う。植物は一生を通じて、タンパク質、脂肪、炭水化物など、直接利用できる貴重な物質を蓄積します。さらに、石油化学が数十年にわたって行ってきたのと同じように、これらの原材料はバイオリファイナリーで化学構成要素に変換できます。このような構成要素はエタノール、アミノ酸、乳酸であり、溶媒やプラスチックの製造に使用できます。
しかし、最も重要な再生可能原料である木材とわらは、その成分であるリグニンとセルロースが特に強力な分子ネットワークで構成されているため、現時点ではそれほど簡単に割れることはありません。少数の菌類を除けば、自然界でさえ、化学カクテルを素早く溶解する効果的な方法を持っていません。枯れ木が腐るまでに長い時間がかかるのも不思議ではありません。したがって、Biopos の研究者は、固体分子ネットワークを解決するために、バイオテクノロジー、物理的、化学的手法を組み合わせて集中的に研究しています。これらには、材料を所定のサイズの小さな粉に粉砕する高度なグラインダーや、酸による処理が含まれます。
Teltow の研究者たちは現在、アイスランドでのバイオ精製所の建設に取り組んでおり、2006 年に開始される予定です。パイロットプラントでは当初、毎年2万トンの大麦わらとアラスカルピナスの干し草をエタノールに加工する。アイスランドのバイオマス協会である Islandic Biomass と数社のコンソーシアムは、これを使用して環境に優しいガソリン用アンチノック剤を開発したいと考えています。リグニンは副産物として生成され、さらに加工されてポリマーになります。
バイオリファイナリーの概念は多くの研究者にとって魅力的ですが、物質の分離と精製は非常に困難です。完全なコンセプトを実装するには、まだ多くの研究開発が必要です。ただし、初期のアプローチはすでに実装されています。しかし、大量のバイオマスを単一の最終製品に変換する方が有望である可能性があります。なぜなら、このような単純なプロセスチェーンにより、経済的に作業し、価格の点で原油と競争できるからです。したがって、一部の研究者は、いわゆる熱分解プロセスを使用してバイオマスを個々の分子構成要素に分解することを主張しています。最初のステップでは、バイオマスはまず油状の中間生成物に加工されます。利点: 化学産業は、既存のプラント技術を使用して処理できる原材料を利用できるようになります。
カールスルーエ研究センター (FZK) 技術化学研究所の科学者らは、わらでもこれが可能であることを示しました。これまでのところ他に類を見ないパイロットプラントで、カールスルーエの科学者たちは熱砂を入れたわらを摂氏500度まで加熱している。これにより、最初は黒いオイルとコークスの混合物、いわゆるスラリーが生成されます。第 2 ステップでは、スラリーは水素と一酸化炭素からなる合成ガスに変換されます。これら 2 つのガスは、燃料、メタノール、およびさまざまな化学物質を合成するための基本材料です。 FZKの研究者らの計算によると、ドイツだけで農業に不要なわらが毎年約2000万トン生産されているという。これは国内の燃料必要量の約10％をカバーすることになる。あるいは、化学生産に利用される可能性もあります。ドイツは毎年約 1 億 5,000 万トンの原油を輸入しています。化学産業では約 7% しか使用されていません。大部分は自動車のエンジン内で燃焼します。カールスルーエの研究者の計算に従えば、理論的にはわらだけで化学産業の化学品製造用原料の需要を満たすことができる。
「概して、これらの新しいプロセスはすべて、依然としてコストの議論によって損なわれる可能性があります」とオーバーハウゼンのフラウンホーファー環境・安全・エネルギー技術研究所のゲルゲ・ディアバーグ氏は言う。 「50 年間にわたって確立されてきた石油化学技術ほど費用対効果の高い方法はありません。」再生可能原料からのポリ乳酸 (PLA) の生産コストは 1 キログラムあたり約 2 ～ 2.5 ユーロで、これは石油からのポリエチレンまたはポリプロピレンの生産の約 2 倍です。
たとえ石油が枯渇しても、基礎化学物質を抽出するための石炭や天然ガスはまだ残ります。 「しかし、気候保護を真剣に考え、長期的に安全な原材料ベースを目指して努力するのであれば、再生可能な原材料を避ける方法はありません」とディアバーグ氏は確信しています。そのため、このプロセス エンジニアは、ホワイト バイオテクノロジーの開発を推進するために、フラウンホーファーの 8 つの研究所の連合に参加しています。
ディアバーグ氏は現在、小型バイオリファイナリーのコンセプトに取り組んでいます。彼は、工場の準備からプラスチックの完成品に至るまで、生産サイクル全体を検査します。特に、比類のないユニークな特性を備えた製品に重点が置かれています。たとえば、コハク酸をベースにしたプラスチックは非常に強度が高く、磨耗のないギアに加工できます。このような特殊材料については、大量生産製品ほどコストの議論は重要ではありません。
コハク酸は、Görge Deerberg のお気に入りの分子です。これはさまざまな化学構成要素に変換でき、米国政府の研究で再生可能原料からの最も重要な化合物として選ばれた 12 種類の基礎化学物質のうちの 1 つです。研究によると、現代の化学産業にとって重要な物質はすべて、これら 12 種類の持続可能なエッセンスから生産できるとのことです。
ディアバーグ氏は、砂糖やデンプンからコハク酸を生成する微生物も研究しています。彼はまた、発酵ブロスから原料を分離するさまざまな方法を比較し、水を蒸発させるシステムと膜フィルターのどちらが適しているかを確認します。フラウンホーファーの科学者は、システムを拡張するためのコンセプトも設計しています。これは思っているよりも難しいです。バイオリアクターをより寛大に設計するだけでは十分ではないからです。たとえば、原生動物が損傷しないように、バクテリア槽のスターラーのサイズも変更する必要があります。
Deerbergらはまず、得られたコハク酸を化学処理によって原料ポリマーに変換する。研究者らは次に、この材料を添加剤と混合して「コンパウンド」を形成し、特定のプラスチック特性を実現します。次に、材料が丈夫か弾力性があるか、半透明かマットかなど、どの程度うまく加工できるかをチェックします。これは、研究者がプラスチックが既存のプラスチックに追いつくことができるかどうかを確認できる唯一の方法です。これは、最終的に同等の製品を顧客に提供するために不可欠です。 「中規模のプラスチック加工業者は、結果として自社の製品の品質が損なわれないことを保証しない限り、再生可能原料からのプラスチックを使用するためだけに機械を改造する余裕はありません。」とディアバーグ氏は強調します。
Alfred Westfechtel の方が簡単です。ヘンケルの分社であるコグニスオレオケミカルズの開発化学者は、数十年にわたって開発されたプロセスに頼ることができます。同社は、さまざまな用途向けに脂肪酸、グリセリン、エステルなどの原材料を提供しており、さらには石油生産用の生分解性掘削助剤も提供しています。しかし、天然油脂は高価です。まず植物を育て、次に植物から油を抽出して洗浄する必要があります。化学処理中、価値ある商品を得るために、反応生成物のあらゆる副流を利用するために細心の注意が払われます。たとえば、ほとんどのプロセスの副産物として大量に生産されるグリセリンは、化粧品においてさまざまな方法で使用できます。この物質は、プラスチックの前駆体であるプラスチックボトルの製造用の 1,3-プロパンジオールに変換することもできます。したがって、石油を使わずに持続可能な化学製品を実現する道はたくさんあります。 ■
生物学者で物理学者のティム・シュレーダーは、オルデンブルクでフリーランスの科学ジャーナリストとして働いています。今号の 106 ページ以降では、自動車のセンサーについても報告しています。
ティム・シュレーダー
コミュニティ インターネット
バイオプラスチック産業協会 (IBAW):
www.ibaw.org
フラウンホーファー環境・安全・エネルギー技術研究所:
www.umsicht.fhg.de
Cognis GmbH のホームページ:
www.cognis.de
研究機関生物活性ポリマーシステム (biopos):
www.biopos.de
タイトルなし
• 再生可能物質は現在、ドイツの化学産業の原材料の 10% のみを提供しています。
• 確立された石油ベースの生産プロセスを天然物に転換するのは複雑で費用がかかります。
• ドイツの研究者は現在、アイスランドでのバイオリファイナリーの建設に参加しています。
タイトルなし
中国の急成長する経済により、昨年の石油消費量は3,000万トン近く（14％）増加し、3億900万トンとなった。 2004 年の世界の原油需要は、3% ほど増加して 38 億トンとなりました。これは、中王国における石油消費量が過去 10 年間で 150% 増加したことを意味します。 2005 年には、国内需要の約半分を輸入する必要があると推定されました。
世界の石油需要に占める中国のシェアは、2004 年には前年に比べて 7% から 8% に増加しました。これは、この国が世界最大の石油消費国ランキングで依然として第 2 位であることを意味しており、議論の余地のないリーダーは依然として米国であり、2004 年の石油消費量はさらに 2%、約 2,000 万トン増加し、9 億 2,700 万トンとなっています。国内生産の減少により、米国の輸入シェアは現在65％に上昇している。 10年前、米国は石油消費量の約半分を自国の資源で賄っていた。日本は2004年にも石油消費量で第3位となった。しかし、石油消費量が多い国で消費量が減少したのは日本だけで、1%相当減の2億5,100万トンとなった。 2004 年の石油消費量第 4 位はロシアで、1 億 3,200 万トン (+4%)、次いでドイツが 1 億 2,400 万トンで第 5 位でした。
