バイオマス由来のブタジエンゴムでタイヤを試作～持続可能な原料調達でCO2削減を促進～

2021-08-102022-10-03

2021-08-10 産業技術総合研究所

NEDOは「超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト」に取り組んでおり、産業技術総合研究所、先端素材高速開発技術研究組合（ADMAT）、横浜ゴム（株）と共同で、バイオエタノールからブタジエンを高速かつ効率的に合成する技術開発を実施しています。今般、ブタジエンの反応条件の最適化および生成したブタジエンの捕集方法の改良などにより、バイオエタノールからブタジエンを大量合成し、それを原料にした合成ゴムで従来と同等の性能を持つ自動車用タイヤを試作する一連のプロセスを実証することに成功しました。

ブタジエンは現在、合成ゴムなどの重要な化学原料として石油から生産されています。今回の成果によりバイオマス（生物資源）からタイヤを生産する技術を確立することで、石油への依存を低減し、CO₂削減と持続可能な原料の調達が促進されます。

図　バイオマス由来のブタジエンゴムで試作したタイヤ

1．概要

材料開発の分野では、コンピューターや人工知能（AI）の進歩により、“経験と勘”に基づく従来の手法に代わる、良質なデータからインフォマティクス（情報科学）を用いて高速で材料開発を行うマテリアルズ・インフォマティクスが大きな潮流となっています。

このような背景の下、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）は「超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト（以下、超超PJ）」（2016年度～2021年度）で計算・プロセス・計測の三位一体による有機・高分子系機能性材料の高速開発に取り組んでおり、その一環として、国立研究開発法人産業技術総合研究所（産総研）、先端素材高速開発技術研究組合（ADMAT）、横浜ゴム株式会社（横浜ゴム）と共同で、バイオエタノール^※1からブタジエン^※2を高速かつ効率的に合成する技術開発に取り組んでいます。2019年には触媒の配合状態や反応条件に関する大量のデータを取得・解析するハイスループットシステム^※3とデータ駆動型学習^※4、触媒インフォマティクス^※5の活用により、当時では世界最高のブタジエンの収率^※6を持つ触媒システムを開発し、さらに生成したブタジエンからブタジエンゴムの合成に成功^※7しました。またこの知見を生かし、2020年にはより最適な触媒を検討し、2019年と比べて1.5倍のブタジエン収率を持つ世界最高の触媒システムの開発に成功^※8しました。

そして今般、NEDOと産総研、ADMAT、横浜ゴムは共同で、バイオエタノール処理量を約500倍にした大型触媒反応装置を設計・製作してバイオエタノールからのブタジエン大量合成を検討、反応条件の最適化や生成したブタジエンの捕集方法の改良により、約20kgのブタジエンの製造に成功しました。さらに、このブタジエンを蒸留精製により高純度化した後、重合反応によって得られたブタジエンゴムを原料とした自動車用タイヤの試作に成功しました。

ブタジエンは現在、合成ゴムなどの重要な化学原料として石油から生産されていますが、バイオマス（生物資源）から生成したブタジエンからタイヤを生産する技術を確立することにより、石油への依存を低減し、CO₂削減と持続可能な原料調達が促進されます。

2．今回の成果

今回の成果は、2020年に開発した高性能触媒システムを用いて、反応システムのスケールアップを行い、バイオエタノールからブタジエンを大量に生産し、それを原料にしたタイヤ製作までの一連のプロセスを実証したことです。まず、ハイスループット触媒活性評価装置^※9を用い、反応システムのスケールアップのためのデータを迅速に取得しました。これらのデータを基に、バイオエタノール処理量を従来比で500倍の1.0L／時間までスケールアップした大型触媒反応装置の設計・製作を行いました。さらに、反応温度やエタノール流量などの反応条件の最適化および生成したブタジエンの捕集方法の改良などにより、連続反応で約20kgのブタジエンの合成に成功しました。大型触媒反応装置の設計・製作およびブタジエンの大量合成は産総研が、生成ブタジエンの蒸留による高純度化はADMATが、高純度ブタジエンの重合によるゴム化およびそれを原料にしたタイヤ試作を横浜ゴムが、それぞれ行いました。

試作タイヤはグランドツーリングタイヤ「BluEarth-GT AE51」の185／60R15サイズです（図参照）。このタイヤのキャップトレッドとサイドウォール^※10は従来、石油由来のゴムで製作されていましたが、今回の試作タイヤでは石油由来のゴムを全てバイオエタノール由来のブタジエンゴムと天然ゴムに変更したため、両部分のゴムは持続可能なゴム材料のみで構成されています。また、試作タイヤは従来の石油由来のゴムを使用した時と同等の材料性能を有しています。

3．今後の予定

超超PJでは成果を実用化するための材料設計プラットフォーム（MDPF）構想を進めています。NEDO、産総研、ADMAT、横浜ゴムは本事業において、このMDPFの一部をなすハイスループット触媒開発装置群の構築とデータ蓄積をさらに進めます。これによりさらなる生産性の向上や他の材料開発への適用などを加速させ、サステイナブル資源の社会実装に挑戦し、カーボンニュートラル、脱炭素社会実現へ貢献します。

また、横浜ゴムは中期経営計画「Yokohama Transformation 2023（YX2023）」（ヨコハマ・トランスフォーメーション・ニーゼロニーサン）のESG経営^※11において「未来への思いやり」をスローガンに掲げ、事業活動を通じた社会課題への貢献を進めています。地球環境保護のためのカーボンニュートラルの一環として持続可能な原料調達に向けた技術開発に取り組みます。

注釈

※1　バイオエタノール

バイオマスから製造されるエタノール。現在はサトウキビ、トウモロコシあるいは廃木材から製造されています。再生可能でカーボンニュートラルな燃料や化学原料として注目されています。

※2　ブタジエン

化学式（C₄H₆）で表される二重結合を二つ持つ不飽和炭化水素です。ここでは、1,3-ブタジエンという共役構造を持っています。この共役結合を用いて、各種触媒で重合ができ、ブタジエンゴムやスチレンブタジエンゴムのような有用な合成ゴムをつくる重要な基礎化学品です。現在は、ほとんどが石油精製の副産物として製造されている、石油由来の原料です。

※3　ハイスループットシステム

高度に自動化された方法で短期間に多数の触媒の調製ならびに評価を行い、触媒の開発に必要なデータを迅速に得るシステムです。

※4　データ駆動型学習

ハイスループット実験や計算科学により、目的に応じて創出されるオンデマンドデータを用いた機械学習のことです。

※5　触媒インフォマティクス

産総研が提唱している触媒化学と情報科学を融合させた学際領域を指す用語です。近年、さまざまな分野と情報科学の融合研究が推進されており、例としてバイオインフォマティクス（生命科学と情報科学）、ケモインフォマティクス（化学と情報科学）、マテリアルズ・インフォマティクス（材料科学と情報科学）などが挙げられます。

※6　ブタジエンの収率

バイオエタノールから理論上得られる最大ブタジエン量に対する実際に得られたブタジエンの割合。

※7　ブタジエンからブタジエンゴムの合成に成功

「バイオエタノールからブタジエンを生成する世界最高の生産性を有する触媒システムを短期間で開発」
参考：横浜ゴムニュースリリース　2019年7月22日（https://www.y-yokohama.com/release/?id=3248）産総研プレスリリース　2019年7月22日

※8　2019年と比べて1.5倍のブタジエン収率を持つ世界最高の触媒システムの開発に成功

テーマ名：「ハイスループットシステムとデータ科学を活用した高活性ブタジエン合成触媒の開発」
参考：「2020年度超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト（超超PJ）成果報告会」発表資料（リンク：https://www.admat.or.jp/20210105175224）

Y. Shinke, T. Miyazawa, M. Hiza, I. Nakamura, T. Fujitani, High-throughput development of highly active catalyst system to convert bioethanol to 1,3-butadiene, Reaction Chemistry & Engineering, 2021, 6, 1381-1385. DOI: https://doi.org/10.1039/D1RE00232E

※9　ハイスループット触媒活性評価装置