2022年を迎えるにあたり、世界的な懸念事項の筆頭に挙げられるのが気候変動です。気候変動を悪化させる最大の要因の一つが化石燃料の燃焼であることは、今や広く認識されています。石炭や石油などの化石燃料を燃やすと大量の二酸化炭素が大気中に放出され、熱が閉じ込められることで地球温暖化が引き起こされます。
レジ袋から車のバンパー、衣類に至るまで、あらゆる製品に使われているプラスチックは、伝統的に石油由来の合成ポリマーから作られています。これらのポリマーの構成要素は、原油精製から直接得られるか、精製製品から合成されます。プラスチックの製造工程では、世界の石油供給量の8〜10%が消費されていると推定されており、この数値は2040年までに倍増すると予測されています。
石油化学製品や従来のプラスチックの生産は依然として石油に全面的に依存しており、この再生不可能な資源は地球上から急速に枯渇しつつあります。したがって、プラスチックが抱える問題は多岐にわたります。資源の減少により標準的なプラスチック生産はいずれ停止せざるを得ず、この生産方法は生態系を破壊します。さらに、多くのプラスチック製品は再利用できず、膨大な廃棄物を生み出しているうえ、適切に廃棄・リサイクルされないことでさらなる環境破壊を招いています。
一般消費者は、使い捨てプラスチックの使用を控え、包装廃棄物を減らし、責任を持ってリサイクルを行うことで、「エコロジカル・フットプリント」を削減し、環境保護に貢献できます。製造業者も同様に、プラスチック開発において石油に代わる資源を選択することで、エコロジカル・フットプリントを改善できます。その選択肢となるのが、合成ポリマーに代わるバイオポリマーです。
「バイオポリマー」という言葉は、起源を問わず生分解性や生体適合性のあるポリマーを指す場合もありますが、本ブログでは、バイオマスから生成されるバイオ由来ポリマーのみを指すものとします。これらは再生可能な資源から生成されるため、大気中のCO2を固定し、温室効果ガスの排出を削減します。また、多くのバイオポリマーは生分解性も備えており、製品の廃棄における柔軟性が高く、リサイクルも可能です。
バイオポリマーの種類
バイオポリマーは、その資源と生産方法によって大きく3つのクラスに分類されます。
- クラスA：デンプン、セルロース、タンパク質、アミノ酸およびその誘導体など、バイオマスから直接得られる天然ポリマー
- クラスB：微生物や植物を用いてバイオ合成されるポリマー、または主にバイオ合成されたモノマーから直接調製されるポリマー（ポリヒドロキシアルカン酸（PHA）やポリ乳酸（PLA）
- など）クラスC：ポリエチレンやポリエチレンテレフタレート（PET）
各クラスのバイオポリマーは、包装材料、農業、外科用生体材料など、それぞれ異なる商業的用途に適しています。
- クラスAおよびBのポリマーはすべて生分解性であり、ほぼすべてがバイオベースですが、石油系プラスチックと比較して特性が劣るため、補強用フィラーや耐衝撃性改良剤と組み合わせて使用されることが一般的です。
- クラスCのポリマーは構造的に石油系プラスチックと類似していますが、そのほとんどが生分解性ではなく、廃棄やリサイクルに関する課題も同様です。
バイオポリマーの普及を阻む課題はコストです。発酵収率や効率の向上を目指す取り組みや、食品製造工場や有機廃棄物ストリームを持つ施設へのバイオポリマー生産の統合などにより、高い製造コストを抑えようとする試みがなされていますが、依然として大きな障壁となっています。
バイオポリマーの現在の用途は？
市販のバイオプラスチックは、主に包装材として使用されてきました（表1）。デンプンとPLAは、コストが比較的低いため、最も多く生産されているバイオプラスチックです。一方、PHAは生産コストが高いため、生産量ははるかに少なくなっています。
表1. 主要な市販バイオポリマーの生産と用途
「クール」な選択：コカ・コーラのPlantBottle™
バイオポリマーにおける持続可能なイノベーションは、数十年にわたり水面下で進められてきましたが、大手企業が新製品を発表するまで、その進歩がニュースとして取り上げられたり、一般の目に触れたりすることは多くありませんでした。
2015年夏、コカ・コーラ社は PlantBottle™パッケージを発表しました。これは、再生可能資源のみから作られた世界初のペットボトルです。このボトルは、従来のプラスチック製ボトルと同様の外観、機能、リサイクル性を備えながら、石油を使用しないことで地球環境への負荷を大幅に低減しています。このような発表は、バイオポリマーの継続的な開発と、世界中の主流製品への採用を後押しするものです。
バイオポリマーに関する誤解と事実
バイオポリマーの普及には、一般社会の認識も重要です。従来のプラスチックに代わる持続可能な選択肢として、その大きな利点は広く認められているものの、批判の対象となることもあります。こうした批判の中には、誤解や混乱から生じたものもあれば、全く予期せぬものもあります。表2に、頻繁に議論されるトピックについての私たちの見解をまとめました。
表2. バイオポリマーに関する誤解と事実
PBAT = ポリブチレンアジペートテレフタレート、PBS = ポリブチレンサクシネート、PLA = ポリ乳酸
バイオポリマー研究の現状
バイオポリマー研究は近年注目を集めており、2019年の「トップ10新興技術」の一つに選ばれました。これに至る研究とイノベーションは、CAS Content Collection™（図1）に見られるように、過去20年間にわたり継続的に行われてきました。これは、原油価格の変動や、持続可能性の向上と気候変動への取り組みに対する社会的な要請に応えるものです。学術論文と特許の件数は、当初は緩やかな増加でしたが、2009年頃から同程度のペースで加速しました。2014年頃には、2020年まで学術論文数が大幅に増加したのとは対照的に、特許公開件数の伸びは著しく鈍化しました。
バイオポリマーは主に化石燃料由来プラスチックの再生可能な代替品として開発されているため、後者の価格が大幅に上昇すればバイオポリマーの競争力が高まり、研究者や発明家の意欲と自信も向上します。プラスチック価格は原油価格と密接に関連しており、2000年代半ばからの大幅な上昇と2008年の前例のない急騰は、2008年頃の特許公開件数の曲線に見られる変曲点を説明できる可能性があります。2014年以降、原油価格が急落したことでバイオポリマーの相対的なコストが再び上昇し、発明家の意欲が削がれた結果、同年に特許公開件数が横ばいになったと考えられます。
CASインサイトレポートを読み、バイオポリマーの各分類における利点、限界、普及状況、そして過去20年間でこれらの代替プラスチックに対する研究開発の関心がどのように変化してきたかをご確認ください。
