De Japanse biobased economy

Paul op den Brouw, NOST Tokyo

Origineel gepubliceerd op de site van Agentschap NL.

Het Japanse beleid gericht op de benutting van biomassa is meer dan tien jaar geleden van start gegaan. De ministeries van onderwijs, economie en landbouw spelen hierin de belangrijkste rol.

Samenvatting

Het Japanse beleid gericht op de benutting van biomassa is meer dan tien jaar geleden van start gegaan. De ministeries van onderwijs, economie en landbouw spelen hierin de belangrijkste rol. Het Nippon-Biomass project richt zich op de commercialisering van bio-ethanol. Onderzoek naar hoogwaardige biobased chemische producten vindt plaats in het kader van RIKEN Biomass Engineering programma, in projecten als iBioK aan Kobe University en het BRRC, vaak in samenwerking met bedrijven. Verder wordt op dit gebied veel individueel onderzoek bij een groot aantal universiteiten gefinancierd via JSPS en NEDO.

Inleiding

De afgelopen tien jaar heeft de Japanse overheid uitvoerig beleid ontwikkeld voor de benutting van biomassa voor energie en biobased producten (zie fig. 1). Dit beleid is in 2010 opnieuw vastgelegd in het Basic Plan for the Promotion of Biomass Utilization. Het moet bijdragen aan de realisatie van een stabiele energievoorziening en een maatschappij met een lage CO₂-emissie in het kader van de Green Innovation ambitie. De drie meest betrokken ministeries bij dit beleid zijn: MEXT, METI en MAFF.*  MAFF draagt bij aan de inspanningen van MEXT voor de integratie van biomassa in de grootschalige productie van biobrandstoffen. MEXT is daardoor in staat technologie te ontwikkelen voor ‘bio-productie’ op basis van cellulose materialen, zoals rijststro en voor het verbouwen van energiegewassen. METI is verantwoordelijk voor de implementatie van R&D door verlaging van de kosten en vergroting van de efficiëntie van de benutting van biomassa. (1) Die commercialisering is ondertussen al ver gevorderd. De verwachting is dat Japans biomassamarkt in 2015 twee miljard euro groot zal zijn (apparatuur, fabrieken en biobased producten); ruim 200 procent groter dan in 2010. (2)

Fig. 1 Beleidsontwikkeling biomassa in Japan (bron: zie ref.1).

MEXT

RIKEN Biomass Engineering Program
MEXT ondersteunt bij het onderzoekinstituut RIKEN het Biomass Engineering Program. Dit programma ontwikkelt biotechnologische processen die rechtstreeks leiden tot materialen of plastics uit biomassa. RIKEN’s onderzoekers krijgen tien jaar de tijd om samen met universiteiten en bedrijven  te werken aan drie strategische doelen:

1. Creatie van superplanten: door de functionele eigenschappen van planten te verbeteren  worden ze geschikt gemaakt voor snellere en eenvoudige decompositie waardoor de productie van chemische producten kan worden verhoogd.
2. Ikki tsukan bioprocessen: met een minimum aan synthesestappen de meest directe route naar chemische producten ontwikkelen.
3. Bioplastics: door gebruik te maken van onder andere polymelkzuur biopolymeren ontwikkelen.

Momenteel werken zes teams aan respectievelijk celluloseproductie (Taku Demura), synthetic genomics voor de productie van plastics in planten (Minami Matsui), enzymonderzoek (Keji Numata), microbiële  cellen als productiefabrieken (Akihiko Kondo),  bioplastics onderzoek (Hideki Abe). Het programma staat onder leiding van Kazuo Shinozaki, die zelf aan het hoofd staat van het  platform team. (3)

 

iBioK
MEXT ondersteunde via een speciaal programma voor innovatiecentra voor geavanceerd interdisciplinair research (4) al het project Innovative BioProduction Kobe (iBioK) aan de Kobe University gefinancierd. (5) Dit project staat onder leiding van bovengenoemde professor Akihiko Kondo, directeur van het Biorefinery Center. iBioK is een samenwerkingsverband van onderzoekers dat zich met bedrijven (6) richt op de commercialisering van de bio-productie van een aantal chemische producten. Het ontwikkelt basistechnologieën (research engines) voor praktische bio-productie. Deze basistechnologieën zijn: analyse van bronnen van biomassa (samen met de landbouwfaculteit), voorbehandeling (met de landbouw- en engineeringfaculteiten), cellen van micro-organismen als productiefabriekjes, opschaling van bio-processen (25 en 50 liter bioreactoren), zuivering en chemische processen en de wetenschappelijk onderbouwing voor regelgeving en veiligheid (zie fig. 2)

Fig. 2. De research engines ontwikkeld door iBioK/Kobe University (bron: zie ref. 5).

iBioK Op zoek naar nieuwe bronnen van biomassa heeft iBioK onderzoek gedaan naar plantaardig materiaal met relatief weinig lignine, snelgroeiende energiegewassen met een hoog cellulose gehalte en breedbladig plantenmateriaal voor grootschalige productie. Het onderzoek naar voorbehandelingsmethoden richt zich op de liquefactie van biomassa en de productie van cellulases (met behulp van Aspergillus sp en/of Stretomyces sp), die kunnen worden toegepast na fysische en/of chemische voorbehandeling.  Zo werden verschillende technieken ontwikkeld op basis van hydrothermische, basische of ionische vloeistofbehandeling. Omdat elke biomassa een eigen moleculaire structuur heeft, worden met de grote synchrotronfaciliteit, Spring-8, regelmatig analyses gedaan voor de bepaling van de beste en goedkoopste voorbehandelingsmethode met een zo hoog mogelijke opbrengst aan suikers. Na de voorbehandeling moeten de microbiële cell factories hun werk doen. Door het ontwikkelen van nieuwe synthetische routes naar biobased producten, nieuwe enzymen en een geheel nieuw genoom neemt het vermogen van de cellen om biomassa om te zetten toe. De energievoorziening, de redox balans en de tolerantie van deze cellen voor fermentatie inhibitoren kan zodanig gemanipuleerd worden dat een hogere opbrengst aan een bepaald gewenst eindproduct ontstaat onder specifieke condities als zuurgraad en temperatuur. De celfabriekjes worden gemanipuleerd met behulp van cell surface engineering en synthetische bio engineering. Aan het oppervlak van het membraan van de celfabriekjes worden enzymen aangebracht. Gisten worden zodoende uitgerust met biokatalysatoren (arming yeast) (7). Hydrolyse en omzetting van suikers in producten kunnen dan tegelijkertijd plaatsvinden.

Steun aan individuele onderzoekers
De Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) ondersteunt het onderzoek naar biobrandstoffen en biobased chemicaliën via grants-in-aid aan individuele (jonge) onderzoekers. Daarnaast financiert JSPS onderzoekers via speciale programma’s , zoals het  Funding Program for World-leading Innovative R&D on Science and Technology (FIRST) of het  via het Funding Program for Next Generation World-leading Researchers (NEXT). Dit onderzoek is kleinschaliger en richt zich bijvoorbeeld op de ontwikkeling van nano-deeltjes voor selectieve hydrogenolyse (8) of het gebruik van ionische vloeistoffen voor het oplossen van enzymen of polymeren. (9) Soms worden projecten, afhankelijk van de fase waarin het onderzoek zich bevindt, gefinancierd door verschillende organisaties (zie kader).

Het Japan Science and Technology Agency (JST) financiert op innovatie gericht onderzoek onder andere via de onderzoekprogramma’s Creation of Basic Technology for Bioenergy Production through Functional Analysis and Regulation of Algae and Other Aquatic Microorganisms en Creation of Innovative Technologies to Control Carbon Dioxide Emissions. (10)

Chemo-microbiële omzetting van cellulose in poly(3-hydroxybutyraat) (P3HB) met behulp van ruthenium gekatalyseerde hydrolyse van cellulose in glucose In 2011 publiceerde onderzoekers van de Hokkaido University de resultaten van hun onderzoek naar de productie van poly(3-hydroxybutyraat), een polyhydroxyalkanoaat (PHA).  PHA’s zijn biobased en bio-afbreekbare plastics die door bepaalde stammen van bacteriën worden geproduceerd. Ze zijn een serieus alternatief voor op fossiele grondstoffen gebaseerde materialen. Tot voor kort zijn de productiekosten nog een beperking voor het bredere gebruik van PHA’s. Een manier om de kosten te beperken ligt in de beschikbaarheid van een goedkope grondstof voor de PHA productie. Met behulp van ruthenium katalysatoren valt een cellulose hydrolysaat te genereren met voldoende glucose die kan worden omgezet in gerecombineerde E. coli tot P3HB. Het bijproduct 5-hydroxymethylfurfural  (5-HMF) remt de celgroei van de bacteriën. Vermindering van de hoeveelheid HMF in het hydrolysaat verbetert de productie efficiëntie van P3HB. De Ru-katalysator blijkt een bruikbare weg naar de hydrolyse van cellulose en de productie van biobased plastic uit biomassa. Dit onderzoek is een voorbeeld van steun door verschillende overheidsorganisaties. Door MEXT vond financiering plaats in het kader van het Global COE Program ‘Catalysis as the Basis for Innovation in Materials Science’, de Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) verstrekte  een grant in aid en de Japan Foundation of Applied Enzymology en van NEDO leverde projectfinanciering. (11)

 

METI

De industrialisering en commercialisering van de resultaten van onderzoek naar biomassa als bron voor niet fossiele energie en biobased chemicaliën valt onder de verantwoordelijkheid van METI met NEDO* als uitvoeringsorganisatie. Aanvankelijk lag daarbij de focus vooral op energie uit biomassa (zie fig. 3) (12), met name op de ethanol-productie uit houtachtige biomassa op basis van technologie van het Japan International Research Center for Agricultural Science (JIRCAS) en een drietal R&D en internationale demonstratieprojecten. In Izumi in Kyushu demonstreerde NEDO met het Japanse bedrijf JGC ethanolproductie met Arkenol technologie sinds 2002 (13). Toray werkte aan de R&D van membraan geïntegreerde versuikering van cellulose houdende biomassa en Nagoya University aan de efficiënte versuikering van afvalhout samen met het bedrijf Oji Paper. Behalve aan bio-ethanol werd er ook gewerkt aan de productie van biodiesel in twaalf steden in Japan uit afvalolie en zonnebloem- en koolzaad. Hierbij waren vijf jaar geleden de Kyoto, Seikei en de Yamanashi universiteiten betrokken. (1)

Tegenwoordig ondersteunt NEDO ook commercialiseringstrajecten van hoogwaardige biobased chemicaliën, zoals bijvoorbeeld de productie van propaandiolen uit glycerol verkregen uit de fermentatie van suikers.

Fig. 3 Tot 2009 was biorefinery R&D in Japan vooral gericht op de productie van bio-ethanol (Bron: zie ref. 14).

 

Biomass-Asia Project en BRRC (AIST)
Het National Institute of Advanced Industrial & Technology (AIST) is van het begin betrokken geweest bij het onderzoek naar bio-ethanol en biodiesel.  In 2002 startte AIST met de uitvoering van de Biomass Nippon Strategy (zie fig. 1). Vervolgens  werd in 2004 het Biomass-Asia Research Consortium opgericht en sinds 2006 is het projectteam van het Biomass-Asia project ondergebracht bij de internationale afdeling van de  innovatiestimuleringsdivisie van AIST. De leider van dit project is Kinya Sakanishi, directeur van het Biomass Technology Research center (BTRC).

Dit initiatief gaat uit van de overvloed aan biomassa in Azië, dat dertig procent van de in wereld beschikbare hoeveelheid binnen zijn grenzen heeft, de behoefte aan technologieontwikkeling en aan goedkope en efficiënte verwerkingsprocessen en het vastleggen van de intellectuele eigendom die voortvloeit uit het Japanse onderzoek. Japan zoekt daarbij de samenwerking in Azië met landen als Maleisië, Thailand en Indonesië.  De bedoeling is gezamenlijk nieuwe energietechnologieën en industriële biotechnologie te ontwikkelen, de CO₂-emissie te reduceren en biomassa optimaal te benutten.  In Japan nemen behalve AIST deel aan het consortium: JIRCAS, de National Agricultural and Food Research Organization (NARO), het Forestry and Forest Product Institute (FFPRI), de Universiteit van Tokio en de Hiroshima Universiteit. In ASEAN verband wordt gewerkt aan drie modellen:

1. ASEAN Islands Model: palm complex model (Maleisië en Indonesië).
2. ASEAN Continental Model: rijst en suiker complex model (Thailand en Vietnam).
3. China Model (benutting van hybride reststromen uit de landbouw).

Met Maleisië heeft het BTRC in 2009 gewerkt aan de syngasproductie via vergassing van houtafval van oliepalmen. In 2010 is de synthese van dimethylether uit syngas via een eenstapssynthese met behulp van bi-functionele katalysatoren onderzocht.

Voor de uitwerking van de eerste fase van het Kyoto Protocol (2008-2012) kreeg het in 2005 in Chugoku opgerichte BTRC een speciale rol in de ontwikkeling van de efficiënte en duurzame benutting van biomassa. In 2010 werd dit onderzoekscentrum verplaatst naar het Higashi-Hiroshima Science Park. Hier werkten afgelopen jaar bijna 40 vaste en 40 tijdelijke onderzoekers. Dit centrum is grootste onderzoek centrum voor biomassa in Japan. De belangrijkste vier onderzoekgebieden betreffen:

1. De ontwikkeling van efficiënte ethanol productie uit ligno-cellulose materialen via voorbehandeling zonder zwavelzuur met enzymatische vorming van suikers.
2. De ontwikkeling van technologieën voor BTL-FT diesel  via vergassing, hete gassen reiniging, Fischer-Tropsch synthese, hydro-cracking en isomerisatie.
3. De ontwikkeling van economische en milieu gerelateerde evaluatiemodellen van productieprocessen via simulaties.
4. De bouw van een biomassaverwerkingssystemen in Azië via het bovengenoemde Biomass-Asia project.

De laatste jaren is door AIST ook het onderzoek naar de productie van bioplastics opgepakt, zoals bijvoorbeeld de productie van polyamide 4 via glutaminezuur en γ-aminoboterzuur en 2-pyrrolidon .(15)

In 2012 werd BRTC gereorganiseerd tot het Biomass Refinery Research Center (BRRC) voor de ontwikkeling van basistechnologieën voor de omzetting van houtachtige biomassa in chemicaliën, composietmaterialen en brandstoffen. Daarmee verschoof de aandacht sterker naar producten met een hogere toegevoegde waarde. Behalve onderzoek naar primaire conversietechnologieën wordt ook aan concrete producten gewerkt. Kennisoverdracht en benutting van de onderzoeksresultaten hebben hoge prioriteit gekregen. Het centrum kan in principe zeven jaar vooruit, tot eind maart 2019. Het staat onder leiding van Satoshi Hirata en is gespecialiseerd in scheidings-, enzym- bioconversie-, cellulose en BTL-onderzoek. Bovendien werkt één team aan praktische demonstraties en toepassingen van dit onderzoek. Momenteel heeft het centrum 65 medewerkers. (16)

*MEXT: Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology.
*METI: Ministry of  Economy Trade and Industry
*MAFF: Ministry of Agriculture, Forestry and Fisheries
*NEDO = New Energy and Industrial Technology Development Organization

Bronnen

1. White paper on Science and Technology 2012, MEXT. 
   Beleidsontwikkeling biomassa in Japan.
   Strategy for the commercialization of Biomass (MAFF).
2. Japan’s Biomass Market Estimated to Approach 257.9 Billion Yen in FY2015, Japan for Sustainable.org 2012).
3. Research teams van het RIKEN Biomass Engineering Program.
4. Special Coordination Funds for Promoting Science and Technology, Creation of Innovation Centers for Advanced Interdisciplinary Research Areas (MEXT).
5. Innovative Bio Production Kobe (iBioK).
6. Asahi Kasei Corp., Ezaki Glico Co, Ltd., Kaneka Corporation, Nippon Shokubai Co., Ltd., Nippon Paper Industries Co., Ltd., Gekkeikan Sake Company, Ltd., Cosmo Oil Co.,Ltd., Daicel Corporation, Teijin Limited, Nagase & Co, Ltd., Nitto Denko Corporation, Bio-energy Corporation, Fujicco Co., Ltd. en Mitsui Chemicals, Inc.
7. Zie bijvoorbeeld: M.Ueda, e.a., Cell surface engineering of yeast: constructing of arming yeast with biocatalyst, J. Biosc. Bioeng. (2000), 90 (2) pag. 125-136.
8. Prof. Atsushi Fukuoka, Synthesis of Fuels and Chemicals by Catalytic Conversion of Inedible Biomass, Hokkaido University, Catalysis research Center, project 2008-2012; budget  1,4 miljoen euro.
9. Prof. Hiroyuki Ohno, Development of Ionic Liquids for Biomass, Tokyo University of Agriculture and Technology, Institute of Symbiotic Science and Technology project 2009-2013; budget 1,4 miljoen euro.
10. Creation of Innovative Technologies to Control Carbon Dioxide Emissions, JST 2008-2010.
11. Ken’ichiro Matsumoto, e.a. Chemo-microbiële omzetting van cellulose in poly(3-hydroxybutyraat) (P3HB) met behulp van ruthenium gekatalyseerde hydrolyse van cellulose in glucose, Bioresource Technology (2011) 102 (3), pag. 3564-3567.
12. NEDO projects: Energy and Environmental Technologies.
13. Izumi Biorefinery, NEDO’s application of Arkenol’s concentrated acid hydrolysis technology for the conversion of biomass to ethanol (2004).
14. Makoto Toba, Current status of bio-refinery technologies  in Japan and upgrading technologies of Biofuels (AIST, 2009).
15. Novel Biodegradable Polyamide 4, AIST 2005.
16. Biomass Refinery Research Center