無塩素漂白パルプの製造技術と環境負荷低減の新手法

無塩素漂白パルプとは何か

紙の白さを得る過程で欠かせない漂白工程では、かつて塩素ガスが主流でした。
しかしダイオキシンや有機塩素化合物による水質汚染が問題となり、無塩素漂白パルプが注目されています。
無塩素漂白とは、塩素分子を全く使用しないTCF（Totally Chlorine Free）と、二酸化塩素を用いるECF（Elemental Chlorine Free）に大別されます。
どちらも有害な有機塩素化合物の生成を大幅に抑え、環境負荷を低減できるのが特徴です。

従来漂白プロセスの課題

有機塩素化合物の生成

塩素ガス漂白では、リグニンと塩素が反応しダイオキシン類やトリハロメタンが副生成されます。
これらは分解されにくく、生態系や人体への毒性が懸念されます。

排水処理コストの増大

有機塩素化合物を含む排水は高度処理が必須であり、薬剤・エネルギーコストが嵩みます。
コスト増は紙製品の価格競争力を損ねる要因でした。

社会的評価の低下

環境意識の高まりにより、サプライチェーン全体で持続可能性を示すことが求められています。
塩素ガス頼みの製造は企業イメージや投資家評価にも影響します。

無塩素漂白パルプ製造技術の概要

酸素脱リグニン（Oxygen Delignification）

酵素や過酸化水素の前工程として、まず酸素とアルカリでリグニンを選択的に除去します。
これにより後段の漂白薬品使用量を30〜50％削減できます。

過酸化水素漂白

H₂O₂は分解して水と酸素になるため残留毒性がありません。
アルカリ条件下でリグニン残渣を酸化し、パルプ白度を向上させます。

オゾン漂白

非常に高い酸化力をもち短時間で効果を示します。
反応塔を小型化できる一方、オゾン生成に電力を要するためエネルギー最適化が課題です。

二酸化塩素漂白（ECF）

ClO₂は選択性が高く、リグニンを効率的に分解しつつ有機塩素化合物の生成を抑えます。
排水中のAOX（吸着性有機ハロゲン）は従来の10分の1以下に低減可能です。

酵素前処理

キシラナーゼやマンナナーゼを用いてヘミセルロースを部分分解し、薬品浸透を促進します。
これにより漂白薬品を10〜20％削減しつつ紙強度を維持できます。

環境負荷低減の新手法

LCAに基づくプロセス最適化

ライフサイクルアセスメントを活用し、原木調達から製品廃棄までのCO₂排出と水使用量を定量化します。
分析結果をフィードバックし、薬品配合や蒸解条件を最適化する事例が増えています。

イオン液体によるリグニン可溶化

塩素を含まないイオン液体をパルプ前処理に用い、リグニンを溶解除去する研究が進んでいます。
常圧・低温で作業可能なため、エネルギー消費を最大40％削減できると報告されています。

バイオマス由来過酸化酸素供給

製紙工場内で発生するリグニン副産物をガス化し、得られたバイオメタノールから過酸化水素をオンサイト合成する技術が開発されています。
薬品輸送を省き、Scope3排出を抑制できる点が評価されています。

AI制御による薬品注入最適化

機械学習モデルが漂白塔のpH、温度、残存リグニン量をリアルタイム解析し、薬品注入弁を自動制御します。
試験プラントでは過酸化水素使用量を15％、電力を8％削減しながら白度バラツキを半減させました。

無塩素漂白の経済性

薬品単価は塩素ガスより高い場合がありますが、排水処理・廃棄物処理コスト低減で総コストは逆転しつつあります。
欧州のLCC試算ではTCFへの移行でトン当たり平均12ユーロのコストメリットが報告されています。
また環境ラベル取得やESG格付け向上による販路拡大、資金調達利率低減も無視できません。

国内外の導入事例

北欧製紙大手のTCF完全移行

スウェーデンのメーカーは1990年代に全ラインをTCF化し、排水中AOXを0.01kg/t以下に抑えました。
グリーン水素を活用したオゾン生成で脱炭素効果も高めています。

日本の総合製紙企業によるECF最適化

国内企業は二酸化塩素発生装置を最新型に更新し、薬品収率を20％改善、CO₂排出を年間1万トン削減しました。
FSC認証材と組み合わせた高付加価値製品を欧米へ輸出しています。

ラテンアメリカのバガスパルプ工場

サトウキビ残渣を原料に、酵素処理と過酸化水素漂白を組み合わせることで完全無塩素漂白を実現しました。
農業廃棄物活用と水使用量65％削減が国際機関から評価されています。

規制動向と市場ニーズ

欧州REACH規則や米国EPAはAOX排出基準を段階的に厳格化しており、塩素ガス漂白は事実上撤退傾向にあります。
ブランドオーナーもサプライヤーに森林認証と無塩素漂白を同時要求するケースが増加しています。
脱プラスチックの潮流で紙素材需要が拡大する中、環境負荷の小ささは差別化の鍵になります。

今後の研究開発トレンド

1. 酵素スクリーニングを高速化するメタゲノム解析の普及で、高効率リグニン分解酵素の発見が期待されます。
2. オゾン生成装置に固体高分子型電解槽を用い、再エネ電力で稼働させる試みが進行中です。
3. リグニンを高付加価値化学品へ転換し、製紙工場を総合バイオリファイナリー化する構想が広がっています。
4. ブロックチェーンで原木調達から漂白工程までの環境データを可視化し、消費者へ開示するプラットフォームも登場しています。

まとめ

無塩素漂白パルプは、ダイオキシン汚染の回避だけでなく、排水処理費やCO₂排出の削減にも寄与します。
酸素脱リグニン、過酸化水素、オゾン、酵素など多様な技術が組み合わされ、経済性も向上しています。
さらにイオン液体やAI制御といった新手法が環境負荷を一段と下げ、国際規制や市場ニーズにも対応する動きが加速しています。
製紙業が持続可能な社会の要請に応えるためには、無塩素漂白技術の深化と、LCA視点でのプロセス最適化が不可欠と言えるでしょう。