James H.Clark, Chapter 1:グリーン＆サステイナブルケミストリー: グリーン＆サステイナブル・メディシナル・ケミストリー（Green and Sustainable Medicinal Chemistry）。 Methods, Tools and Strategies for the 21st Century Pharmaceutical Industry, 2016, pp.1-11 DOI: 10.1039/9781782625940-00001
eISBN: 978-1-78262-594-0
書籍シリーズより。 Green Chemistry Series

表1.1現在の慣行に基づくと利用可能性が制限されているいくつかの重要な元素。

10年以内になくなるものもある (e.m.)。インジウムやゲルマニウムなど）。 新しい埋蔵量が発見される一方で、石油と同様に、それらは比較的質が悪く、高い経済的・環境的コストを伴うことがよくあります。 皮肉なことに、リチウムやレアアースなど一部の資源の不足は、低炭素技術の利用率が上昇した結果である。 低化石炭素技術は確かに必要だが、他の重要な元素の大量使用など、結果的な問題にも目を配りながら導入する必要がある9。

研究者がいくつかの元素の重要性に対応している一つの方法は、これらの元素のよりスマートな使用、すなわちより良い触媒設計とリサイクル（第11章で議論）、およびより豊富な卑金属の使用に焦点を当てることによって重要元素の使用を回避する触媒の開発（第16章）である。 石油は、ごく一部の天然由来化合物（例：パーソナルケア製品や医薬品に使用）や南アフリカの石炭由来の化学物質（アパルトヘイト時代に導入された貿易障壁を克服するために開発）など、いくつかの例外を除き、炭素原料としてこの産業を支配してきた。

現在、化石資源や人間や環境に有害と考えられる物質の代替物として生物由来の化学物質を製造するように、特に消費者からの圧力が高まってきている。 バイオベースの製品への移行は、多くの利点があると考えられている。10 再生可能かつ消耗可能な資源の利用 限られ、ますます高価になる化石資源への依存度が低い 温室効果ガスの排出削減の可能性（カーボンニュートラル／低カーボンインパクト） 持続可能な産業生産の可能性 地域社会の健康増進の可能性 農村開発を支援する 革新的で環境効率の高い製品による産業競争力の向上 世界の他の地域への移転の可能性（EUで発見、実証されている適切な技術の移転を含む）

Vijayendran は、2025 年までに 3 兆ドルの世界の化学市場の 15％以上がバイオ源から生まれると推定 している。11 医薬品有効成分（API）、ポリマー、化粧品、潤滑油、溶剤も、バイオベース製品のためのアドホックアドバイザリーグループによって、化学分野の最も重要なサブセグメントになると推定されています10。特にAPIは、世界の化学品売上の33.7％を占めており、バイオテクノロジープロセスを用いて生産された製品の売上比率が最も高い化学セグメントとなると予測されます。 石油化学製品からの脱却が始まると、化学原料としてのバイオマスの利用はますます重要になるだろう12

1.3 化学原料としてのバイオマス

バイオマスは一般的に、化学物質、燃料、材料を作るための原料として使用できる大量で価値の低い生物資源と理解される。 石炭や石油などの化石資源（それ自体が古代のバイオマス）と区別するために、100～200年未満の資源（人間と同様のライフサイクルを持つ資源）に限定することが賢明である。 このように考えると、バイオマスには以下のようなものがあると考えられます。 林業残渣 短周期木 ストローを含む農業残渣 貝殻、石、皮を含む食品加工廃棄物 草や食用に利用されないその他の陸生バイオマス 海洋残渣 マクロアルジェ（海藻）、マイクロアルジェ、その他の食用に利用されない水生バイオマス その他の食品廃棄物

この利用可能なバイオマス総量は正確にはわかっていないが、これまでに年間 500 億トンと推定されており、そのうち年間 13 億トンが食品廃棄物として扱われてきた13,14。

リグノセルロース系バイオマスは、セルロース、ヘミセルロース、リグニンを含む乾燥植物質から構成されています。 ススキ、ヤナギ、ポプラなど、様々な専用作物から得ることができます。 また、稲わらや麦わらなどの廃棄物、林業残渣、製紙業の紙パルプなどからも原料を得ることができる。 食品廃棄物もまた、機能性分子を豊富に含む原料のひとつである。 生分解性でありながら、再生可能な化学物質や材料、バイオ燃料の原料として価値を高め、廃棄物の最小化と化石資源への依存の低減につなげたい。 廃棄物の利用は、食糧生産に利用される可能性のある農地との競合を回避する一方、廃棄される可能性のある残渣から価値を生み出すという重要な利点がある15。

バイオマスに含まれる抽出可能な機能性分子に加え、多くの種類のバイオマスのバルクセルロース成分を生化学的または熱化学的に処理することにより、コハク酸、乳酸、レボグルコセノンなどの有用な機能性分子または「プラットフォーム分子」をさらに作ることができます。 バイオリファイナリーは、エネルギーと化学物質を生産するという意味で、現在の石油精製工場と類似している。 6548>

バイオリファイナリーは、3つのタイプに属すると考えることができる。 タイプ1のバイオリファイナリーは、1つの原料の変換に焦点を当て、1つのプロセスを使用し、1つの製品を対象としています。 菜種またはヒマワリを油の抽出に使用し、その後、メタノールと触媒を使用して、脂肪酸メチルエステルまたはバイオディーゼルを生産するためにトランスエステル化される。 典型的な例は、デンプン、エタノール、乳酸を、高果糖シロップ、コーンシロップ、コーン油、コーンミールとともに、トウモロコシの湿式製粉事業から生産することである。 さらに最近提案されている例としては、オレンジピールなどの柑橘類廃棄物の利用がある（図1.3）16

タイプ3のバイオリファイナリーでは、より幅広い技術の組み合わせが可能である。 また、2つ以上のバイオベース製品を生成し、残渣をエネルギー（燃料、電力、熱のいずれか）の生産に使用することで、より多くの製品を作ることができる。 例えば、ホールクロップ・バイオリファイナリーでは、同じ作物から得られる複数の農業副産物を利用することができる。

バイオリファイナリーコンセプトが開発されるにつれ、その出力が真に持続可能であることを保証する、クリーンな技術の使用が適用されることが不可欠となる。 IEAバイオエネルギータスク42は、バイオリファイニングを「バイオマスをバイオベース製品（食品、飼料、化学物質および/または材料）およびバイオエネルギー（バイオ燃料、電力および/または熱）のスペクトルに持続的に処理すること」と定義している。17 将来的には、柔軟な技術を活用したさまざまなバイオリファイナリーが商業的に出現し、バイオリファイナリーというコンセプトが、地元で入手できるバイオマスを燃料・化学物質・電力の統合サイクルで処理し、地元住民の生活の質を向上させ、持続性の3次元（環境保護、社会進歩、経済発展）が支配する環境影響を低減させると考えられています12。

グリーン ケミストリーは、化石原料の代替や資源利用におけるより循環型の経済的アプローチへの道を指し示し、自然エネルギー革命の推進を支援しています。 製品のライフサイクルにおける3つの基本的な段階はもはや十分ではなく、使用済みの製品から有用な生産に資源を還元する段階を加える必要がある。 これは原理的には、有機物の自然な炭素サイクルの一部となり得るもので、私たちが必要とするのは、製品が回収され（より良いインフラ）、（迅速に）生分解されることだけである。 しかし、自然界は炭素のほとんどを二酸化炭素やその他の単純な分子の形で移動させる傾向があり、その場合、（資源を消費し、それ自身の廃棄物を生み出す化学反応を行うなどして）蓄積するための努力が必要になります。 無機資源の場合、ほとんどの元素で自然のサイクルに頼ることはできない。 鉱石を採掘し、それを加工して金属を作り、その金属を使って複雑な製品を作り、そして埋立地に捨てるという現在の直線的な方法では、有用な形で資源を還元することはできないのです。 むしろ、無機資源のクローズドループシステムを構築し、金属をはじめとする資源を、元の製品から回収し、同じ用途や別の用途に簡単に使用できる形にする必要がある。 これは、資源レベルで簡単に分解できるように、物品の設計を根本的に変える必要があります。

1.4 世界の主要な取り組み

これまで議論してきたように、増加する法律、限られた資源、科学と世論の変化は、産業と学術がより環境に優しく、持続可能な実践に向けて協力する必要が高まってきていることを意味します。 そのためには、次世代の科学者に知識とスキルを身につけさせることが不可欠です。

1980年代にAlCl3などの一般的に使用される危険な試薬の代替などの分野に取り組む少数の研究グループから始まり、1990年代に米国EPAが始めたグリーンケミストリー運動を通じて、現在では世界中で多くのグリーンおよび持続可能な化学イニシアチブが存在するようになっています。 これらは、いくつかの分野で活動している大規模なセンターから、教育プログラムやネットワークまで多岐にわたります。 グリーンケミストリーは、教育のさまざまな段階やさまざまな国で見られるようになった。おそらく最もよく知られている教育プログラムは、イギリス、フランス、スペイン、カナダ、ギリシャ、インド、ブルガリアなどの国で現在行われている修士課程であろう18。グリーンケミストリーは学部レベルではあまり発展していないが、アメリカでは13大学がグリーンケミストリーのコースを提供していると推定されており、特にバークレーはオンライン活動を展開するなど、活発である11。

グリーンケミストリーセンターは、米国（カリフォルニア大学バークレー校、カリフォルニア大学ボストン校など）、オーストラリア（モナッシュのグリーンケミストリーセンター）、韓国（韓国化学技術研究所など）、メキシコ（モンテレーのUANL）、インド（デリー大学）、カナダ（グリーンセンターカナダ）、英国（ヨーク大学）にあり、普及しつつあります。20

グリーンケミストリーネットワーク（GCN）は、既存のセンター間のコミュニケーションを改善し、ブラジルや南アフリカのような新興センターのためのガイドを提供する試みとして、最近グリーンおよび持続可能な化学センターのネットワーク（G2C2）を開始した21。 さらに、グリーンケミストリー研究所は、製薬プロセスのグリーン化など、いくつかの重要なグリーンケミストリーの取り組みを積極的に推進しています23,24。学術界と産業界の連携も、IMI「CHEM21（21世紀の製薬産業のための化学製造法）」プロジェクト25のような最先端の技術やプロジェクトの開発において重要です。 このプロジェクトのテーマの多くは、本書の各章で取り上げられている。

1.5 まとめ

グリーンケミストリー、グリーンエンジニアリング、および持続可能な設計は、より環境に適したプロセスへと向かう際に考慮しなければならない。 世論の変化、法律、資源の利用可能性、これらすべてが変化の原動力となっています。 REACHの施行と、多くの化学物質の使用を制限することを目的とした化学物質の「SINリスト」の作成は、製造業に広く影響を及ぼしています。 多くの資源の利用可能性が限られているため、閉ループシステムを開発し、循環型経済へ移行する必要があります。 バイオリファイナリーのコンセプトは、バイオマスを有用な化学物質やエネルギーに変換し、化石資源への依存を減らすことを可能にします。 グリーンケミストリーやサステイナブルケミストリーの分野におけるイノベーションを支援し、次世代の科学者を育成しようとする多くのイニシアチブが世界中で行われています。