マイクロ波による化学品製造プロセス開発ストーリー〜化学産業にイノベーションを起こす(前編)

INTERVIEW

マイクロ波化学株式会社
代表取締役社長CEO
吉野 巌

化学産業は医薬品、化粧品から農業、食品、製造、輸送など幅広い分野へ原材料や触媒などを提供してきた一大産業であり、2013年度時点で化学産業のエネルギー消費量は日本の全産業の40%、二酸化炭素排出量では22%を占めています。脱炭素社会を目指す日本にとって、化学品製造プロセスの省エネルギー化が求められています。一方で、従来化学品の製造プロセスは熱と圧力を使ったものが主流であり、100年以上の歴史のなかで変化がありません。今回は、化学産業にイノベーションを起こすことが期待されるマイクロ波に注目し、2回にわたってマイクロ波化学代表取締役社長の吉野氏へお話を伺いしました。前編では、マイクロ波の化学品製造プロセス適用に向けた取り組みや会社設立の背景についてご紹介します。

マイクロ波が化学品製造プロセスで求められる理由

従来の熱と圧力を用いた化学品製造プロセスでは、材料を入れた炉を外側から加熱することによって化学反応を起こさせます。しかしこの従来法はエネルギーロスが大きく、効率が高くないと吉野氏は言います。また、熱や圧力を制御するために化学プラントは大型化が求められ、安全性確保のためにも広大な土地が必要とされてきました。

化学産業のエネルギー消費量は日本の全産業の40%(2013年度時点、出典:エネルギー白書2015)、二酸化炭素排出量では22%(同年度時点、長期地球温暖化対策プラットフォーム「国内投資拡⼤タスクフォース」最終整理より試算)となっており、脱炭素社会を目指す日本にとっても変えるべきものと言えるでしょう。

そうした中、電子レンジに使われている“マイクロ波技術”を使い、省エネルギー・高効率・コンパクトな化学品製造プロセスを実用化したのが、マイクロ波化学。同社はいかに、この製造プロセスの開発を進めてきたのでしょうか。


マイクロ波化学株式会社 代表取締役社長 吉野巌(よしの・いわお)
マイクロ波化学株式会社 代表取締役社長 吉野巌(よしの・いわお)


「この100年で産業界は大きく変化しました。例えば、移動手段は馬車から電気自動車になり、通信手段は伝書鳩からインターネットになっています。一方、大きなイノベーションを起こせていなかったのが化学産業だったんです」(吉野氏)

吉野氏は取材の冒頭、このように“問題意識”を語ります。前述した通り、化学産業における化学品製造プロセスは19世紀後半の勃興期から、現在に至るまで大きく変化していません。例えば、石油化学に関しては石炭火力で炉の外側から加熱することで化学反応を起こしています。

この製造プロセスは前述したように大きなエネルギーを消費します。加熱にはスチーム、熱媒、ガスなどが使用されています。この加熱において、熱の伝達は主に「伝熱」によって行われます。ターゲット物質を入れた炉の外側から加熱し、熱は炉の内側から中にある液体に伝わっていきます。その過程で、まず、炉を加熱し高温にするというエネルギーロスが発生します。また、炉とターゲット物質の間に抵抗があり、エネルギーをロスします。さらに、液体の混合状態によって液体から液体へと伝熱していく際にもエネルギーロスが発生します。また、混合液体に化学反応を起こさせるために、熱する必要がある物質と熱する必要のない物質があるのですが、従来法ではすべて同じ温度に熱することしかできないため、エネルギーの無駄が生じています。

そんな製造プロセスを革新する技術として同社が開発した、マイクロ波を利用した化学品製造プロセスとはどのようなものでしょうか。

マイクロ波は電磁波の一種で、波長が短く、周波数が高いのが特徴です。波長1mmから1m、周波数300MHzから300GHzという領域のものを指します。マイクロ波は直進性に制御することができるため通信に使うことができ、携帯電話や、人工衛星との通信(衛星放送やカーナビ)、無線LANなどにも使われています。通信ともう一つ身近に使われているのが加熱であり、電子レンジ(周波数2.45GHz)で使われています。化学品製造プロセスで利用するのは、この加熱です。

コップ一杯の水を鍋に入れてガス火で外から沸騰させるよりも、電子レンジで沸騰させる方がはるかに短時間で、少ないエネルギーですみます。この電子レンジの原理を応用すれば、化学品製造プロセスにイノベーションを起こすことができるのではないかと考えたのが、吉野氏でした。

「炉の外側から熱するのではなく、炉の内部にマイクロ波を入れ、ターゲット物質に当てます。マイクロ波はターゲット物質に直接エネルギーを伝達し、対象物を激しく振動・回転させます。そして、そこで生じる内部加熱、選択加熱を活用することによって、短時間で対象物を目的の温度にまで上げることや、反応場だけの温度を上げることが可能です。外側から熱を加えるよりも、エネルギーロスがはるかに少ないのです」と吉野氏は言います。

今までに同様の考えを持った人がいなかったわけではありません。実際、マイクロ波による化学品製造プロセスに関する国際学術論文は1986年に発表されて以降、これまでに数万報が発表されています。しかしそれでも実用化には至っていませんでした。

「マイクロ波は対象物に直接エネルギーを伝達できるため、省エネルギーかつ高効率で対象物の選択性も高いことはわかっていました。ただ、マイクロ波技術を用いた製造装置の大型化が難しかったのです。というのも、マイクロ波は漏れや反射を加味した容器内での電磁界の制御が難しく、大きな容器の中のターゲット物質に均一に当て、均一に熱することが難しいのです。そのため業界内では『実験室では実現できても産業レベルの規模に応用するのはほぼ不可能』と言われていたのです」(吉野氏)


同社ラボの設備。マイクロ波反応器をオリジナルで設計し、研究開発に活用している(提供:マイクロ波化学)
同社ラボの設備。マイクロ波反応器をオリジナルで設計し、研究開発に活用している(提供:マイクロ波化学)


マイクロ波による化学品製造プロセス実用化の課題は反応炉へのマイクロ波照射

長く「産業化するのは不可能」と言われていた、マイクロ波による化学品製造プロセス。そんな難題の解決に、吉野氏はなぜ取り組んだのでしょうか。吉野氏は大学を卒業して三井物産に入社し、化学産業分野の営業を担当した後、米カリフォルニア大学バークレー校へMBA留学。スタートアップの聖地・シリコンバレーでスタートアップが新しい技術やサービスを事業化し世の中にインパクトを与える様子を見て、起業を決意します。

当時考えていた事業アイデアはマイクロ波を使い「廃油からバイオディーゼル燃料を作る」というもの。そのアイデアを実現すべく、三井物産のベンチャーキャピタルの紹介をもとに大阪大学の研究室にコンタクトをとります。そこで出会ったのが、当時大阪大学でマイクロ波を研究しており、現在のマイクロ波化学の取締役CSOである塚原保徳(つかはら・やすのり)氏でした。その後2人は、社会により大きなインパクトを与え、化学品産業を革新する事業プランを練り、マイクロ波による化学品製造プロセスの実現と商業化へと舵を切りました。

そして、お互いに出資金を持ち寄って2007年8月にマイクロ波化学を設立します。ただ、事業化までの道のりは簡単なものではありませんでした。すぐに、多くのスタートアップが事業化に至るまでにキャッシュが枯渇してしまう「死の谷(デスバレー)」と呼ばれる試練を迎えます。

「ウェブサービスなどとは異なり、私たちが実現しようとしているマイクロ波による化学品製造プロセスは研究開発のための設備や装置を整えるために、多額の事業資金が必要になります。とはいえ、当時はまだ基礎技術とアイデアだけで具体的な成果も出ていなかったのでVC(ベンチャーキャピタル)などから興味を持ってもらえず、すぐに消滅の危機を迎えました」(吉野氏)

そうした中、NEDO(新エネルギー・産業技術総合開発機構)の新エネルギーベンチャー技術革新事業に採択され、助成金をもらうことで何とか食いつないでいきます。その助成金をもとにプロトタイプの装置の開発に着手しますが、その最中やはり、「炉にマイクロ波がうまく入らない」という壁にもぶつかりました。

「マイクロ波を炉に的確に投入しなければ、溶剤へ吸収されず、反射や炉からの漏れなどでエネルギーを失ってしまいます。私たちが開発した装置は、マグネトロン(マイクロ波を発生させる真空管デバイス)から発生したマイクロ波を導波管に通して、リアクター(反応炉)に照射される仕組みだったのですが、最初のうちはリアクターにマイクロ波がうまく入ってくれませんでした。それで導波管の位置や角度を変えたり、インピーダンス調整なども含め細かい改造を繰り返したりしました。ただ、それでも不要なところを加熱してしまい、ステンレス製の炉が焦げたりすることもあり、なかなか思った通りにいきませんでしたが、試行錯誤を繰り返して解決していきました」(吉野氏)


1,250Lの反応炉。マイクロ波の反応炉(リアクター)を横型にした。10台のマイクロ波発振器から照射される(提供:マイクロ波化学)
1,250Lの反応炉。マイクロ波の反応炉(リアクター)を横型にした。10台のマイクロ波発振器から照射される(提供:マイクロ波化学)


同社にとって転機となったのは炉の構造を“横型”にしたことです。一般的に化学産業に使われる炉の構造は縦型ですが、同社は溶剤を高所から低所へと流しながら連続的に反応させるために横型にしました。

「横型にすることで、溶液上部と槽の天井の間に隙間を作ることが可能になり、その空間を取り扱いが難しいマイクロ波の制御に役立たせることができたのです。さらには、炉内をいくつかに仕切り、各槽に羽を設けて撹拌しながら流れを作ることで、効率的に反応を促進することにも成功しました」(吉野氏)


マイクロ波をデザインできる「3次元マトリックス」データライブラリーを用いた解析で照射条件最適化

炉に入れた電磁波がターゲットをどう反応させるのかを解析する(提供:マイクロ波化学)
炉に入れた電磁波がターゲットをどう反応させるのかを解析する(提供:マイクロ波化学)


吉野氏は自社の強みについて、「マイクロ波をデザインできることにある」と語ります。具体的には、「(容器内の)どの物質にどの周波数のマイクロ波をあて、どれほど反応させるのか」をデザインすると言います。その鍵を握っているのが、「3次元マトリックス」のデータライブラリーです。

マイクロ波は照射するターゲットに対して、「周波数依存性」と「温度依存性」が極めて高い性質を持っています。そのため、マイクロ波の吸収率は周波数と温度で劇的に変化するものもあるので、その変化の仕方を理解していなければ、効率的な反応を得られません。

さらに、ターゲットは溶剤だけでなく、原料となる基質、触媒も混合されるので、ターゲットの物質、周波数、温度の「3次元マトリックス」でどう反応が変化するか。このデータベースを持っていなければ、マイクロ波による化学品製造プロセスデザインはできないのです。

同社はこれまでの開発で取り扱った物質に関する温度・周波数・複素誘電率の3次元データのライブラリを保有。それをもとに、基質、触媒、溶剤などの構成要素の複素誘電率を踏まえて、マイクロ波を伝達・吸収させたいターゲットを選択し、それに適した周波数、ラボ装置を選定し、反応条件を最適化していくのです。

具体的には、マイクロ波のエネルギーを伝達するターゲット分子の選定を行った後、選定された条件を具現化する装置の選定を行います。

混合物を加熱して化学反応を起こさせるために、加熱が必要な物質(ターゲット分子)と、加熱の必要がない物質(溶媒分子)があると前述しました。従来法ではどちらも同じ温度に加熱することしかできませんでしたが、マイクロ波では、ターゲット分子のみにエネルギーを伝え、無駄なく選択的に加熱することができます。

ターゲットとする反応タイプ[液相、固相(粉末、スラリー、フィルムなど)、気固系、乾燥、蒸留]や性質に合わせて、マイクロ波の投入エネルギー量、分布、周波数、温度、圧力などの諸条件を満たす装置を選定します。そして最後に反応条件の最適化を行います。

「マイクロ波化学は、この3次元マトリックスのデータライブラリーを長年かけて蓄積してきました。これが会社の強みにもなっており、財産にもなっています」(吉野氏)

2010年には、ベンチスケールになる20リットルの1号機を開発。創業から3年後のことでした。2011年1月には東京大学エッジキャピタル(UTEC)から総額1億2,000万円の資金調達を実施しました。

後編では、技術開発に成功した同社が、マイクロ波を活用した化学品製造プロセスの実用化状況について紹介します。

文/新國翔大
写真/嶺竜一



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