横須賀地区 バイオマスから液化アンモニアを使って有用成分を抽出する技術を開発
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研究内容のご紹介

バイオマスから液化アンモニアを使って有用成分を抽出する技術を開発

火力発電プラントの脱炭素化促進とカーボンニュートラルに係る事業創出を支援

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概要

国内の二酸化炭素(CO₂)排出量の約4割を占める火力発電所では、アンモニア(NH₃)を脱炭素燃料として利用することで、CO₂排出量を削減する取り組みが進められています。電力中央研究所では、発電所に受け入れる際の液体状態のアンモニアが、バイオマスから有用成分を抽出するための溶媒として活用できることを見出しました。そこで、燃料として燃やす前の液化アンモニアを抽出溶媒として活用することにより、発電時のCO₂排出量を削減しながら、バイオマス由来カーボンリサイクル製品(バイオ燃料、化成品、医薬品など)を併産する新たな事業の創出を支援する技術開発に取り組んでいます。

抽出溶媒としてのアンモニアの特徴

アンモニアは可燃性の毒劇物ですが、肥料原料や脱硝剤として長年にわたり使用されており、安全管理を含めた産業利用の経験が蓄積された化合物です。このアンモニアは、燃焼時に二酸化炭素(CO₂)を排出しないことから、近年、エネルギーキャリアとしての利用拡大が期待されています。液体状態のアンモニアの特徴の1つ目は、さまざまな有機物・無機物を溶解し、水を含むバイオマスへの浸透性が高い非水溶媒あることです。特徴の2つ目は、アンモニアは常温常圧では気体ですが、加圧(20℃で約8.5気圧)あるいは冷却(1気圧で約マイナス33℃)することで容易に液化することです。これらの特徴により、抽出溶媒として使用したあとのアンモニアは、常温付近で液体から気体に変化させることができるため、抽出物や固体試料から容易に気化して分離回収することができます。

液化アンモニアを用いた抽出プロセスのイメージ

上記のようなアンモニアの溶媒としての優れた特徴を活かした抽出プロセスを構築することで、バイオマスに含まれる有用成分を効率的に抽出し、CO₂排出削減効果の高いカーボンリサイクル製品を生産することができます。電力中央研究所が開発を進める抽出プロセスは、

1.液化アンモニアとバイオマス試料を混合

2.バイオマス成分を液化アンモニア中に抽出

3.抽出液と固体試料を固液分離

4.抽出液からアンモニアと抽出物を気液分離する

という4つの工程で構成されます。液化アンモニアによる抽出によって、発電用燃料などとして利用できる気体アンモニアとともに、バイオ燃料(航空用燃料、バイオディーゼル、エタノールなど)、化成品、医薬品などの原料となる抽出物および固体試料を得ることができます。

 

図1 液体アンモニアによる成分抽出原理のイメージ
※NH3は加圧(20℃で0.85MPa)あるいは冷却(常圧で−33.5℃)することで容易に液化

未破砕の湿った微細藻類から直接SAF成分を抽出することに成功

既存の微細藻類からバイオ燃料を生産する工程では、有機溶媒による抽出前処理である「乾燥」および「破砕」に製造工程全体の約80%のエネルギーを消費すると試算されています1)。電力中央研究所では、液化アンモニアを抽出溶媒として用いることで、未破砕の湿潤微細藻類から持続可能な航空用燃料(SAF)原料となる脂質を直接抽出できることを見出しました2, 3)。しかも、液化アンモニアによる抽出物には、乾燥・破砕を必要とする既存法と同等かそれ以上の収率で、SAF原料となる脂質を抽出することができます。

図2 液化アンモニアによる微細藻類からのSAF成分抽出
A,ヘキサン(既存法)および液化アンモニア(NH3法)によるバイオ燃料生産プロセスの比較; B, 微細藻類からのSAF成分抽出特性

水分を含むバイオマス試料から少ないエネルギー消費量で有用成分を抽出可能

これまでに微細藻類、植物バイオマス、廃棄物などの様々なバイオマスに同抽出技術を適用して、バイオ燃料、化成品、および医薬品原料となる成分を抽出できることを確認しました。本抽出プロセスでは、多くの抽出技術で必要とされる「乾燥」や「破砕」といったエネルギー消費量の大きい工程を必要としないため、水を含むバイオマス(微細藻類、植物、廃棄物など)からの成分抽出に必要なエネルギー消費量を大幅に低減することが可能です。これにより、SAFなどのバイオ燃料生産における実質的なエネルギー生産量(エネルギー生産量からエネルギー消費量を差し引いた値)を大幅に向上することができます。

図3 藻類バイオ燃料生産プロセスにおけるエネルギー消費量試算例
※収穫後サンプルから脂質抽出物( SAF原料)を得るまでの工程を対象として試算

今後の展望

バイオマスは再生可能な有機資源であり、カーボンリサイクル社会の実現に向けて、その利用拡大が期待されています。液化アンモニアによる抽出技術は、微細藻類に加えて、植物資源や廃棄物などのさまざまな未利用資源に適用可能であり、燃料、化成品、医薬品分野など、幅広い用途への展開が見込まれます。

エネルギーキャリアとして利用拡大が期待されるアンモニアを、バイオマス成分の抽出溶媒として活用することで、火力発電プラント等におけるCO₂排出削減と、カーボンリサイクル製品の生産を同時に実現することが可能になります。本技術により、未利用バイオマスを活用した新たな事業の創出や、非電力部門におけるCO₂排出削減への貢献が期待され、電力分野にとどまらない幅広い領域での脱炭素化に貢献することができます。

今後は、本技術の実用化に向けて、企業や大学・研究機関等との連携を強化しながら、本抽出プロセスの高度化および社会実装を進めていきます。

図4 火力のゼロエミッション化と資源循環の両方を促進

参考文献

1) Lardon et al., Environ. Sci. Technol., Vol. 43, 17, 6475-6481 (2009)

2) Sakuragi et al., Bioresource Technology Reports, Vol. 24, 101623 (2023)

3) Sakuragi et al., Bioresource Technology Reports, Vol. 25, 101757 (2024)

関連する研究者一覧

櫻木 潔

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上席研究員
博士(農学)

前田 有輝

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主任研究員
博士(工学)

河瀬 誠

河瀬 誠

研究推進マネージャー
博士(エネルギー科学)

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大高 円

上席研究員

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