JP2012200250A - 浮遊性微細藻類の回収方法および浮遊性微細藻類の培養システム - Google Patents

Abstract

【課題】 安全性や環境性に優れ、コストを抑えて浮遊性微細藻類の回収を実施可能な浮遊性微細藻類の回収方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明にかかる浮遊性微細藻類の回収方法の代表的な構成は、所定の有機化合物を生成する浮遊性微細藻類を培養槽１１０にて培養するステップＳ２００と、粘性物質を分泌する性質を持つ粘性物質分泌性微細藻類を培養槽１１０に加え（ステップＳ２０４）、浮遊性微細藻類を凝集沈殿させて回収するステップＳ２１０とを含むことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は所定の有機化合物を生成する浮遊性微細藻類の回収方法、および浮遊性微細藻類の培養システムに関する。

化石資源に依存しない燃料として、バイオ燃料が提案されている。バイオ燃料としては、トウモロコシやサトウキビ等を原料にしたものが知られているが、近年では面積当たりの収量が高く、食糧生産と競合しない藻を原料としたものが最も注目されている。具体的には、イカダモ、シュードコリシスチス（Pseudochoricystis ellipsoidea）やボトリオコッカス（Botryococcus braunii）といった浮遊性微細藻類を大量に培養する研究が既に進められており、さらに新しい有望株としてオーランチオキトリウムが発見されたとの報告もある（非特許文献１参照）。

上記のような浮遊性微細藻類からバイオ燃料を生成する技術は、市場競争力の獲得も見込まれつつあり、実用化に向けて着実に研究が進められている。このような状況において、バイオ燃料となる浮遊性微細藻類の培養から抽出に到るまでのプロセスを高効率化する技術開発についても進められている。その中で特に、浮遊性微細藻類の回収に関しては、細胞表面の電荷の静電反発力や水に近い比重によりこれが沈殿も浮上もしないため難しく、最適な手法について様々な議論がなされている。

具体的には、遠心分離法やろ過法では回収に多大なエネルギーが必要であり、コストが高くなってしまう。凝集剤を使用した手法では、多大なエネルギー消費を伴わず安価に回収を行うことができるが、その凝集剤の添加の影響が懸念される。例えば、無機凝集剤を添加した場合、回収した浮遊性微細藻類から生成したバイオ燃料の灰分の増加、発熱量の低下が問題となる。

特許文献１には、上記のようなバイオ燃料の灰分の増加や発熱量の低下を回避可能な有機凝集剤であって、安全性や環境性に配慮した、メチロフィルス属細菌ＡＴＣＣ３１５０４株由来の凝集剤について記載されている。特許文献２には、微細藻類（浮遊性微細藻類）にその増殖に最適な光量の１．３倍以上の光を照射することによりその沈降性を向上させ、これを回収する手法について記載されている。

特開平１１−５７３１１号公報 特開平７−２８９２４０号公報

山路達也、"オーランチオキトリウムが、日本を産油国にする"、［online］、平成２３年２月２５日、Ｗｉｒｅｄ Ｖｉｓｉｏｎ、［平成２３年３月１７日検索］、インターネット＜URL：http://wiredvision.jp/blog/yamaji/201102/201102251301.html＞

上記特許文献１のメチロフィルス属細菌ＡＴＣＣ３１５０４株由来の凝集剤を用いるためには、そのメチロフィルス属細菌ＡＴＣＣ３１５０４株を培養する設備が必要となる。メチロフィルス属細菌ＡＴＣＣ３１５０４株を培養する設備と、浮遊性微細藻類を培養する設備とは、当然ながら異なる設備であるためコストが高くなってしまう。加えて、メチロフィルス属細菌ＡＴＣＣ３１５０４株の培養液から凝集剤としての多糖類を精製する場合には、その精製コストを考慮しなければならない。一方、上記特許文献２の技術は、回収する微細藻類（浮遊性微細藻類）の種類に依存するところがあり、常に適用できる手法ではない。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、安全性や環境性に優れ、コストを抑えて浮遊性微細藻類の回収を実施可能な浮遊性微細藻類の回収方法、および浮遊性微細藻類の培養システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明者は鋭意検討し、粘性物質を分泌する性質を持つ粘性物質分泌性微細藻類に着目した。浮遊性微細藻類の回収に、同じ微細藻類（粘性物質分泌性微細藻類）の特性を利用するようにすれば、最も他への影響がなく、コストも極力抑えることができる。そこで、この粘性物質（粘性物質分泌性微細藻類）と浮遊性微細藻類とについて研究を進め、本発明を完成するに到った。

すなわち、本発明にかかる浮遊性微細藻類の回収方法の代表的な構成は、所定の有機化合物を生成する浮遊性微細藻類を培養槽にて培養するステップと、粘性物質を分泌する性質を持つ粘性物質分泌性微細藻類を培養槽に加え、浮遊性微細藻類を凝集沈殿させて回収するステップと、を含むことを特徴とする。

かかる構成によれば、粘性物質分泌性微細藻類が分泌する粘性物質の働きにより、細胞表面の電荷の静電反発力等を原因として分散する浮遊性微細藻類を凝集沈殿させて回収することができる。微細藻類同士を凝集沈殿させて回収する手法であり、異物としてその影響が残る凝集剤を添加する訳ではないため、安全性や環境性が担保される。粘性物質分泌性微細藻類は浮遊性微細藻類と同様の設備で培養可能であって、粘性物質分泌性微細藻類から粘性物質を精製することなく、そのまま粘性物質分泌性微細藻類を培養槽に加える構成であるため、コストを最小限にまで抑えることができる。

上記浮遊性微細藻類を凝集沈殿させて回収するステップでは、細胞濃度を所定値未満に維持しつつ培養していた上記粘性物質分泌性微細藻類を上記培養槽に加え、この培養槽の内部にてその増殖を促すとよい。これにより、簡便に浮遊性微細藻類を凝集沈殿させることができ、高い回収率で浮遊性微細藻類を回収することができる。

上記浮遊性微細藻類を凝集沈殿させて回収するステップにて、上記培養槽にさらに酸を加えてもよい。これにより、粘性物質の作用による浮遊性微細藻類の凝集沈殿を補助することができる。

本発明にかかる浮遊性微細藻類の培養システムの代表的な構成は、所定の有機化合物を生成する浮遊性微細藻類を培養する第１の培養槽と、粘性物質を分泌する性質を持つ粘性物質分泌性微細藻類を培養する第２の培養槽と、粘性物質分泌性微細藻類を第１の培養槽に混入する混入手段と、粘性物質分泌性微細藻類の混入により凝集沈殿した浮遊性微細藻類を回収する回収手段と、を備えることを特徴とする。

上述した浮遊性微細藻類の回収方法における技術的思想に対応する構成要素やその説明は、当該浮遊性微細藻類の培養システムにも適用可能である。

本発明によれば、安全性や環境性に優れ、コストを抑えて浮遊性微細藻類の回収を実施可能な浮遊性微細藻類の回収方法、および浮遊性微細藻類の培養システムを提供可能である。

本発明の実施形態にかかる浮遊性微細藻類の培養システムの概略構成を示す図である。 本発明の実施形態にかかる浮遊性微細藻類の回収方法の手順を示す図である。 浮遊性微細藻類に粘性物質分泌性微細藻類を加える実験の開始時の状態を示す図である。 図３から３０分経過後の状態を示す図である。 図３から３６０分経過後の状態を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

[浮遊性微細藻類の培養システム、浮遊性微細藻類の回収方法]
図１は、本発明の実施形態にかかる浮遊性微細藻類の培養システム１００の概略構成を示す図である。図１に示すように、浮遊性微細藻類の培養システム１００は、所定の有機化合物を生成する浮遊性微細藻類を培養する第１の培養槽（以下、単に「培養槽１１０」と称する）と、粘性物質を分泌する性質を持つ粘性物質分泌性微細藻類を培養する第２の培養槽（以下、単に「培養槽１１２」と称する）とを備える。また、浮遊性微細藻類の培養システム１００は、培養槽１１２にて培養した粘性物質分泌性微細藻類を培養槽１１０へ混入する混入手段１２２と、培養槽１１０の底部から凝集沈殿物を回収する回収手段１２４とを含む。

さらに、浮遊性微細藻類の培養システム１００は、システム全体を制御、管理するシステム制御部１４０やこのシステム制御部１４０の制御を受ける培地供給手段１１４、１１６、光源１１８、１２０および酸供給手段１２６、培養槽１１２の培養液（培地＋粘性物質分泌性微細藻類）の光透過率を測定する光透過率測定手段１３８を含む。

図２は、本発明の実施形態にかかる浮遊性微細藻類の回収方法の手順を示す図である。図２に示すように、かかる浮遊性微細藻類の回収方法は、概して６つの手順（ステップＳ２００〜ステップＳ２１０）からなる。以下、図１、２を参照しながら、浮遊性微細藻類の培養システム１００の構成と浮遊性微細藻類の回収方法の具体的な手順について併せて説明する。

まずステップＳ２００では、培養槽１１０にて、光合成反応により炭素固定を行い所定の有機化合物を生成する浮遊性微細藻類を培養する。培養槽１１０としては、開放系（池方式等）のものであっても、閉鎖系（チューブ方式、パネル方式等）のものであってもよい。培養する浮遊性微細藻類としては、例えば、バイオ燃料として利用するための研究が進められているイカダモや、健康食品として利用されているクロレラが挙げられる。

培養槽１１０には、光源１１８からの光が照射されるようにするとともに、適宜、培養する浮遊性微細藻類に適した培地を培地供給手段１１４から供給する。ｐＨに関しても、その浮遊性微細藻類に適したものになるように設定する。培養槽１１０の培養液（培地＋浮遊性微細藻類）には、浮遊性微細藻類が炭素固定に用いる炭素源としての二酸化炭素が充分溶解するように、二酸化炭素供給手段１４２から二酸化炭素を供給する。

ステップＳ２０２では、浮遊性微細藻類の培養が完了したかどうかを確認する。浮遊性微細藻類の培養が不十分である場合（ステップＳ２０２Ｎｏ）、その培養を継続する。浮遊性微細藻類の培養が充分な場合（ステップＳ２０２Ｙｅｓ）、培養槽１１２にて培養した粘性物質分泌性微細藻類を混入手段１２２によって培養槽１１０に混入する（ステップＳ２０４）。ここでは、混入手段１２２は、培養槽１１０と培養槽１１２とをつなぐ経路１２２ａ、弁１２８、ポンプ１３２からなり、システム制御部１４０が弁１２８を開いてポンプ１３２を駆動することで、経路１２２ａを通じて粘性物質分泌性微細藻類が培養槽１１０に混入される。

以下、粘性物質分泌性微細藻類の培養について説明する。粘性物質分泌性微細藻類は、浮遊性微細藻類と同じ微細藻類であるため、基本的に同様の設備で培養することができる。その粘性物質分泌性微細藻類に適した培地を培地供給手段１１６から培養槽１１２に供給し、光源１２０から培養槽１１２に光を照射し、二酸化炭素を二酸化炭素供給手段１４４から培養槽１１２に供給するようにすればよい。

ただし、粘性物質分泌性微細藻類はその細胞濃度が上昇すると、自らが分泌する粘性物質によりゲル状に凝集して沈殿する。粘性物質分泌性微細藻類としては、例えばクラミドモナスが挙げられる。クラミドモナスの場合、この粘性物質は多糖類であり、その細胞濃度が上昇すると分泌多糖類の働きによりゲル状に凝集して沈殿する。すなわち、分泌多糖類がゲル化剤として作用するのである。

本実施形態では、培養時のゲル化を防ぐために、システム制御部１４０によって培養槽１１２の内部の粘性物質分泌性微細藻類の細胞濃度を制御する。システム制御部１４０は、いわゆるコンピュータシステムであって、中央処理装置や各種メモリ等を組み合わせて構成することができる。

粘性物質分泌性微細藻類の細胞濃度を制御する手法は、予め、システム制御部１４０に培養槽１１２の培養液の光透過率と、粘性物質分泌性微細藻類の細胞濃度との対応を記憶しておく。そして、粘性物質分泌性微細藻類の培養時に、適宜、光透過率測定手段１３８で光透過率を測定し、システム制御部１４０がその光透過率が示す細胞濃度に基づき、培地供給手段１１６や光源１２０に指令を出すように設定する。具体的には、粘性物質分泌性微細藻類の細胞濃度が高い場合には、培地供給手段１１６からの培地の供給量を増やして細胞濃度を低下させたり、光源１２０からの光の照射を停止して細胞の増殖を抑制したりして、細胞濃度をコントロールする。これにより、粘性物質分泌性微細藻類がゲル化しないように、その細胞濃度を所定値未満に維持しつつ培養を行う。

例えば、クラミドモナスの場合、その細胞濃度が１ｇ/Ｌ以上となるとゲル化するおそれがある。また、その細胞濃度が０．１〜０．８ｇ/Ｌ程度の範囲で最も良く増殖する。したがって、その細胞濃度を１ｇ/Ｌ未満（所定値未満）に維持しつつ、好適にはその細胞濃度を０．１〜０．８ｇ/Ｌ程度の範囲にコントロールして培養を行う。

細胞濃度を所定値未満に維持しつつ培養していた粘性物質分泌性微細藻類を培養槽１１０に混入させたら、ステップＳ２０６にてその増殖を促す。浮遊性微細藻類は細胞表面の電荷の静電反発力等を原因として分散しているが、粘性物質分泌性微細藻類を混入することで、粘性物質分泌性微細藻類が分泌する粘性物質が凝集剤のように働くため、浮遊性微細藻類を凝集沈殿させて回収することができる。ここで、粘性物質分泌性微細藻類の細胞濃度が低いと充分な凝集沈殿効果が得られないため、混入後にも増殖を促す。増殖を促す手法としては、特に培養時の条件から変化させる必要はなく、光源１１８からの光の照射を継続したり、培養液への二酸化炭素の供給を継続したりすればよい。

上記のように、細胞濃度を所定値未満に維持しつつ培養していた粘性物質分泌性微細藻類を培養槽１１０に混入して増殖させることで、簡便に浮遊性微細藻類を凝集沈殿させることができ、高い回収率で浮遊性微細藻類を回収することができる。ゲル状に凝集沈殿した粘性物質分泌性微細藻類を混入した場合には、その粘性物質分泌性微細藻類のゲル体が解体されにくく、粘性物質分泌性微細藻類が分泌する粘性物質が浮遊性微細藻類全体に作用しないため、効果的な浮遊性微細藻類の回収は期待できない。

さらに、本実施形態ではステップＳ２０６の後に、ステップＳ２０８として培養層１１０に酸を加える。これにより、粘性物質の作用による浮遊性微細藻類の凝集沈殿を補助することができ、その凝集沈殿効果がさらに高められる。なお、酸を大量に加えると、培養した浮遊性微細藻類に損傷を与えたり、その廃液処理に手間がかかったりする。よって、ここで用いる酸は、あくまでも凝集沈殿効果を高めるために補助的に用いるものに過ぎず、必須の構成要素ではない。

上述した手順により、培養槽１１０の底部に浮遊性微細藻類および粘性物質分泌性微細藻類が凝集沈殿したら、ステップＳ２１０にて、実際にこれらを回収手段１２４によって回収する。ここでは、回収手段１２４は、回収槽１３６、培養槽１１０と回収槽１３６とをつなぐ経路１２４ａ、弁１３０、ポンプ１３４からなる。システム制御部１４０が弁１３０を開いてポンプ１３４を駆動することで、経路１２４ａを通じて培養槽１１０の底部に凝集沈殿した浮遊性微細藻類および粘性物質分泌性微細藻類が回収槽１３６に回収される。

以上、本実施形態によれば、粘性物質分泌性微細藻類が分泌する粘性物質の働きにより、細胞表面の電荷の静電反発力等を原因として分散する浮遊性微細藻類を凝集沈殿させて回収することができる。微細藻類同士を凝集沈殿させて回収する手法であり、異物としてその影響が残る凝集剤を添加する訳ではないため、安全性や環境性が担保される。

また、粘性物質分泌性微細藻類は浮遊性微細藻類と同様の設備（同様の培養槽、各種供給手段）で培養可能であり、設備コストを抑えることができる。さらに、粘性物質分泌性微細藻類をそのまま培養槽１１０に混入すればよいため、この粘性物質分泌性微細藻類から有機成分（粘性物質）を精製する精製コスト等もかからない。よって、コストを最小限にまで抑えることができる。

さらに、バイオ燃料等として利用するために培養した浮遊性微細藻類に限らず、培養した粘性物質分泌性微細藻類も有効に利用することができる。例えば、粘性物質分泌性微細藻類としてクラミドモナスを培養した場合、クラミドモナスが生成する澱粉からエタノールを製造することができる。

[実験]
本発明者は、浮遊性微細藻類への粘性物質分泌性微細藻類の混入による凝集沈殿効果を確認するために、以下の実験を行った。

浮遊性微細藻類を含む培養液で満たされた容器Ａ、容器Ｂ、容器Ｃ、容器Ｄを用意して、それぞれ異なる条件で粘性物質分泌性微細藻類を混入した。容器Ａでは、浮遊性微細藻類と粘性物質分泌性微細藻類との割合が１：０．０１となるように、粘性物質分泌性微細藻類を混入した。容器Ｂでは、浮遊性微細藻類と粘性物質分泌性微細藻類との割合が１：０．０２となるように、粘性物質分泌性微細藻類を混入した。容器Ｃでは、浮遊性微細藻類と粘性物質分泌性微細藻類との割合が１：０．０１となるように、粘性物質分泌性微細藻類を混入し、さらに酸を滴下した。容器Ｄでは、浮遊性微細藻類と粘性物質分泌性微細藻類との割合が１：０．０１となるように、粘性物質分泌性微細藻類を混入し、さらにアルカリを滴下した。浮遊性微細藻類としてはクロレラを用い、粘性物質分泌性微細藻類としてはクラミドモナスを用いた。

図３は、浮遊性微細藻類に粘性物質分泌性微細藻類を加える実験の開始時の状態を示す図である。図４は、図３から３０分経過後の状態を示す図である。図５は、図３から３６０分経過後の状態を示す図である。図３に示すように、実験開始時においては、容器Ａ、容器Ｂ、容器Ｃ、容器Ｄに差は見られない。図４に示すように、実験開始から３０分経過後についてもほぼ同様である。

しかしながら、図５に示すように、実験開始から３６０分経過後には、容器Ａ、容器Ｂ、容器Ｃ、容器Ｄの全てにおいて、底部に浮遊性微細藻類および粘性物質分泌性微細藻類が凝集沈殿していることが確認される。特に、酸を滴下した容器Ｃについては、その効果が顕著であり、高い回収率が期待できることが分かる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。具体的には、浮遊性微細藻類に粘性物質分泌性微細藻類を混入して凝集沈殿を促すものは、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は所定の有機化合物を生成する浮遊性微細藻類の回収方法、および浮遊性微細藻類の培養システムとして利用することができる。

１００…浮遊性微細藻類の培養システム、１１０、１１２…培養槽、１１４、１１６…培地供給手段、１１８、１２０…光源、１２２…混入手段、１２２ａ…経路、１２４…回収手段、１２４ａ…経路、１２６…酸供給手段、１２８、１３０…弁、１３２、１３４…ポンプ、１３６…回収槽、１３８…光透過率測定手段、１４０…システム制御部、１４２、１４４…二酸化炭素供給手段

Claims (4)

1. 所定の有機化合物を生成する浮遊性微細藻類を培養槽にて培養するステップと、
   粘性物質を分泌する性質を持つ粘性物質分泌性微細藻類を前記培養槽に加え、前記浮遊性微細藻類を凝集沈殿させて回収するステップと、
   を含むことを特徴とする浮遊性微細藻類の回収方法。
2. 前記浮遊性微細藻類を凝集沈殿させて回収するステップでは、細胞濃度を所定値未満に維持しつつ培養していた前記粘性物質分泌性微細藻類を前記培養槽に加え、該培養槽の内部にてその増殖を促すことを特徴とする請求項１に記載の浮遊性微細藻類の回収方法。
3. 前記浮遊性微細藻類を凝集沈殿させて回収するステップにて、前記培養槽にさらに酸を加えることを特徴とする請求項１または２に記載の浮遊性微細藻類の回収方法。
4. 所定の有機化合物を生成する浮遊性微細藻類を培養する第１の培養槽と、
   粘性物質を分泌する性質を持つ粘性物質分泌性微細藻類を培養する第２の培養槽と、
   前記粘性物質分泌性微細藻類を前記第１の培養槽に混入する混入手段と、
   前記粘性物質分泌性微細藻類の混入により凝集沈殿した前記浮遊性微細藻類を回収する回収手段と、
   を備えることを特徴とする浮遊性微細藻類の培養システム。