地球上で最も豊富な天然ポリマーのひとつであるリグニンは、維管束植物のすべての細胞壁に含まれている。その名前はラテン語のLignum（木の意味）に由来する。リグニンは次世代の持続可能な製品の中核原料として認識されているため、研究者や産業界のバイヤーからリグニンの品質に対する関心が高まっている。以下では、リグニンに関する基礎的な生物学から工業的応用までの知識を解説する。.
リグニンは石油化学製品の天然代替品として、プラスチック汚染や炭素排出に対する世界的な懸念から、投資や研究が活発化している。.
1.リグニンとは？
リグニンは複合天然フェノール系バイオポリマーの一種で、木材の乾燥重量の15-30%を占める。リグニンは重量を支える植物の骨格として機能する。また、根から梢への効率的な水分輸送を可能にする。その上、細胞壁を強化し、水分の損失を防ぎ、細菌や真菌の感染から植物を保護することができる。.
リグニンは地球上の全有機炭素の約30%を占めており、地球規模の炭素循環に不可欠な成分である。地球上の生きた植物には3,000億トン以上のリグニンが蓄積されており、地球上で最も豊富な有機物の一つとなっている。.
植物の細胞壁はリグニンとセルロースで構成され、セルロースが構造を支え、リグニンが剛性と耐水性を提供する。自然の複合構造は、ほとんどの人工複合材料よりも効果的である。.
2.リグニンはどこから来るのか？
リグニンは、樹木や竹などの維管束植物の細胞壁や、わらやとうもろこしのわらのような農業残渣に存在する。広葉樹と針葉樹ではリグニンの含有量も構造も全く異なる。松などの針葉樹には25〜35%のリグニンがあり、樫などの広葉樹には18〜25%のリグニンがある。草本などの非木本植物中のリグニンの含有量は最も少なく、15-20%です。.
リグニンの含有量と構造の違いは、工業用途への応用に直接影響する。木材以外にも、農業から排出されるリグニン含有廃棄物は年間数十億トンある。籾殻、サトウキビバガス、麦わらなどのリグニンの潜在的供給源は、現在では十分に利用されていない。.
リグニンはもともと農業廃棄物であるため、抽出コストは低い。わらは年間7億トンも生産されており、リグニンを効率よく抽出できれば、ほとんどタダで原料を提供してくれる。.
3.誰がリグニンを発見したのか？
1838年、フランスのアンセルム・ペイエンという化学メーカーが、硝酸とアルカリ溶液を用いて木材を処理した結果、偶然にも2つの異なる物質を発見した。そのうちのひとつはセルロースと呼ばれ、もうひとつはコーティング材と説明された。この発見の秘密を解明するのに1世紀を要した。.
1865年、ドイツの植物学者フランク・シュルツが、ラテン語のLignumを語源とするコーティング材をリグニンと命名した。カール・フロイデンベルグなど一部の科学者は、20世紀になってリグニンの複雑な化学構造を解明した。最初の発見から完全な分解には100年以上かかった。.
パイエンの発見は、19世紀における重要な化学的ブレークスルーである。この発見は製紙産業の基礎を築き、植物細胞壁の体系的な研究を開始し、その後のバイオ燃料やバイオマテリアルの発展を促した。.
4.リグニンの種類
リグニンは植物由来と抽出技術によって分類することができます。リグニンの純度、溶解度、適用範囲を決定するため、バイヤーやエンジニアにとっては、抽出技術によって分類する方がより実用的です。.
植物の原産地別に分類 |
針葉樹リグニンは主にグアイアシル（G）ユニットから構成され、広葉樹リグニンはグアイアシル（G）とシリンギル（S）ユニットから構成されます。. 草本植物にはさらにp-ヒドロキシフェニル（H）ユニットが含まれる。. |
抽出技術で分類 |
クラフトリグニンが最も一般的で、世界の工業用リグニンの85%を占める。製紙業の副産物で、主に発電用に燃焼されている。. リグノスルホン酸塩は亜硫酸塩法で製造され、水溶性が高い。最安値は1トン約$50で、商品性が高い。. オルガノソルフリグニンは、リグニンの中で最も純度の高いタイプです。炭素繊維や医薬品などの高級用途に適していますが、価格は1トンあたり$750と高価です。. ソーダリグニンは、わらやサトウキビバガスなどの非木材植物から作られる。硫黄を含まず、特殊用途に適している。. |
リグニンの選択は予算と用途による。コンクリート添加剤や動物飼料に使用する場合は、リグノスルホン酸塩が経済的な選択肢となります。ナノ粒子ドラッグデリバリーシステムや高性能複合材料の用途には、純度が高いオルガノソルブ・リグニンが推奨されます。ただし、コストは10倍になることもある。.
5.リグニンの生成
工業用リグニンは製紙産業の副産物である。最も一般的な製法はクラフト法である。水酸化ナトリウムと硫化ナトリウムを用いて木材を高温で分解した後、リグニンを抽出し、セルロースを残して抄紙する。.
クラフト法で生産されるリグニンは年間約5,000万トン。しかし、リグニンの98〜99%は発電用として燃焼され、廃棄物となっていました。この状況を変えようとしているのが、より純度の高いリグニンを製造できる深部共晶溶媒抽出とイオン液体抽出である。コストは高いが、技術の成熟とともに、より多くのリグニンが研究室や市場に出てきている。.
製紙工場でリグニンを燃焼させる理由は合理的である。リグニンは高エネルギー燃料であり、燃焼中に工場に十分な蒸気と電力を供給できるからである。工場は、現在のシステムを変更するために余分な抽出・精製装置を投資する必要があり、短期的には十分な経済的インセンティブが得られない。.
6.リグニンの用途
リグニンの大部分は燃焼されたが、製品化された部分はすでに広く利用されている。最も成功した例の一つはバニリンで、リグニンから15%のバニリンが抽出される。バニリンの推定市場価値は$1.5億米ドルに達し、リグニンの最も成熟した商業用途の一つである。.
建設業界では、リグノスルホン酸塩をコンクリートの減水剤として使用することができ、建設性能を向上させることができます。農業の分野では、リグニンは土壌改良剤や緩効性肥料のバインダーとして使用できます。炭素繊維の分野では、リグニン前駆体は炭素繊維のコストを1kgあたり$20-30から1kgあたり$5-10に下げることができる。実用化後は、自動車産業や航空宇宙産業に有益である。.
その上、繊維産業への応用の可能性もある。リグニンは天然染料や繊維改質剤に改質することができる。エレクトロニクス産業では、リグニン由来の炭素材料がスーパーキャパシタや電池の電極材料として研究されており、将来的にはリチウム電池の持続可能な代替品になるかもしれない。.
7.リグニンが持続可能性に重要な理由
製紙工場では年間約5,000万トンのリグニンが燃やされており、これは潜在的な化学原料として$250億トンの廃棄物に相当する。石油由来のプラスチックや化学物質のほんの一部をリグニン由来の代替品に置き換えるだけで、炭素排出量を大幅に削減することができる。.
この問題は、各国政府からの注目度が高まっている。EUのバイオ経済戦略とバイオエネルギー技術局は、リグニンを優先的に開発すべき原料としている。再生可能な生分解性原料としてのリグニンの重要性は、化石燃料を段階的に廃止していく世界的な流れの中で、今後も高まっていくだろう。.
一般消費者にとって、リグニンの開発は、将来、パッケージ、自動車部品、薬のカプセルなどが、石油ではなく、木材や農業廃棄物から得られる可能性があることを意味する。リグニン由来の製品の一部はすでに市場に出回っている。.
8.リグニン系材料の将来
リグニンの世界市場規模は、2023年には約8億US$であり、2030年には16億US$に成長すると推定される。年平均成長率は約10%である。最も成長率の高い分野は、炭素繊維、バイオプラスチック、ナノ粒子薬物送達システムである。.
リグニン開発の最大の課題は、構造の不安定性である。リグニンの含有量は、植物由来や抽出技術によって大きく異なるため、高級用途のための標準化が困難である。品質管理の問題を解決できれば、バイオエコノミーの中核素材のひとつになるだろう。.
現在、大規模な商業化に最も近いのは、リグニンベースの炭素繊維である。オークリッジ国立研究所は、リグニンから自動車用炭素繊維の製造に成功した。フォード・モーター・カンパニーとゼネラル・モーターズ・カンパニーがこの部品をテストしている。大量生産が可能になれば、車両重量は最大10%まで軽量化でき、それに伴って燃費も向上する。.
