JP2013540448A - エネルギー資源化及び二酸化炭素の鉱物固定のためのシアノバクテリアを用いた方解石及びバイオマスの統合的産生方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、カルシウムを含む炭酸塩系の炭酸水素イオンに基づくシアノバクテリアを用いた光合成反応が実施されることを含み、バイオマス及び方解石（ＣａＣＯ_３）が産生されることを可能にする、ＣＯ_２の生物学的捕捉方法に関する。本発明はエネルギー資源化及びＣＯ_２の鉱物固定を可能にする。

Description

発明の分野
本発明は二酸化炭素（ＣＯ_２）固定（sequestration）の分野、特にシアノバクテリア型（cyanobacteria type）の細菌を用いたＣＯ_２の生物学的捕捉に関する。

本発明はまた、エネルギー資源化（ｖａｌｏｒｉｚａｔｉｏｎ）、特にバイオマスの資源化の分野にも関する。

発明の背景
地球レベルにおいて、植物プランクトンは一次生産(ｐｒｉｍａｒｙ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ)の原点である。それらは海洋レベルにおいて、炭酸水素塩種に基づく（on the hydrogen carbonate species）光合成の作用を介したＣＯ_２の消費に寄与する。

シアノバクテリアは、原核生物（細胞構造が核を含まない単細胞生物）であり、これらの植物プランクトンの生物学的要素の１つを構成する。これらのシアノバクテリアは、海洋媒体(marine medium)中で、溶解したＣＯ_２ではなく炭酸水素イオンＨＣＯ_３ ⁻を無機炭素種（mineral carbon species）として使用する。実際、海水中では、溶解したＣＯ_２濃度は炭酸水素イオンと比較して低い。海洋媒体の他の無機炭素種である炭酸塩は、植物プランクトン微生物によって光合成を介して炭素源として用いられない。

シアノバクテリア型の単細胞原核生物、並びにある種の真核生物は、カルシウムが媒体中に存在し培養(ｃｕｌｔｕｒｅ)条件が適切であるならば、炭酸水素イオンに基づく光合成によってバイオマスだけでなく炭酸カルシウム（方解石（calcite）とも呼ばれる）も産生することができる。

その上、炭素、酸素、窒素、水素、及び硫黄（ＣＯＮＨＳ）の元素から成るバイオマスは、エネルギー資源化の潜在可能性のある供給源を代表する。

バイオマス、特に藻類バイオマスの資源化は、バイオ燃料として使用されるとりわけ脂肪酸メチルエステルの産生に対して、さらに例えば石油蒸留物「ディーゼル燃料」において、脂質（lipids）を用いて実現することができる。この脂質の資源化は、脂質含量が高いことから選択される微細藻類（microalgae）の利用を必要とする。シアノバクテリアは相当量の脂質を産生しないと思われており、したがってそれらはバイオ燃料の産生に関してほとんど興味を引かない。一方で、これらの菌株（strains）の一部は大気中窒素（Ｎ_２）を窒素源としてバイオマス合成に使用することが知られている。

最終的に、シアノバクテリアは水素産生のための資源化可能なバイオマスの産生を可能にし得る。シアノバクテリアは実際に、水素産生のために２つの光合成段階から電子束の方向を変える（redirect the electron flux）ことを可能にするそれらの特性について、文献に述べられている。いくつかの経路が特定されており、それらのうちの１つは例えばその菌株のデヒドロゲナーゼを用いるが、多くの問題が解決されないままである。

最終的に、嫌気性消化によるバイオマスの資源化は興味深い選択肢である。藻類バイオマスの嫌気性分解は一般に重点的に研究されている。これは、バイオマス全体について及びバイオマスからの脂質の発生スキーム（development scheme）における残りの部分（residual fraction）についての両方で試験されてきた、有望な経路と考えられる。脂質が、バイオ燃料産生のために選択された微生物の藻類バイオマスの組成（composition of the algae biomass）の４０％を超えない場合、バイオマスのすべてを直接嫌気性消化させる方が、脂質の抽出段階（バイオ燃料用）の後に残りのバイオマスの嫌気性消化の段階が続くよりも、エネルギーに関してより好ましいと思われる。

さらに、藻類バイオマスの嫌気性消化によってこの資源化を行うことは、多くの問題を引き起こす。主な障壁となるものが特定されている。藻類バイオマスの生分解性は、これらの微細藻類の細胞壁−膜ネットワークの組成に依存する。その上、高い窒素含量は消化装置（digester）中への高濃度のアンモニアの放出を引き起こし、これは最終的に反応を阻害する。最終的に、海洋媒体にて産生されるバイオマスの場合（海洋性の菌株を使用する）に、ナトリウムの存在も嫌気性消化プロセスの能力に影響を与えることがある。

シアノバクテリアは、それら脂質含量が低いため、バイオ燃料の産生に関して興味を引かないが、それらは炭酸塩系（carbonate system）における水性媒体中での培養(ｇｒｏｗｔｈ)によるバイオマスの産生、及びそれに続くこの炭酸水素塩により培養されたバイオマスの嫌気性消化において使用することができる。試験研究は、反応の最後に炭酸水素イオンが完全に消費されると溶解（lysis）プロセスが急速に起こることを示し、このことはシアノバクテリアバイオマスを微細藻類由来のバイオマスよりも好ましい消化性の状態に位置づける。

さらに、このバイオマスの別の利点は、その窒素含量を考慮して、肥料として直接使用できることである。

本発明による方法はシアノバクテリアの培養を用い、この方法が、藻類バイオマスにおけるタンパク質、脂質、及び糖類の間の分配の管理につながるバイオマス産生プロセスの実施に対する補正（corrections）、並びに細胞壁及び膜中に存在するこれらの構造の「消化率」又は「生分解性」を改善することを意図した酵素的及び物理的な前処理を実現するならば、この方法はバイオマス資源化に関連する上記の問題のすべてを解決することを可能にする。したがって、驚くことに、最適条件下でカルシウム存在下の炭酸塩系においてシアノバクテリアを培養することは、炭酸水素イオンの消費を介して２つの生成物をもたらすことを可能にすると思われ、１つは容易に資源化可能なシアノバクテリアバイオマスの形態であり、２つめはカーボントラップ(ｃａｒｂｏｎ ｔｒａｐ)を構成する方解石（炭酸カルシウムＣａＣＯ_３）の形態である。これらの２つの生成物、バイオマス及び炭酸カルシウムの資源化は、様々な方法で行うことができる。

発明の目的
本発明は、シアノバクテリアを用いたバイオマス及び方解石の産生によるＣＯ_２の生物学的捕捉方法に関し、ここでシアノバクテリアの培養は、カルシウム存在下で、制御されたＣＯ_２注入によってｐＨが調節される炭酸塩系（炭酸イオンＣＯ_３ ^２−及び炭酸水素イオンＨＣＯ_３ ⁻を含む）において行われる。

本発明は、この方法で得られるバイオマスを肥料として又はエネルギー目的で使用することにも関する。

発明の概要
本発明は、シアノバクテリアを用いた統合された（integrated）ＣＯ_２の生物学的捕捉方法に関し、以下の段階を含む：
ａ）炭酸イオン及び炭酸水素イオンを含む水性媒体中でカルシウム存在下でシアノバクテリアを培養する（growing）段階と；
ｂ）炭素、酸素、窒素、水素、及び硫黄の元素からなるシアノバクテリアバイオマスを産生させるように、及び炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）の沈殿を生じさせるように、炭酸水素イオンに基づくシアノバクテリアによる光合成を実現させる（achieving）段階と；
ｃ）光合成反応中にｐＨを調節するためにＣＯ_２を注入することによって無機炭素を供給する段階。

ＣＯ_２は大気中のものであって（atmospheric）もよく、シアノバクテリアは少なくとも１つの開放型反応器（open reactor）中で培養することができる。

注入されるＣＯ_２の少なくとも一部は工場排ガス／排出物（industrial fumes/discharges）に由来してもよい。

段階ａ）、ｂ）、及びｃ）は、媒体中のカルシウムを消費し尽くすまで繰り返すことができる。

前記ｐＨは９〜１０の範囲の値に調節できる。

培養媒体は、カルシウム及び炭酸塩系を含有する合成水性媒体、又は海洋媒体であってもよい。

窒素は硝酸イオンの形態で媒体へ供給されてもよい。

硝酸イオンは硝酸カルシウムであってもよい。

シアノバクテリアは、連続的若しくは半連続的条件下で、又はバッチ式で培養してもよい。

シアノバクテリアバイオマスの嫌気性消化の段階を、バイオマスをメタンへ転化させるために、行うことができる。

嫌気性消化の段階は、暗期（nocturnal phase）の間にバイオマスを嫌気性消化装置中へ注入することによって行うことができる。

バイオマスの嫌気性消化の段階は、産生段階の直後に行うことができる。

バイオマスは、熱的資源化（thermal valorization）の目的のために、媒体の水から分離できる。

バイオマスは、直接燃焼及び熱回収によって、又は油を生成させるための熱分解によって資源化できる。

得られるバイオマスはエネルギー源として使用できる。

得られるバイオマスは肥料として使用できる。

この方法は方解石（ＣａＣＯ_３）の産生及びＣＯ_２の鉱物固定（mineral sequestration）において使用できる。

図面の簡単な説明
図１〜８は非限定的な例によって本発明の様々な態様を説明する。

図１は、バッチ式、カルシウム非存在下、及び培養中の無機炭素の供給がない場合において、シアノバクテリアによって炭酸水素塩が吸収される（assimilation）間の、バイオマス濃度及び以下の種：カルシウム、ＣＯ_３ ^２−、ＨＣＯ_３ ⁻の変化、並びにｐＨ値の変化を示す。 図２ａ及び２ｂは、バッチ式、カルシウムの存在下（図２ａ：炭酸水素塩はカルシウムと比較して大過剰に存在する；図２ｂ：カルシウムは炭酸水素塩と比較して大過剰に存在する）において、シアノバクテリアによって炭酸水素塩が吸収される間の、バイオマス濃度及び以下の種：カルシウム、ＣＯ_３ ^２−、ＨＣＯ_３ ⁻の変化、並びにｐＨ値の変化を示す。この場合も、無機炭素を供給せずに培養を行う。 図３は、海水の組成を代表する初期のカルシウム、ＣＯ_３ ^２−、ＨＣＯ_３ ⁻の組成における炭酸水素塩の吸収を示す。 図４は、海水媒体中の炭酸塩／炭酸水素塩のペアが担うやりとりの役割（shuttle role）を強調して表す。 図５は、バイオマス中で合成される炭素の関数としての炭酸塩及び炭酸水素塩濃度の変化を示す（炭酸水素塩及び炭酸塩濃度の実験値と理論値との比較）。 図６は、バイオマス中で合成される炭素の関数としてのＣＯ_２消費量の変化を示す（注入されるＣＯ_２の実験値と理論値との比較）。 図７は、試験Ａ及びＢのデータを示す。 図８は、エネルギー資源化の方法（energy valorization method）に組み込まれたバイオマス及び方解石産生装置を説明する。

詳細な説明
本発明による方法は、シアノバクテリアを用いた統合的なＣＯ_２の生物学的捕捉方法であり、以下の段階を含む：
− 開いた又は閉じた水性媒体中（open or closes aqueous medium）で、炭酸塩系（炭酸水素イオン及び炭酸イオンを含む）において、カルシウム存在下、シアノバクテリアを培養する段階、
− 炭酸水素イオンに基づく光合成によって、炭素、酸素、窒素、水素、及び硫黄の元素からなるシアノバクテリアバイオマスを産生させる段階、
− 付随する炭酸カルシウム（又は方解石又はＣａＣＯ_３）の沈殿の段階、
− バイオマス産生及び沈殿現象に応じた制御されたＣＯ_２注入による培養物のｐＨ調節の段階。

本発明による方法に関与する現象を理解することを可能にするために、炭酸水素イオン及び場合により炭酸イオンを含む水性系における様々な条件下でのシアノバクテリアの培養の実施、並びに様々な種の流れ（fluxes）を下記の段落に記載する（図１〜８に関連して）。

バッチ式培養におけるシアノバクテリアによる炭酸水素塩の吸収及び炭酸カルシウム産生
カルシウムが存在しない場合：
図１は、バッチ式培養、すなわち閉じた媒体において、すなわち追加の無機炭素を供給することなく、そしてカルシウムが存在しない場合において、シアノバクテリア培養物によって炭酸水素塩が吸収される間の主なパラメーター（ｐＨ、バイオマス、カルシウム、ＣＯ_３ ^２−、及びＨＣＯ_３ ⁻濃度）の変化を示す。炭酸水素塩の吸収がバイオマス及び炭酸塩の産生と共に観察される。ｐＨプロファイルは、炭酸塩系の変化（炭酸水素塩濃度の低下及び炭酸塩濃度の増加）による媒体のアルカリ化を示す。ｐＨプロファイルは昼と夜の時期の交代（alternations）にもスポットを当てており、昼の時期の間は光合成活動が行われ、夜の時期の間は呼吸活動が行われる。

収支は、消費された二つの炭酸水素イオンに関して、炭酸水素塩に由来する一つの炭素はバイオマス中に分布し、炭酸水素塩に由来するもう一つの炭素は炭酸塩へ転化することを示している。

カルシウムが存在する場合：
図２ａ及び２ｂは、炭酸水素塩の吸収がカルシウムの存在下で行われる場合のこれらのパラメーターの変化を示す。

第１の事例（図２ａ）において、試験の最初の炭酸水素塩濃度はカルシウム濃度と比較して大過剰である。カルシウム存在下でのこのバッチ試験（２ａ）の最初では、炭酸塩濃度はｐＨプロファイルの速い変化が生じる（ｐＨ低下）濃度まで増加する（炭酸水素塩の消費）。このｐＨ低下は炭酸塩及びカルシウム濃度の両方の減少を伴い（それぞれの濃度減少の大きさは１／１の比である）、これは炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）の沈殿を示す。炭酸水素塩の消費速度はこの炭酸カルシウムの沈殿現象によってほとんど変わらない。

この試験（２ａ）において、全炭酸水素塩の消費の最後における最終的な収支を考慮すると、存在するカルシウムのすべてはＣａＣＯ_３の形態で固定化される。炭酸水素塩は残り、これはその後、図１に関連して先の段落で示したカルシウムが存在しない場合の培養の例のように、バイオマス中及び炭酸塩中（もはやＣａＣＯ_３中ではない）に完全に吸収される。

第２の試験（図２ｂ）において、カルシウムは初期には炭酸水素塩と比較して大過剰である。炭酸水素イオン吸収反応の過程で、ｐＨプロファイルの速い変化が観察される（ｐＨ低下）。このｐＨ低下は炭酸塩及びカルシウム濃度の減少を伴い（それぞれの濃度減少の大きさは１／１の比である）、これは炭酸カルシウムの沈殿を示す。炭酸水素塩の消費速度はこの炭酸カルシウムの沈殿現象によってほとんど変わらない。試験の最後に、炭酸水素塩は完全に消費され、残留カルシウム濃度が観測される。

これらの２つの試験（図２ａ〜２ｂ及び図３）、及びカルシウムが存在しない場合の試験（図１）は、バイオマス産生が炭酸カルシウム産生とは完全に独立していることを示す。一方で、炭酸カルシウム産生は、カルシウムが存在し光合成活動と関連した炭酸塩の産生が存在する場合にのみ実現され得る。したがって炭酸カルシウムの産生は、必要な炭酸イオンを生成するための炭酸水素イオンに基づく光合成活動を必要とする。

例えば過剰な炭酸水素塩の条件下では、全炭酸水素塩の消費の最後における炭素とカルシウムの収支は、カルシウムが完全に炭酸カルシウムに組み入れられていることを示す。炭酸水素塩のすべてが光合成により吸収されることによって産生される炭酸塩は、炭酸水素塩に由来する炭素の半分に相当し、これは炭酸イオンと炭酸カルシウムの間で分配される。残留炭酸塩はそのままである。

過剰なカルシウムの条件下では、全炭酸水素塩の消費の最後における炭素とカルシウムの収支は、カルシウムが部分的に炭酸カルシウムに組み入れられるが、イオン形態（炭酸カルシウムに組み入れられていないフリーの形態）でも存在することを示す。炭酸水素塩のすべてが光合成により吸収されることによって産生される炭酸塩は、炭酸水素塩に由来する炭素の半分に相当し、完全にＣ_{炭酸カルシウム}とＣ_炭酸塩との和の中に見いだされる。したがって残留カルシウムはそのままである。

最適条件下では、閾値を上回る最小濃度が炭酸水素塩及びカルシウムの両方について実現される場合、また加えて１／２（カルシウム／炭酸水素塩）に相当する化学量論的条件下で、カルシウムイオンが炭酸イオンと化学量論的に結びつくことによって最適な方解石の沈殿が得られ、炭酸水素塩は全量が消費され、残留炭酸塩はゼロであり、残留カルシウムはゼロである。例として、１０ｍＭのカルシウム濃度に対しては、１．１ｍＭの最小炭酸塩濃度が沈殿を生じさせるのに必要とされる。

大量に利用可能な炭酸水素塩源は海水である。海水中では、溶解したＣＯ_２と比較して炭酸水素イオンが優位である。海水の炭酸塩系において存在する３つの無機炭素種のそれぞれの濃度は以下の通りである：８．１のｐＨ値において、ＨＣＯ_３ ⁻＝１８１８μｍｏｌｅｓ．ｋｇ^−１（水１ｋｇあたり）；ＣＯ_３ ^２−＝２７２μｍｏｌｅｓ．ｋｇ^−１（水１ｋｇあたり）；溶解したＣＯ_２：１０．４μｍｏｌｅｓ．ｋｇ^−１（水１ｋｇあたり）。一般に、海水中のカルシウム濃度は１０．３ｍＭであり、したがってこれは２つの炭酸塩種である炭酸水素イオン（およそその５．６倍）及び炭酸イオン（およそその３８倍）の濃度よりもはるかに高い。

海水の現在の組成は、自発的な化学沈殿によって炭酸カルシウムを産生することができない。さらに、海水のこの化学組成は、シアノバクテリア培養物の存在下のバッチ条件下で追加の無機炭素を供給せずに炭酸カルシウムを産生することができない。しかしこのバッチ式の操作状態は炭酸イオンの増加を可能にし、炭酸水素塩（１８１８μＭ）から炭酸塩への転化を考えると、１０．３ｍＭのカルシウム濃度と比較して、これは２７２＋１８１８／２＝１１８１μＭの理論的な最終炭酸塩濃度となる。１８０μＭの炭酸塩、２２６１μＭの炭酸水素塩、及び１０．３ｍＭのカルシウムを有する、海水の組成に非常に近いカルシウム、炭酸塩、及び炭酸水素塩の濃度条件下で行われる試験（図３）は、１１３０μＭ＋１８０μＭ＝１３００μＭの炭酸水素塩の光合成による使用によって、理論的な炭酸塩濃度に近い最終濃度を得ることを可能にする。そのような条件下では、バッチ式培養において炭酸カルシウムの沈殿は観察されない。一方で、ｐＨプロファイルはｐＨ低下を示さず、また一方で、得られる炭酸塩濃度は炭酸塩がＣａＣＯ_３産生に部分的にさえも関与していなかったことを示す。そのうえ、媒体のカルシウム含量は一定のままである。

結論として、バッチ式シアノバクテリア培養物（有限の体積）を用いて、追加の無機炭素を供給せずに、単にすべての炭酸水素塩の吸収及びそれに伴う炭酸塩（初期濃度も含む）の産生によって、海水から、又は海水条件下の培養媒体（ＨＣＯ_３ ⁻＝１８１８μｍｏｌｅｓ．ｋｇ^−１（水１ｋｇあたり）；ＣＯ_３ ^２−＝２７２μｍｏｌｅｓ．ｋｇ^−１（水１ｋｇあたり））から炭酸カルシウムの沈殿を得ることは不可能である。

ｐＨ調節及びＣＯ_２注入を行う炭酸塩系におけるシアノバクテリアの培養。カルシウムを含まない媒体における培養条件
炭酸塩系を伴うシアノバクテリアの培養は、炭酸水素塩に基づく、追加の無機炭素を供給しないバッチ式のシアノバクテリア培養（結果は図１〜３に示される）と同様に行われる。そのような条件下では、炭酸塩系を含む媒体中での培養は、炭酸水素塩／炭酸塩比の変化によって生じる炭酸塩系の不均衡（imbalance）（アルカリ化）をもたらす。ｐＨ調節を行わないバッチ式の炭酸水素塩の吸収と比較した、シアノバクテリア培養の実施における変更点は、この比をその初期値に維持すること、すなわちＣＯ_２注入によってｐＨ値を一定に維持することにある。

ｐＨ値は、炭酸塩及び炭酸水素塩の２つの種の濃度間の比を示す。

カルシウムが存在しない場合のこの方法は、媒体の所与の組成における、ｐＨの関数としての最大培養速度の計算を可能にする。これは、バイオマス炭素を得るために炭酸塩系に注入されるＣＯ_２の転化バランスを特定すること、菌株の窒素の必要条件（nitrogen requirements）を特定すること、窒素供給におけるイオン形態を特定すること、及び最終的に培養媒体中の２つの種の濃度変化を存在するバイオマスの濃度の関数として特定することを可能にする。

そのような条件下では、この制御方式によるバイオマスの全体的な培養の収支はおよそ以下のように表される：

図４の図解は、シアノバクテリア培養媒体の水相中でのＣＯ_２ガスの捕捉、その微生物への輸送促進（可溶性無機炭素＝炭酸水素塩の形態）、及びシアノバクテリア（１Ｃ_{バイオマス}及び１Ｃ_炭酸塩を生じる）による炭酸水素塩の吸収を介した再度ＣＯ_２ガスを捕捉するのに必要な炭酸塩再生における、炭酸塩／炭酸水素塩ペアによって用いられるやりとりの役割の説明を可能にする。この実験手法において、炭酸水素塩及び炭酸塩の２つの種は絶えず再生され、注入されるＣＯ_２ガスのみが消費される無機炭素の供給源であり、これが単独でＣ_{バイオマス}の産生に寄与する。

そのような条件下では、反応器中の細胞濃度の増加に伴って変化する瞬間的な生物学的需要（培養のための無機炭素の需要）は、ｐＨ調節に依存したＣＯ_２の注入によって満たされる。

最適な培養ｐＨ値はバイオマス生産性の最適化のために決定された。これらの最適ｐＨ値は最小のシアノバクテリアバイオマスの倍増期間（doubling time）に対応する。これらのｐＨ値は９〜１０の範囲である。

さらに、高い（最適）ｐＨ値は炭酸水素塩濃度よりも高い炭酸塩濃度（炭酸塩／炭酸水素塩比＞１を参照）に相当し、これは炭酸塩系に供給されるＣＯ_２の捕捉効率の向上に寄与する。

特にバイオマスにおいて最も重要な元素を２つだけ挙げると、バイオマス産生は窒素及びリンなどの他の元素に対する需要と関係がある。炭素の次に定量的に最も重要な元素は窒素である。硝酸塩の形態（ＮＯ_３ ⁻）での窒素の供給は、バイオマス中の窒素の吸収及び媒体中のヒドロキシル産生に寄与する。ＣＯ_２の供給に伴う窒素ガスは、この方法で必要とされる培養速度を実現するのに十分な速度でシアノバクテリアにより使用されない。

ｐＨ補正試薬が培養媒体に注入されるＣＯ_２である、調節された炭酸塩系でのこのシアノバクテリア培養方式において、硝酸塩の形態で窒素がバイオマス中に取り込まれると、取り込まれた窒素の１モルあたり１ＯＨ⁻の排出、ひいてはバイオマス中に取り込まれたＣの１モル当たりｙＯＨ⁻の排出を引き起こし、ｙはＮ／Ｃ比を表す（シアノバクテリアバイオマスの元素組成を参照）。このバイオマスＣの１モル当たりｙＯＨ⁻の供給は、炭酸塩系の収支に影響を与え、ｐＨを設定値で維持するように追加のＣＯ_２を注入する必要を生じさせることになる。この追加のＣＯ_２の注入は２つの種（炭酸水素塩及び炭酸塩）のそれぞれの濃度の増加に寄与し、一方これらの２つの種の間の比を維持し、比はｐＨを調節する設定値によって制御される。

初期の炭酸塩及び炭酸水素塩濃度から（この初期状態は炭酸塩及び炭酸水素塩の２つの種の濃度比によってだけではなく、これらの２つの種それぞれの濃度値によっても特定される）、これら２つのイオン種（炭酸水素塩及び炭酸塩）のそれぞれの濃度の変化を、バイオマス中に取り込まれたＣ（注入されたＣＯ_２に由来）の関数として以下の式に基づき計算することが可能である：
［炭酸水素塩］＝Ｃ１（濃度で）と表し、
［炭酸塩］＝Ｃ２（濃度で）と表し、
Ｔ_０において、［炭酸水素塩］_Ｔ０／［炭酸塩］_Ｔ０＝Ｃ１_Ｔ０／Ｃ２_Ｔ０と表し、
Ｔにおいて、［炭酸水素塩］_Ｔ／［炭酸塩］_Ｔ＝Ｃ１_Ｔ／Ｃ２_Ｔと表す。

［１バイオマス炭素］の増加（バッチ式反応器中の濃度で表される）に対して：
Ｃ１_Ｔ１＝Ｃ１_Ｔ０−ｙ＋２ｚ
Ｃ２_Ｔ１＝Ｃ２_Ｔ０＋ｙ−ｚ
であり、
ｚ＝［Ｃ１_Ｔ０（１＋ｙ）＋Ｃ２_Ｔ０（２＋ｙ）］／（２Ｃ２_Ｔ０＋Ｃ１_Ｔ０）が得られ、
ここでｙ＝Ｎ／Ｃであり、これは窒素源を限定しない予め定めた培養条件下のシアノバクテリア菌株における定数を表し；
ｚは培養媒体中の［１モル］のバイオマス炭素の濃度増加における、注入されたＣＯ_２（これは培養媒体の単位体積あたりの注入されるＣＯ_２の濃度としてあらわされる）のさらなる増加を表す。このさらなるＣＯ_２濃度は反応器の体積（リットル）を掛けることによって量で表すことができる。

計算値を実験値との比較によってチェックした。

図５は合成されたバイオマスＣの関数としての、炭酸水素塩及び炭酸塩濃度についての実験値及び計算値を示す。

図６は合成されたバイオマスＣの関数としての、注入されたＣＯ_２の実験値及び計算値を示す。

例えば、反応器中の１から１０１μＭへのバイオマス濃度の増加に対して、注入されるＣＯ_２の量は１１３．７μｍｏｌｅｓ／ｌ（培養媒体）となる。これらの１３．７μｍｏｌｅｓ／ｌ（培養媒体）は、窒素が硝酸塩形態（ＮＯ_３ ⁻）で供給されるならば、バイオマス中へ窒素が取り込まれた後の炭酸塩系（炭酸水素塩と炭酸塩の間に分配される）に注入されるＣＯ_２（１１３．７−１００）に相当する。

窒素源がアンモニウム形態で供給される場合、Ｈ^＋（バイオマス中に取り込まれる１モルのＮについて１Ｈ^＋）による酸性化によってｐＨ変化に関して反対のことが観察される。この系はこの方法によるバイオマス産生において長期的に操作することができない。前記２つの種のそれぞれの濃度はその後急速に低下し、系はもはや機能しなくなる。この条件はこの方法の最適な実施において好ましなく、したがって窒素は好ましくは硝酸塩形態で供給される。その上、硝酸カルシウムの形態で窒素を供給し、それにより媒体中のカルシウム濃度を上昇させることは興味深いと思われる。

したがって、炭酸水素塩、炭酸塩、及びバイオマスの初期濃度から、及びバイオマス倍増速度（又は炭酸水素塩消費速度）を知ることにより、バイオマス濃度の増加並びにＣＯ_２及び硝酸塩の消費に関連する、炭酸塩及び炭酸水素塩の２つの種それぞれの濃度増加を予測することが可能である。

実際に、炭酸塩及び炭酸水素塩の２つの種それぞれの濃度増加を計算できることは重要である。

本発明による方法の実施：ＣＯ_２注入によりｐＨ調節される炭酸塩系でのシアノバクテリア培養。カルシウム存在下の水性媒体における培養条件
上記のように、炭酸塩及びカルシウム濃度が沈殿を生じさせるのに十分高いならば、炭酸カルシウムの沈殿はバッチ式でシアノバクテリアにより容易に得られる。

一方で、１８１８μＭの炭酸水素塩、２７２μＭの炭酸塩、及び１０３００μＭのカルシウムの組成を有する海水を用い、無機炭素（ＣＯ_２又はＨＣＯ_３ ⁻）を添加しない場合、炭酸カルシウムはバッチ式で沈殿させることができない。

最初の沈殿現象が起きるためには、カルシウム又は炭酸塩（炭酸水素塩に由来）の濃度は増加しなければならない。

この問題を解決するために、本発明による方法は、炭酸カルシウムを産生させるためにシアノバクテリアの培養方法の操作方式を変更することを狙いとしている。本発明による方法において、シアノバクテリアは、カルシウムの存在下で炭酸塩含有の水性媒体（海水又は淡水（fresh water））にて培養され、ＣＯ_２注入によってｐＨが制御される。この培養方法は、資源化可能なシアノバクテリアバイオマス及び炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）の沈殿の両方をカルシウム存在下での炭酸塩の反応により得るために、炭酸イオンを光合成により炭酸水素イオンから産生することを可能にする。

海洋媒体の場合、希釈することなく、したがって炭酸塩及びカルシウム濃度値を低下させることなく、ＮａＮＯ_３が添加された海水の形態で窒素を導入することも可能であり、この濃度値はこの制御手法による培養及び炭酸カルシウムの産生を実現するのに重要な値である。

さらに、カルシウム濃度の増加は硝酸カルシウム形態のカルシウムの供給によって見積もら（assess）なければならない。

シアノバクテリアバイオマスの培養はまず、炭酸水素塩に基づいて、ｐＨ調節せずに行われる。そのような条件下では、炭酸水素塩及び炭酸塩それぞれの濃度が変化する（炭酸水素塩の消費及び炭酸塩の産生による塩基性化）。例えば、ｐＨ値が９．５に調節され、前記２つの種の間の濃度比が約１／１である場合、前記調節の開始時にそれぞれの種についておよそ７８０μＭの濃度が得られる。バイオマスの産生（バイオマスＣ）はおよそ５１５μＭである。バイオマス及び炭酸カルシウム産生における無機炭素の消費は、その後ＣＯ_２注入によって生じる。そのような条件下では、これら２つの種それぞれの濃度（炭酸水素塩及び炭酸塩）は、調節及び倍増期間の始めにおける反応器中のバイオマス濃度の関数として漸進的に増加する。計算方法は「ｐＨ調節及びＣＯ_２注入を行う炭酸塩系でのシアノバクテリアの培養−カルシウムを含まない媒体中の培養条件」の段落に示される方法である。炭酸塩濃度が１１００μＭの値に達するとすぐに、初めの沈殿現象が起きる。

上記のように、バッチ式での炭酸水素塩の消費が海水から行われる場合、１１８１μＭの最終炭酸塩濃度の存在下でＣａＣＯ_３の沈殿を得ることができない。

一方で、同じ炭酸塩濃度において、ＣＯ_２注入による調節を行う炭酸塩系の手法（本発明による方法）でＣａＣＯ_３沈殿を得ることができる。実際に、ｐＨ調節が開始されると、存在するバイオマスの量（又は濃度）（およそ５１５μＭのバイオマスＣ）は、炭酸塩濃度が７８０μＭから１１００μＭに変化する時間内にさらに増加する。この１１００μＭの炭酸塩の値におけるバイオマス濃度の増加は、上記の式を用いて計算できる。

炭酸塩濃度は最初の沈殿現象後に３００μＭまで低下する；したがって炭酸イオンの一部が固定化されるためｐＨは調節設定値を下回る。そのような条件下では、ｐＨ値はもはや調節されない。その後、炭酸水素塩は、沈殿現象までに増加してきた媒体中に存在する炭酸水素塩の量に基づいてのみ消費され、その濃度は上記と同じ式を用いて計算できる。炭酸塩の濃度と再び等しくなる炭酸水素塩濃度において、すなわち、１バイオマスＣと１炭酸塩Ｃとの間で分配される、消費される炭酸水素塩に由来の炭素（carbon ex hydrogen carbonate consumed）の分配を考慮すると、およそ５３０μＭでｐＨ調節が再び開始される。ＣＯ_２注入による調節が再び作動されるとすぐに、無機炭素が消費される。そのような条件下では、これら２つの種それぞれの濃度は、反応器中のバイオマス濃度及びこのバイオマスの倍増期間の関数として、再び漸進的に増加することになる。計算方法は「ｐＨ調節及びＣＯ_２注入を行う炭酸塩系でのシアノバクテリアの培養−カルシウムを含まない媒体中の培養条件」の段落に示される方法である。炭酸塩濃度が１１００μＭの値に達するとすぐに、２回目の沈殿現象が起きる。

この方法はカルシウム濃度が許容する限り、すなわちカルシウムが使い尽くされるまで、何度も繰り返すことができる。

本発明による方法で得られるバイオマスの資源化
直接的資源化
得られるバイオマスは直接資源化されてもよい。その窒素含量のために、本発明による方法で得られるシアノバクテリアバイオマスは肥料として直接使用できる。

間接的資源化
上記で説明されるように、シアノバクテリアバイオマスは恐らく脂肪酸メチルエステルの形態での資源化に適していない。

糖貯蔵（sugar stocks）の存在は、バイオマスがその抽出後に資源化されること、及びアルコール発酵によって糖へ転化させることを可能にし得る。

このバイオマスの回収及び熱分解によるその熱処理は、フィッシャー・トロプシュ合成を用いてガス化のための一次生成物（primary product）を構成する油を得ることも可能にし得る。

これらの３つの方法は培養媒体の水からバイオマスを分離することを必要とする。こうして水から分離されたバイオマスは熱処理によるエネルギー資源化に使用することができる。

この熱資源化は、直接的燃焼及び熱回収によって、又は油を生成させるための熱分解によって行うことができる。この場合に生成される油は、例えば化学合成における一次生成物として使用されるか、又は熱エネルギー源として若しくは燃焼機関において、又はガス化のための一次生成物として資源化されてもよい。

バイオマスメタン生成
培養媒体の水からのバイオマスの分離はエネルギーを消費し、そのため費用がかかる。したがってバイオマスは好ましくは生物学的嫌気性消化プロセスを用いて処理される。したがってバイオマスのエネルギー資源化はメタン生成によって行うことができる。メタン生成は嫌気性消化装置型の任意の適切な反応器において行うことができる。この好ましい実施形態において、培養媒体が進行中の呼吸プロセスによって嫌気性となっている場合、嫌気性消化は暗期の間にバイオマスを嫌気性消化装置へ注入することによって行われる。

（嫌気性消化の前及び／又は後に）水から分離されたバイオマスは、熱処理によってエネルギー資源化に使用できる。

既知のバイオマスの元素組成（Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｈ、Ｓに関して）に対して、ＣＯ_２及びメタンの産生を予測することが可能である。これらの計算は、微生物の細胞壁／膜組成及びタンパク質含量に部分的に依存する消化効率を考慮に入れていない（実際には高いアンモニウム含量に起因するメタン生成の阻害が考えられる）。ＣＨ_４及びＣＯ_２の産生は、以下の式によって見積もることができる（いずれも維持エネルギー及び同化作用のための必要条件を考慮に入れていない）：
Ｃ_ａＨ_ｂＯ_ｃＮ_ｄ＋（４ａ−ｂ−２ｃ＋３ｄ）／４Ｈ_２Ｏ→４（ａ＋ｂ−２ｃ−３ｄ）／８ＣＨ_４＋４（ａ−ｂ＋２ｃ＋３ｄ）ＣＯ_２＋ｄＮＨ_３
９．５に調節されたｐＨでＣＯ_２注入を行い窒素を制限しない（without nitrogen limitation）培養媒体で得られるシアノバクテリアバイオマスの組成は以下の通りである（バイオマスの元素組成は１００を基準とする）：
ＣＯＮＨＳ＝
Ｃ ４５．９
Ｈ ６．８
Ｎ ８．９
Ｏ ３１．２
Ｓ ０．６
合計 ９３．４

例：
シアノバクテリアは、バッチ式（閉じた媒体、連続培養）で、初期の組成が１８１８μＭの炭酸水素塩、２７２μＭの炭酸塩、及び１０３００μＭのカルシウムである海水の海洋媒体においてｐＨ調節及びＣＯ_２注入を行う炭酸塩系により培養される。ｐＨ値はおよそ９．５〜１０に調節される。

２６０μＭ／時間の一定の炭酸水素塩消費速度における収支を作成した（表１及び表２を参照）。

各沈殿段階の最後における炭酸水素塩及び炭酸塩の濃度は、それぞれおよそ１０００μＭ及び３００μＭである。

この炭酸水素塩の２６０μＭ／時間の消費速度に基づき、ＣＯ_２注入を行う海水媒体の存在下におけるこのシアノバクテリアの培養方法によって、１リットルの海洋媒体について以下の収支が得られる：
１８１８μＭの炭酸水素塩及び２３７４０μＭのＣＯ_２の消費、
２２５００μＭのバイオマスＣ及び３２００μＭのＣａＣＯ_３ Ｃの産生。

この炭酸水素塩の消費速度は、５８８ｍｇ／Ｌの最終バイオマス濃度、２．８のＯＤ（６００ｎｍでの吸光度）、及びおよそ９．４ １０^８個／ｍｌの細胞密度（細胞数／ｍｌ）をもたらす。

工程所要時間はおよそ１週間である。

２２５００μＭ Ｃのバイオマスの産生（濃度）は、２２５００^＊０．１６５＝３７１２μＭ、すなわち３．７ｍＭの累積の硝酸塩濃度（好ましくは硝酸カルシウム）を必要とし、これは合計で１０．３ｍＭの海水のカルシウムとなる。この状態は沈殿現象の発生（appearance）に対してのみ有利となり得る。

５０００ｍ^３（すなわち１ヘクタールで水深５０ｃｍである）の設備容量における年換算の収支は：
使用される海水の体積 ５０００ｍ^３
ＣＯ_２（ガス）消費 ２６０Ｔ ＣＯ_２
バイオマス産生 １４７Ｔ バイオマス（乾燥重量）
ＣａＣＯ_３産生 ８１Ｔ ＣａＣＯ_３（乾燥重量）。

この炭酸水素塩消費速度は５８８ｍｇ／Ｌの最終バイオマス濃度、２．８のＯＤ、及びおよそ９．４ １０^８の個体数をもたらす。

元素を制限しない条件下でのこの操作方式における炭酸水素塩消費速度を再評価する必要がある可能性がある（ミクロ又はマクロ）。この栄養分による制限の問題は別として、光制限(ｐｈｏｔｏｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ)はバイオマス濃度が漸近線に向かって増加する進行を減じるのに寄与し得る。この栄養分によって培養速度が制限を受ける問題とは独立して、光制限は最大バイオマス濃度（それをもって産生サイクルを終わらせることができる（１週間を超える））を制限する傾向がある。或る操作方式においてこの濃度値は超えるべきではない。

最大ＯＤ値が一方で１．４である、試験Ａについて一方で得られるデータ［図７：μ（四角及び三角）及びＯＤ ６６０ｎｍ（菱形）のデータ］と、最大ＯＤ値が４．３である、試験Ｂについて得られるデータ［図６：ＯＤ ６６０ｎｍ（黒枠の四角）］は、μが一定であると培養の進行が起きないことを示す。

池における藻類バイオマス産生に関する現在のデータは、真核性藻類によるおよそ４０Ｔ／ヘクタール（乾燥重量）の生産性に関する。

シアノバクテリアバイオマスはおそらく脂肪酸メチルエステルの形態での資源化に適していない。

糖貯蔵の存在は、バイオマスがその抽出後に資源化されること、及びアルコール発酵によって糖へ転化させることを可能にし得る。

このバイオマスの回収及び熱分解によるその熱処理は、フィッシャー・トロプシュ合成を用いるガス化のための一次生成物となる油を得ることを可能にし得る。

しかしながら、これらの３つの方法は培養媒体の水からバイオマスを分離することを必要とする。そのような分離段階はエネルギーを消費ししたがって費用がかかる。したがって生物学的嫌気性消化プロセスによるバイオマスの処理が図８の図解に従って提案され、例えばここで参照番号１は光反応器、参照番号２はデカンター、参照番号３は嫌気性消化装置である。

１ 光反応器
２ デカンター
３ エネルギー資源化の装置（例えばメタン細菌消化装置（methanogen digester））

Claims (17)

1. バイオマス及び方解石（ＣａＣＯ_３）の産生を可能にし、以下の段階を含む、シアノバクテリアを用いた統合されたＣＯ_２の生物学的捕捉方法：
   ａ）炭酸イオン及び炭酸水素イオンを含む水性媒体中でカルシウム存在下でシアノバクテリアを培養する段階；
   ｂ）炭素、酸素、窒素、水素、及び硫黄の元素からなるシアノバクテリアバイオマスを産生させ且つ炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）の沈殿を生じさせるように、炭酸水素イオンに基づくシアノバクテリアによる光合成を実現させる段階；
   ｃ）光合成反応の間にｐＨを調節するためにＣＯ_２を注入することによって無機炭素を供給する段階。
2. ＣＯ_２が大気中のものであり、シアノバクテリアが少なくとも１つの開放型反応器において培養される、請求項１に記載の方法。
3. 注入されるＣＯ_２の少なくとも一部が工場排ガス／排出物に由来する、請求項１又は２に記載の方法。
4. 媒体中のカルシウムを消費し尽くすまで段階ａ）、ｂ）、及びｃ）が繰り返される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. ｐＨが９と１０の間の範囲の値に調節される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 培養媒体がカルシウム及び炭酸塩系を含有する合成水性媒体、又は海洋媒体である、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 窒素が硝酸塩イオンの形態で媒体に供給される、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 硝酸塩イオンが硝酸カルシウムである、請求項７に記載の方法。
9. シアノバクテリアが連続的若しくは半連続的条件下で、又はバッチ式で培養される、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. シアノバクテリアバイオマスの嫌気性消化の段階が、バイオマスをメタンへ転化させるために行われる、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 嫌気性消化の段階が、暗期の間にバイオマスを嫌気性消化装置中へ注入することによって行われる、請求項１０に記載の方法。
12. バイオマス嫌気性消化の段階が産生段階の直後に行われる、請求項１０及び１１に記載の方法。
13. バイオマスが熱的資源化の目的で媒体の水から分離される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. バイオマスが直接燃焼及び熱回収によって、又は油を生成させるための熱分解によって資源化される、請求項１３に記載の方法。
15. 得られるバイオマスがエネルギー源として使用される、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 得られるバイオマスが肥料として使用される、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 方解石（ＣａＣＯ_３）産生及びＣＯ_２の鉱物固定のために使用される、請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。

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