化成品・燃料・医薬の各分野において、再生可能資源を原料とするバイオ発酵プロセスの開発が急速に進んでいます。発酵は、微生物の増殖・基質消費・生成物生成が複雑に絡み合うため、最適条件を見極めるには実験データに裏付けられた定量的なプロセスモデルが不可欠です。
シムアーツでは、プロセスシミュレーター「Aspen Plus®」のFERMENTATION（発酵）機能を活用し、文献・実験データに基づく速度論的モデルの構築から、プロセス全体の最適化、経済性評価（TEA）までを一貫してサポートします。
バイオ発酵プロセスが注目される背景
再生可能資源からの化学品・燃料製造
枯渇性資源に代わり、再生可能なバイオマスを原料とした化学品・燃料製造の取り組みが世界的に広がっています。米国DOEのレポートでも多数の候補から重要なビルディングブロックが選定されており、幅広い応用が期待されています。
バイオマスを活用する主なメリット
①カーボンニュートラルへの貢献：大気中のCO2を取り込んで育つバイオマスを原料とすることで、温室効果ガスの排出を抑制します。
②化石資源への依存低減：石油由来の製品を、再生可能資源由来の同等品へと代替できます。
③未利用資源の有効活用：農業残渣や食品廃棄物などの廃棄物を循環利用できます。
④高付加価値化：一つの基幹物質から多様な誘導体・最終製品へ展開でき、新たな事業機会を創出します。
プロセス設計における課題
発酵プロセスの事業化には、特有の複雑な課題を解決する必要があります。
①微生物の挙動（基質・生成物・酸素濃度や温度への依存）が複雑で、単純な収率計算では予測が困難です。
②バッチ、流加（半回分）、連続など、運転モードによって最適条件が大きく変動します。
③発酵工程単独ではなく、原料前処理・分離精製を含めた全体最適とコスト評価が必要です。
Aspen Plus®「FERMENTATION機能」でできること
FERMENTATION機能は、スクリプト不要（GUI上の操作のみ）で発酵特有の速度論モデルを構築できる強力なツールです。
①濃度プロファイルの予測：速度論的な発酵モデルを反応器（BatchOp／RCSTR）に組み込み、菌体・基質・生成物の変化を予測します。
②プロセス全体の評価：前段（原料前処理など）から後段（分離・精製）までを連結し、物質・熱収支を一気通貫で評価します。
③最適運転条件の探索：感度解析や最適化計算により、収率・生産性・コストを最大化する条件を導き出します。
充実したバイオ・微生物データベース
Aspen Plus® V14に標準搭載された専用データバンクを活用し、原料特性の評価から発酵モデルまでをシームレスに接続します。
①APESV140 BIOFEED（562成分）：農業・産業廃棄物、藻類、木質バイオマスなどを網羅。セルロースやリグニン等の組成定義が可能です。
②APESV140 FERMENT（26成分）：酵母、大腸菌、藻類、CHO細胞など、発酵に用いる微生物の元素組成を収録しています。
活用事例（デモモデル
Brink & Nicol (2014) の文献データに基づくコハク酸発酵プロセスを題材に、FERMENTATION機能の活用イメージを動画でご紹介します。
適用分野とモデリングの対応範囲
シンプルなモデルからHigh-Fidelity（高忠実度）なモデルまで、目的に応じた柔軟なバイオリアクターモデルを開発します。
主な適用分野
①バイオ燃料：リグノセルロース系からのバイオエタノール、SAF（ATJルート発酵工程）
②バイオ化学品：コハク酸・1,4-BDOなどの発酵生産、複数基質・生成物プロセス
③エネルギー・廃棄物：有機性廃棄物の嫌気性発酵によるバイオガス生産
③ライフサイエンス：哺乳類細胞（CHO）培養による抗体医薬（mAb）生産
高度なモデリング対応
①複雑な速度論特性（多数の律速項、電解質系での厳密なpH計算）や、好気性／嫌気性発酵（酸素移動速度の考慮）を含む系
②パラメータ推定機能やハイブリッドモデル（機械学習）によるモデル校正
③同一フローシート上での、異なる微生物・運転条件の効率的な比較検証
コスト積算と経済性評価への接続
シミュレーションで得られた収支データをもとに、設備費（CAPEX）、原料・用役コスト、製品製造原価を算出します。技術経済性評価（TEA）とLCAを組み合わせることで、事業実装の可能性やROI（投資利益率）を迅速に比較・検討できます
関連リンク
プロセスのコスト積算と経済性評価
バイオマス由来のSAF合成プロセス
CO2吸収プロセスのシミュレーション
発酵プロセス検討のご相談
文献調査からプロセスシミュレーション、最適化、経済性評価（TEA）・LCAまで、シムアーツがワンストップでサポートします。モデル開発やスケールアップ、コスト評価でお悩みの方は、ぜひ当社にご相談ください。経験豊富なエンジニアが、お客様の課題に合わせた最適なソリューションをご提案いたします。
