太阳能落在浩瀚的海洋上
利用化学的力量转化为燃料和资源

高分子化学可以为可持续发展目标做出什么贡献

── 高分子化学以石油等地球资源为原料，创造出多种具有有用功能的物质，为人类文明的发展做出了贡献。然而，以发展为代价的却出现了环境破坏、资源枯竭等问题，这些都反映在可持续发展目标的主题中。迄今为止为文明发展做出贡献的高分子化学将如何为可持续发展目标做出贡献？

永井──高分子化学可以通过从不同角度开发具有特性的新材料，为可持续发展目标做出巨大贡献。明治大学高分子化学研究所的基本立场是研究高分子科学的本质，并通过其进步为人类社会的发展做出贡献。具体来说，材料开发能够有效利用可再生能源、海洋中的微塑料^*1有助于解决问题的地球友好塑料^*2

我们特别关注乙醇，它可以替代石油等化石资源，而乙醇已被广泛用作高分子化学的材料，我们正致力于开发以植物为原料高效生产乙醇的技术以及有效利用乙醇的技术。 Ethanol can be used both as a fuel and as a raw material for biomass plastics, so advances in its production and utilization technologies will have a major impact on solving environmental issues and resource depletion issues

在日本，从 2020 年 7 月起强制对塑料购物袋收取费用。不过，也实施了一项制度，其中如果塑料中含有 25% 或以上由植物原料制成的生物质塑料，则可以免费。这样，社会上支持通过高分子化学实现新变革的动力就越来越大。

Japan is an island country where a huge amount of energy flows into the sea, and we are taking advantage of its characteristics

─ SDG 的 17 个主题包括旨在维护和改善全球环境的主题，例如 SDG 7“负担得起的清洁能源”和 SDG 13“应对气候变化的具体措施”。但我觉得，要在维持丰富的生活和先进的社会活动与维护和改善地球环境之间取得平衡，是一个非常困难的主题。

风间──根据高分子科学研究所计算的能源供需预测，即使努力通过节能来提高使用效率，可再生能源的使用也是必不可少的。二氧化碳，同时确保能源以维持社会活动₂为了实现2030财年（与2013财年相比）减排26%和2050财年80%的减排目标，分别需要4439PJ（拍焦）和6900PJ的二氧化碳。₂这样做，从社会接受度的角度来看，核电的供电量很难增加，因此必须推广可再生能源的使用。

[图1] 2013年基准年的值为实际测量值，2030年的值为政府预测值，2050年的值为目标值（高分子科学研究所根据IEA等资料估算）
来源：明治大学高分子科学研究所

── 听说风间教授和永井教授的小组正在开发支持海洋生物质利用的技术。在众多的可再生能源中，为什么我们关注海洋生物质？

风间──这是因为它是一种可利用日本土地特点的可再生能源。化石资源匮乏的日本希望借此机会，通过推广可再生能源的使用，提高目前仅为96%的能源自给率。地球上的所有能源，除了地热能和核能之外，都可以追溯到太阳能。太阳能发电、风力发电、由古代植物化石制成的石油和煤炭也是如此。尽管太阳能的获得大致与该国的国土面积成比例，但日本拥有447万平方公里的专属经济区（EEZ），这比其约38万平方公里的土地面积要大得多。太阳能大部分落在海洋上，其数量约为国内能源消耗的1000倍（图2）。

在考虑可持续的自给自足系统时，获得将其转化为可用能源的技术具有重要意义。海洋生物质利用藻类光合作用积累的能量，使其成为从海洋获取能量的理想手段。由于藻类可以作为食物，因此也可以有助于提高食物的自给自足率。

[图2]日本大部分太阳能落在海洋上
来源：图中的地图是日本海岸警卫队海事情报部门主页

以与美国和巴西等农业大国相媲美的低成本生产燃料

── 那么，海洋生物质燃料的利用需要推动什么样的技术发展呢？

风间──有两个要点。一是建立大型藻类培育技术。另一个目标是建立一种将产生的藻类转化为燃料的技术。

有使用微藻作为生物质燃料原料的技术，但如果我们想利用广阔的海洋，可以在固定位置轻松培养的大型藻类是最有效的。美国能源部 (DOE) 于 2017 年 9 月启动的“ARPA-e MARINER（大型藻类研究启发新型能源）”项目已开发出利用大型藻类作为海洋生物质燃料的培育技术。利用约 17 万平方公里的海洋面积（约占美国专属经济区的 14%），可生产约 5 亿吨大型藻类。每年在阳光照射深度可达约10米的地区进行种植，采用的方法包括在绳索上种植藻类种子。这个想法是每年从这种大型藻类中生产 2,800 PJ 的生物质燃料。关于前面提到的第一点，我相信这里的开发成果是可以用的。

而且，为了建立另一种将藻类转化为燃料的技术，我们正在研究以低成本大量获得生物乙醇的技术。

ARPA-e MARINER 的目标是以 95 美元的价格生产 1 吨干重的大型藻类。这与美国在土地上种植玉米的成本相同，是实际应用的成本目标。如果玉米和甘蔗在日本种植，则不可能以如此低的价格生产，但通过利用日本的专属经济区，我们相信在日本可以以与美国相当的成本生产生物乙醇的原料生物质。我们相信，通过使用这种廉价的生物质和我们目标的技术，日本将有可能以与美国相当的成本生产生物乙醇。

我们提出了一种连续发酵工艺，可维持最快的发酵条件

── 从大型藻类中生产生物乙醇采用什么样的工艺，明治大学正在开发的技术又用在哪一部分？

风间──传统上，乙醇是通过将一定量的生物质放入发酵罐中并以分批模式发酵直至达到足够高的浓度来生产的。然而，这种方法也有其挑战。随着乙醇浓度的增加，发酵速度减慢，需要很长时间才能达到足够高的浓度，导致转化为可用能量的效率低，生产成本高。

为了解决这个问题，我们提出了使用分子识别分离膜的连续发酵工艺（图 3）。这里所指的分子识别分离膜是指具有高选择性分离混合在水中的低浓度乙醇分子能力的聚合物膜。

[图3]连续酒精发酵高效生产乙醇
来源：明治大学

原料生物质发酵时乙醇浓度的变化表明，虽然在发酵初期浓度较低时发酵速率较快，但当浓度变高时发酵速率趋于迅速减慢。因此，如果尝试发酵直至达到高浓度，则需要花费很多时间。

然而，如果能够以低浓度分离和提取，则可以将发酵维持在比间歇法快3至10倍的速度，并且可以在更短的时间内获得更多的乙醇。此外，利用该方法，通过将分离的水返回至发酵罐并顺序地引入湿润状态的原料大型藻类，可以连续发酵。它还提高了单位体积的发酵效率，减少了一小部分酵母的消耗量。此外，还可以将发酵罐小型化并将其安装在船上以在海上生产燃料（图4）。

实现连续发酵过程的关键是创建能够高选择性分离乙醇和水的分离膜，我们正在开发一种称为分子识别分离膜的高性能分离膜。

[图4]利用海洋生物质和分子识别分离膜创造能源
来源：明治大学

湿毛巾不允许空气通过，可以像气球一样充气

── 您正在开发的分子识别分离膜是利用什么原理来高选择性分离水和乙醇？

风间──我们根据日常生活中常见的现象来解释一下分子识别分离膜的原理（图5）。想象一下，用一条毛巾包裹着空气，然后像气球一样将其吹起来。如果毛巾干燥，空气会从纤维之间逸出，毛巾将无法充气。不过，正如很多人在洗澡时做过这样的经历一样，你可以将湿毛巾浸入浴缸中，然后像气球一样给它充气。这是因为纤维之间的空间充满了水，阻止了空气通过。换句话说，这种现象可以说是含有水的毛巾以高选择性将水和空气分离。同样，通过用乙醇填充分子水平的微小通道，可以形成不允许水分子通过的膜。

[图5]乙醇分子识别分离膜原理类似实例
资料来源：Shingo Kazama，“下一代膜模块技术研究协会研讨会（2011 年）东京”

── 原来如此，司空见惯的现象中蕴藏着先进技术的影子。

风间──我在地球环境技术研究所（RITE）工作，使用与二氧化碳相同的原理₂我正在研究一种称为分子门膜的技术。具有孔的树枝状聚合物，仅允许气体分子等小物体通过^*3帕玛姆^*4膜，微孔中的 CO₂, CO₂是透明的但CO₂这是一项允许比氢等分子更小的分子通过的技术研究。我认为用乙醇和水也许可以做同样的事情，所以我正在与永井教授合作研究一种可以分离低浓度乙醇的分子识别分离膜。

不要简单地引进国外的成功范例，要使用适合本国的可再生能源

── 您希望分子识别分离膜达到什么水平的性能，以高效生产海洋生物质燃料？

风间──已经有一些膜使用疏水膜来吸附乙醇并将其与水分离。水与乙醇的选择性比在70~100之间，不足以实现海洋生物质燃料的连续发酵工艺。我们的目标是将选择比提高到500。如果我们能够改进这一点，我们将能够有效地将低浓度1%至2%的乙醇浓缩至80%至90%的浓度。当其再次通过分离膜提高浓度时，纯度达到99%以上，可用作燃料和生物质塑料的原料。

利用 ARPA-e MARINER 的成果，生产 1 升生物乙醇的原料大型藻类的培养成本约为 16 日元。在美国使用传统方法生产乙醇时的生产成本为464日元，但如果我们采用连续发酵工艺生产乙醇，并利用具有我们目标性能的分子识别分离膜，我们预计能够将成本降低至400日元，这与美国和巴西的玉米基生物乙醇的当地价格相当（图6）。目前，进口生物乙醇时，CIF价格^*5价格为70～80日元/升，从全球角度来看具有相当的竞争力。

[图6]海洋生物乙醇的成本估算
标有“美国成本估算”的部分是使用传统间歇式分离工艺生产时的成本。标记为“成本降低潜力”的部分是使用目标连续分离工艺进行生产时的成本。
来源：明治大学

── 海洋生物乙醇对于日本来说是梦幻般的新能源。

风间──迄今为止，日本还是一个没有能源的国家。如果我们能够通过技术发展扭转这一局面，我们也许能够实现能源自给自足。

可再生能源有很多种，但我认为，为了利用自然能源，我们应该利用一种符合本国特点的能源。例如，尽管太阳能发电在其他国家已经取得了很大的成果，但仅仅将太阳能发电引入日本这个国土狭小、雨水多的国家，似乎很难达到与其他国家相同的效果。在四面环海的日本，最好考虑有效利用海洋生物质燃料等海洋之恩，与海洋共生。我们希望推进分子识别分离膜的开发，让国家成为被海洋包围的好国家。

将研发思维转变为逆向预测，为可持续发展目标做出贡献

─ 在技术开发方面，日本的大学和研究机构似乎有必要主动开发自己的海洋利用技术，而不是依赖海外研究。在研发分子识别分离膜时，实现目标的难点是什么？

永井──反向预测是一项有助于实现可持续发展目标的技术^*6然而，迄今为止，高分子化学领域始终围绕着正向铸造技术的开发和应用探索。因此，背铸研究需要超越传统材料设计方法的创新理念。我们开发的分子识别分离膜就是一个典型的例子。

风间──传统的分离膜利用待分离物质与膜之间的粗略化学亲和力差异。为了实现我们目前正在研发的高选择性分子识别分离膜，我们认为需要利用分子形状的差异选择性地填充膜的细孔。为了实现这一目标，有必要开发精确控制孔形状的技术，并开发不会产生针孔而导致待分离分子泄漏的工艺，这些将是未来的挑战。

全日本系统应解决的主题

对访问研究员 Kazama 和 Nagai 教授的采访于 2020 年 7 月 1 日以远程方式进行。

─ 为了推进技术发展并真正将大型藻类的培育和生物乙醇的生产在海洋中实际应用，我们需要准备好进行相当大规模的努力。

永井──没错。通过领导分子识别分离膜的研究和开发，这是从大型藻类生产生物乙醇的关键，我们可以说在实际应用中处于有利地位。然而，为了将这项技术投入实际应用，我们认为有必要培养能够管理开发实用工厂并在海洋中实施所需的一系列任务的人力资源。这个人能够将单个的基础技术整合在一起，并在全局范围内监督商业化所需的技术以及相关公司的合作。在高分子科学研究所，我们希望让风间先生走上前台，参与全面管理。

风间──我们认为，为了将其付诸实践，有必要在超越公司、大学和研究机构界限的国家主导的全日本体系中开展工作。 2020财年，新能源产业技术综合开发机构（NEDO）宣布“蓝碳（来自海洋生态系统的二氧化碳）₂固定) 生物乙醇也可以用作化学产品的原材料，因此如果其有效性得到证实，NEDO 主导的研究和开发可能会在 2021 年或更晚开始。

── 您希望吸引什么样的技术、知识和技能来将您的想法付诸实践？

风间──目前分子识别分离膜的发展阶段处于基础研究阶段。大学唯一可以制造的膜是类似滤纸的膜，为了将它们纳入工厂并加以利用，我们需要技术来创建可以分离大量生物乙醇的膜模块。首先，我们认为有必要与拥有模块化分离和过滤膜技术的制造商合作。最终，我们需要为生物乙醇生产厂建立一个系统，因此工程公司的知识至关重要。我认为，如果我们找到一个对研发充满热情并且可以与我们合作的人，我们就能向前迈进。

── 在为可持续发展目标做出贡献的同时，可以保持丰富的生活方式并提高能源自给自足。我们不能忽视技术发展的进步，一箭三雕。

个人资料

风间真吾（风间真吾）

明治大学兼职讲师/客座研究员

过去30年，CO在大学、公共研究机构和私营公司₂从事还原技术研发。在那段时间，他通过与世界各地人们的对话，意识到需要创造与自然恩惠共存的可再生能源，并一直致力于创造海洋生物能源作为他一生的事业。在有能量的同时，我希望保护海洋，继续吃美味的鱼。

永井一清（长一清）

明治大学理工学院应用化学系教授
高分子科学研究所所长

曾就职于信越化学株式会社有机硅电子材料技术研究所、美国北卡罗来纳州立大学工程学院、澳大利亚政府研究所CSIRO，2002年加入明治大学理工学院应用化学系，2007年起担任现职。专门研究分离膜、阻隔膜、全球变暖对策、海洋塑料废物对策和国际标准化。自 2018 年起担任 ISO TC61/SC11（塑料产品委员会）国际主席。

作家

伊藤元明（伊藤元明）

光线有限公司代表

在富士通担任 3 年半导体开发工程师，在 Nikkei Micro Devices、Nikkei Electronics、Nikkei BP Semiconductor Research 等公司担任记者/台/主编 12 年新闻工作，在 Techno Associates（Nikkei BP 和三菱商事的合资智囊团）担任顾问 6 年为制造商业务提供支持，以及在日本担任广告制作人 4 年营销支持Nikkei BP 技术信息组的广告部门。

2014年，他独立成立了光线有限公司。该公司提供专门从事技术营销的支持服务，公司考虑并付诸实践如何向目标受众（主要是科技公司）准确传达技术的价值。

网址：http://wwwenlight-inccojp/