バイオテクノロジーの環境技術への応用

バイオテクノロジーの環境技術への応用

平成１２年８月
総務課企画調査室

第１章　総論

１．　はじめに

　近年における世界的な環境保護意識の高まりのもと、経済活動と環境保全の両立が、今後ますます要請される状況である。
　ＯＥＣＤ特別専門委員会は、1994年よりバイオテクノロジーを応用した環境関連技術に関しての検討を継続的に行い、このほどその報告書が「バイオテクノロジーと21世紀の産業」としてまとめられた（日本ではバイオインダストリー協会の編訳として出版されている）。報告書の要旨は以下の通り。

（１）	21世紀は持続可能(sustainable)な工業の発展のために、環境調和型技術が要求される時代。
（２）	今後は、レメディエーション（汚染修復技術）ではなく、プリベンション（汚染をひきおこさない製造プロセスと製品）が特に重要。
（３）	バイオテクノロジーは、上記の目的に最適な、環境調和型のクリーンテクノロジー。
（４）	環境破壊が問題になっている化学、医薬品、紙、パルプ、織物、皮革、食品、飼料、金属、鉱物、エネルギーなどの分野を中心に一層の発展を期待。

　このような潮流を受け、当該分野の特許出願状況を世界的な観点から把握するとともに、出願の底流となっている技術動向の推移の確認、当該技術の対象となる市場の認識、企業活動および研究開発活動の状況把握等を有機的に関連づけることが有用と考えられる。

２．　調査対象分野

　「バイオテクノロジーの環境技術への応用」は、

（１）	生物由来資源を原料として利用するなどして、環境負荷が少ない方法で製品を製造する。
（２）	従来の製品を、生物由来資源を用いた環境負荷の少ない製品で代替する。
（３）	汚染された環境を、生物および生物由来物質を用い浄化修復する。

　というきわめて広い概念を包含しているが、全体を２１の注目技術分野に整理し、調査を行った。注目技術の一覧を表1-1に示す。

表１－１：「バイオテクノロジーの環境技術への応用」注目技術

製造方法・製品に関するもの：プリベンション技術として重要

資源に関するもの

環境浄化修復に関するもの

情報処理に関するもの：プリベンション技術として重要

３．出願動向

３．１　全出願件数推移

　世界的にみた本分野の出願件数推移を図1-1に、日本の出願件数推移を図1-2に示す。
全般に件数が多いのは有機物質およびその製造方法についてであるが、最近はバイオインフォマティクス関係等、出願が急増している技術がいくつかあることも認められる。

図1-1　全出願件数推移（範囲：世界,ＤＢ：WPI）

（注意）ＷＰＩはFamily出願があるが、Basicの出願を１件としてカウントした。

図1-2　全出願件数推移（範囲：日本、ＤＢ：PATOLIS）

（注意）
　日本において９６年以降出願数が見かけ上減少しているのは、ＰＣＴ出願がデータに反映されていないため。ＰＡＴＯＬＩＳは日本の公開公報をベースにしているので、日本で再公表されるのに時間がかかるＰＣＴ出願のデータが反映されない傾向にある。

３．２　日本に対する出願比率

　全世界の出願に占める日本に対する出願比率を図１－３に示す。
　技術全体では日本出願は世界の約４割を占めている。
　個々の技術により、日本出願比率にはかなり差があることが判る。すなわち、製造方法、製品、環境浄化に関するものは平均的な比率で日本出願がなされているが、資源に関するものは低めである。特に、強化原油回収や金属抽出に関する出願が少ないのは、資源小国である等の日本の国情が示されていると云えよう。さらに、情報処理技術であるバイオインフォマティクスについては日本出願の比率も著しく低く、この分野における日本の立ち遅れ状況を明瞭に示しているものと思われる。
　また、分離技術、水の多段階生物処理等、プロセス工学に関する出願も日本は低めである。

図1-3　日本に対する出願比率

（注意）

ＰＡＴＯＬＩＳ出願件数／ＷＰＩ出願件数で算出。ただし、ＷＰＩのbasic特許は、平均1.4件のprimary出願が含まれることから補正。

第２章．　各論

１．はじめに

　全体の中から特に重要な技術分野と考えられる個別技術を抽出し、それぞれにつき特許出願状況、技術動向、市場動向、企業動向等の調査を詳細に行い、またこれらを解析して将来予測を行った。抽出にあたっては、各テーマの技術や市場の成熟度等を考慮して、できるだけバラエティを持たせるように心がけ、結果として以下の4テーマを選定した。

（１）	有機物質の製造方法
	1,3-プロパンジオール
	アクリルアミド
	抗生物質中間体（特にセファロスポリン、ペニシリン関連）
（２）	製紙関連技術
（３）	バイオマスエネルギー（特にバイオマスエタノール）
（４）	汚染土壌のバイオ浄化（バイオレメディエーション）

２．調査結果

　各テーマ毎の調査結果の概要を表2-1にまとめた。参照すべき図表の番号が適宜示されているが、これは次節の「３．参照データ」に掲載されている。

表2-1：代表テーマの調査結果の概要（背景、現状と将来展望）

テーマ

背景

現状と将来展望

有
機
物
質
お
よ
び
そ
の
製
造
方
法

１

３

プ
ロ
パ
ン
ジ
オ

ル

遺伝子工学の発展により生物系の複雑な機能を利用し化学手法では合成困難な化学製品の製造が可能。
1,3-プロパンジオール（PDO）は、PETよりも優れた合成繊維原料として期待されるポリトリメチレンテレフタレート（PTT）などの原料であるが、化学的合成では製造コストが高い。
Du Pont社が、遺伝子修飾により、糖をグリセリンに転化し、さらに1,3-プロパンジオール（PDO）に変換する機能を備えた単一微生物を発明。PDOの大量生産を可能とし、PTTの製品化も実現へ。今後大きな発展が期待される技術。
バイオマス原料（農産物から得られるﾄｳﾓﾛｺｼ等）を使用し、無害な発酵プロセスで製造可能なため、環境負荷が少ない。また、PTT自体も生分解性ポリマー。

化学合成法からバイオ合成法への転換の興味深い事例。Du Pont社、Genencor社が研究開発の中心で、微生物およびプロセス改良などに取り組んでいる状況。日本での研究開発はほとんどなし。（表２－２）
今後の主な発展要因は経済性原理にあり、コストダウンに当該技術がどこまで貢献できるかがポイント。環境面への貢献が市場形成の原動力となるかは不明。
市場ポテンシャル高く、PTT繊維への応用などにより、ｴﾁﾚﾝｸﾞﾘｺｰﾙ（PET原料）に置き換わり、年間数百億円の市場を形成することも可能。

ア
ク
リ
ル
ア
ミ
ド

アクリルアミドは、紙力増強剤、高分子凝集剤、繊維処理剤、石油の三次回収など幅広い用途があり、全世界の市場規模は約１０００億円と推定。
プラントでのバイオ合成法（微生物触媒）によるアクリルアミド製造は1985年に実現。（日東化学→（現）三菱レーヨン）
ﾊﾞｲｵ合成法は高品質、安価な製造方法。既に日本を中心に実用化が進んでいるが銅触媒接触水和法に代わる手法として今後益々の発展を期待。
酵素生産菌の遺伝子操作などの研究開発も実施されている。

日本が研究開発をリードし、三菱レーヨン（過去20年で46件出願）を中心に微生物およびプロセス改良などに取り組んでいる状況。（図２－１）
現在は銅触媒接触水和法が主流であり、バイオ合成法は総生産能力の１０％未満（1999年5月時点で２万ｔの生産レベル）。徐々に実用化が進んでいる状況。
銅触媒接触水和法自体が環境に優しい製造方法であるため、酵素処理触媒のさらなる技術改良が必要であるが、将来主流となる可能性を秘めている。
製品市場の水処理環境等の分野は今後途上国中心にマーケットが拡大していくため、将来性が有望。

抗
生
物
質
中
間
体

医薬などのファインケミカル分野は下記の点等から生物触媒技術の応用に適している。
	従来法での大量の廃棄物発生が問題。
	触媒の適合性が必要。
	少量高品質の生産（コスト低減による競争がおきない）。
抗生物質の世界的市場規模は約230億ドルであり、市場ポテンシャルが極めて高い。中でもセファロスポリン系、ペニシリン系化合物（図２－２）は多くの抗生物質の共通基本骨格を有する中間体であるため、インパクトが大きい。

欧州での研究開発が盛んであり、Gist Brocades, Antibioticosが上位出願人。日本でも藤沢薬品工業、旭化成工業が上位（３～４位）に食い込んでいる。（図２－３、表２－３）
６－アミノペニシラン酸（６－ＡＰＡ）では既に相当部分がバイオ合成法に転換。
他の化合物では、ようやく化学合成法を代替し始めた段階であるが、バイオ技術の応用が有用なファインケミカルの分野であり、化学合成法が環境への負荷が大きいため、今後の伸びが大きく期待される。
例えば、７－アミノデスアセトキシセファロスポラン酸（７－ＡＤＣＡ）の製造では、中間行程に酵素を用いて工程数を減らした注目特許が出願されている。（図２－４）

製
紙
関
連
技
術

剥皮、脱リグニン、漂白、繊維改質、古紙の脱インク等一連の行程で酵素処理などのバイオテクノロジーの応用が可能。（図２－５）
研究開発は1970年代から開始されているもののコスト面が課題。しかしながら、森林伐採や排水等による環境破壊が危惧される分野であるため、環境関連施策の導入が原動力となって着実に技術開発と市場形成が行われてきている。
例えば、９０年の製紙排水の有機ハロゲン含量規制を受けて、塩素系漂白剤に代わり酵素系漂白剤の開発と導入が活性化。（図２－６、図２－７）
近年では、遺伝子修飾技術を用い、樹木の育種段階から環境に優しい製品の設計が研究されている。

酵素処理に関しては、日本では王子製紙、日本製紙等の製紙会社が主流。一方、欧米ではNovo-Nordiskなど酵素企業が主役。
基本的に扱う物質が生物由来であるため技術的には展望良好。経済的効率の改善と環境問題への寄与の大きさが今後の発展の鍵。
樹木の育種に関しては、低リグニン、耐病害虫性等の観点から研究が進められ、特許出願有。
これまでの技術的蓄積から実用化を期待。ただし、研究開発費大きく、製紙業界は概して消極的。米国に習い、公的な取組みが必要。（図２－８）

バ
イ
オ
マ
ス
エ
ネ
ル
ギ

植物などの再生可能な有機物を利用するエネルギー源。
1980年代の石油危機の影響を受け、石油資源の代替として注目。また、環境の面からは化石燃料に比べ、燃料消費に伴う大気汚染やCO₂放出量が少ない（さらには、バイオマス生成時にはCO₂を吸収）、再生可能などの利点有り。
特に米国を中心に研究開発が進められており、バイオディーゼル（植物油改質によるディーゼル様燃料）、バイオメタノール、バイオエタノールなどが注目技術。
中でも、サトウキビ等の穀物原料（炭水化物）を発酵させて得られるバイオエタノールは自動車用燃料として期待。（図２－９）

米国では政策的に自動車用燃料として一部エタノールが利用されているが、低コスト化が大きな課題。
また、バイオマス生産のための必要面積が、食糧生産用耕地面積より小さくなくては現実味が乏しい。
このため、高収量・低コストの非食糧系バイオマスからの製造方法が研究開発されている。
さらなる技術開発が必要であるが、可能性は高く、また自動車用ガソリン代替の潜在的市場は魅力的（世界全体で１５～２０兆円）。
欧米で研究が進み、特に米国で革新技術が生まれる状況。日本は公的研究機関で研究が行われているものの出願は少なく、また欧米からの出願の対象国からもはずれるケースが多い。（図２－１０）

汚
染
土
壌
の
バ
イ
オ
浄
化

有害な物質で汚染された土壌（又は地下水）を生物学的処理により無害な物質に分解し、汚染を浄化する技術。汚染物質としては、石油および石油系炭化水素、有機塩素系溶剤、農薬等の合成化学物質、重金属、硝酸性窒素など。
生物学的処理としては微生物の使用が主流であり、処理に適した微生物の発見と育種、処理方法等に関する研究が行われている。近年では遺伝子組み換え微生物の研究も行われている。
また、高等植物を植え、それに重金属を吸収させるファイトレメディエーション（今回調査対象外）等の技術も生まれている。
基本的に環境対策として生まれる技術であり、環境施策と技術発展の相関関係が高い模様。（図２－１２）
各国の事情により技術発展が異なる等の特色が見られる。

日本では塩素系溶剤浄化が主流技術。ハイテク分野における同溶剤の使用量大と、93～94年にかけ塩素系溶剤による汚染が大きな関心を呼び実態調査と規制が行われたのが大きな要因。オルガノ、栗田工業の様な環境関連メーカーや建設会社以外に、キャノンなどの有機溶剤を使用する電機メーカが参入している。（図２－１１、図２－１３）
欧米では農薬等の有機化学品、重金属処理の出願比率高い。例えば欧州では塩素系溶剤汚染現場が少ない反面、土壌の特質等から重金属の除去が必要。
環境規制を背景に大規模な市場を形成。既に日本では4～500億円の規模であり、2000年末には１千億円と推定。（表２－４）
技術的には微生物による２次汚染防止と遺伝子組み換えをした新種生物の拡散防止などが課題。
今後の発展の鍵は、コスト低減と上記技術的課題の解決など。

３．参照データ

　各テーマ毎に、調査結果を把握する上で有用と思われる、技術概要、特許出願動向、市場動向等に係るデータを参照データとして提示した。

（１）	有機物質及びその製造方法
1,3-プロパンジオール（PDO）
	表2-2にバイオ合成法によるPDOの製造関連特許件数をまとめた。

アクリルアミド

　1978年以降1997年までの特許出願の原出願地別の年次別推移を図2-1に示した。原出願地は日本、米国、欧州、その他の４つに分類した。20年間の総件数は116件である。

図2-1　原出願地域別の出願件数推移

抗生物質中間体

　現代の多くのセファロスポリン系、ペニシリン系抗生物質は、微生物により得られた天然型抗生物質から共通の中間体を製造し、これを原料として化学的に合成操作を行って得られる。共通中間体として重要なものは次の4種である。

	6-アミノペニシラン酸(6-aminopenicillanic acid、6-APA)
	7-アミノセファロスポラン酸(7-aminocephalosporanic acid、7-ACA)
	7-アミノデスアセトキシセファロスポラン酸(7-aminodesacetoxycephalosporanic acid、7-ADCA)
	GCLE^注

それぞれの構造を図2-2に示す。

図　2-2　　βラクタム系抗生物質中間体

　バイオ技術によるペニシリン、セファロスポリン製造関係の出願すべてについては、他の分野と異なり、欧州勢が強い。その年度別分布を図2-3に示す。また、出願人上位10人とその件数を表2-3に示す。

図2-3　原出願地域別件数推移

表2-3　上位出願人（1-10位）－全体－

^注ＧＣＬＥ（大塚化学（株）登録商標：7-phenylacetamido-3-chloromethyl-△３-cephem-4-carboxylic_acid_(4-methoxybenzyl)ester）

　7-ＡＤＣＡのバイオ合成法の例として、DSM社（オランダ）と、同社に統合されたGist-Brocades社（オランダ）の合弁であるChemferm社（オランダ）が開発した中間工程に酵素を用いるCefalexin（７－ＡＤＣＡの誘導体）の新しい製造工程の要旨を図2-13-14に示す。
この関連の特許出願として、PCT/EP94/2543(WO95/4148公報), PCT/EP94/2544(WO95/4149公報), PCT/EP96/2434(WO96/38580公報), PCT/EP95/3249(WO96/5318公報)等がある。

（２）製紙関連技術

　紙パルプ産業において、バイオテクノロジーおよび酵素が利用され得る場面を大観すると、図2-5のようにまとめられる。

図2-5　　紙パルプ産業におけるバイオテクノロジー

　日米欧の出願件数の推移を図2-6に示す。また、どの技術が出願増に寄与しているかを示すため、図2-7に漂白技術についての各地域間における件数推移比較を掲げる。日本に関していえば、従来塩素系漂白剤の使用により水質汚染が問題化（90年AOX自主規制）したため、酵素利用が注目されその研究開発が進んだもとの見られる。

図2-6　出願件数推移

図2-7　対象別件数推移（漂白）

　図2-8にバイオテクノロジーを用いた環境に優しい樹木の育種に関する出願の出願人のカテゴリー分布を示す。日本ではほとんど企業からしか出願されていない。特に大学関係からの出願の欠如が特徴的である。一方、米国においては大学が主導的な役割を果たしている。欧州においては民間企業からの出願もあるが、大学又は公的な研究機関からの出願が相対的に多い。

図2-8　出願人カテゴリー分布