JP2014183852A

JP2014183852A - 硅藻類からの油分の抽出方法

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Publication number: JP2014183852A
Application number: JP2014140885A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Arai; 優章荒井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-06-23
Filing date: 2014-06-23
Publication date: 2014-10-02

Abstract

【課題】培養された珪藻類の細胞内に存在する油分の抽出を常温でしかも圧搾を必要とせずに低コストで抽出できる硅藻類の急速増殖培養装置及びその急速増殖培養方法並びに硅藻類からの油分の抽出方法の提供。
【解決手段】成長点に生育した硅藻類から油分を取り出すための硅藻類からの油分の抽出方法であって、前記成長点に生育した硅藻類に対して塩化物を電気分解し、前記電気分解で得られたｐＨと次亜塩素酸濃度とＯＲＰを既定の濃度に培養された培養液に混合する、ことを特徴とする硅藻類からの油分の抽出方法の提供。
【選択図】図４

Description

本発明は、硅藻類からの油分の抽出装置および抽出方法に関するものであり、特に、培養された珪藻類の細胞内に存在する油分の抽出を常温でしかも圧搾を必要とせずに低コストで抽出できる硅藻類の急速増殖培養装置及びその急速増殖培養方法並びに硅藻類からの油分の抽出方法に関する。

近年の地球温暖化に対する危機意識の高まり、また、原油価格の高騰、更に、２０１１年３月１１日に発生した東日本大震災に起因する原子力発電所の事故による脱原発の動きなどから、将来の代替エネルギーが模索されており、その中でも、藻類を用いて生産するバイオ燃料が注目されている。

藻類は、水中に生息している植物の総称であり、主に光合成によって増殖する。その一部には育成の過程において燃料を生産するものがある。

藻類は成長する際にＣＯ２を吸収し、また増殖が速いという特徴を有しているため、原油や食糧の価格高騰と地球温暖化を同時に解決するソリューションとして、藻類を利用したバイオ燃料生産に対する注目が高まっている。

ところで、藻類から得られるバイオ燃料の単位面積当りの生産量は、例えば、大豆が０．５ｋｌ／ｈａ・年、サトウキビが４．２ｋｌ／ｈａ・年、ヤシが６．１ｋｌ／ｈａ・年であるのに対して、藻類から得られるバイオ燃料の場合、その生産量は１８．７ｋｌ／ｈａ・年以上とされており、食用植物などからの生産量に比較して大きく上回ると報告されている。

このため、藻類バイオ燃料の事業化は、将来的に効率的な燃料確保の方法として大きな期待が持たれている。

日本でも、いくつかの藻類バイオ燃料についてのプロジェクトが報告されており、その研究内容は大きく分けると以下の３種類に分けられる。
（１）オーランチオキトリウムを用いた研究
（２）シュードコリシスチス・エリプソイディアを用いた研究
（３）ボトリオコッカス・ブラウニイを用いた研究

このうち、オーランチオキトリウムは、クロロフィルを持たない（光合成を行わない）従属栄養型の藻類で、細胞は球形で直径、数μｍ程度である。

それ自身では光合成ができないのでＣＯ２以外の炭素化合物（つまり他の植物が光合成によって得た有機炭素化合物）を取り込むことで増殖と油脂の生産を行う。

シュードコリシスチス・エリプソイディア（以下、シュードコリシスチスという）は、光合成により二酸化炭素を吸収して増殖するが、窒素が不足すると軽油の主成分と同じ炭化水素を成分とする油を作り細胞内に蓄積する特長を持っている。

また、重量の最大３割が軽油留分となり、残渣からバイオエタノール燃料も製造できることから、地球温暖化対策に貢献できる藻として注目されている。

ボトリオコッカス・ブラウニイ（以下、ボトリオコッカスという）は、淡水に生息する藻類で、緑色〜赤色で３０〜５００μｍのコロニーを形成する。光合成により炭化水素を生産し、細胞内およびコロニー内部に乾燥重量の２０〜７５％の炭化水素を蓄積する。

筑波大の報告では、植物油の中でも生産性が高いパーム油と比較して３倍以上の高い生産性である。

オーランチオキトリウムは、ボトリオコッカスと比較して増殖スピードが適切な温度環境下では３６倍と速く、オイル生産効率は単純計算でボトリオコッカスの１０倍以上となると報告されている。

また、シュードコリシスチスは単細胞であるため、コロニーを作るボトリオコッカスと比較して生産効率が高いと報告されている。

光合成を行う藻類を採用したプロジェクト（上記（２）と（３））と、従属栄養型の藻類を採用したプロジェクト（上記（１））を比較すると、光合成藻類採用プロジェクトの方が研究の速度が速いように思われる。

従属栄養型の藻類では一般的な発酵石油エネルギー技術センタータンクを用いて培養を行うが、オーランチオキトリウムの場合は培養温度が１５℃なら６時間、２０℃なら４時間で倍に増えると報告されており、石油精製会社にとっても、「製油所内に浄水および海水の温排水が多量に存在し温度管理が容易」、「生成したバイオ燃料の改質および精製に従来技術を適用出来る」、「製品の貯蔵や配送に既存の設備が使える」、「光合成藻類と組み合わせる場合は水素製造装置からのＣＯ２を原料として使用可能」など、多くのメリットが考えられている。

一方、動物と植物の中間的性質を持つ単細胞生物である
（４）ミドリムシを用いた研究
も報告されている。

このミドリムシを用いた研究では、ミドリムシを、多量のＣＯ２を含む火力発電所の排ガスを使って培養し、このミドリムシからバイオ燃料を作ることが研究されている。

ミドリムシは体長約０．１ミリで、水田などに住んでおり、光合成によりＣＯ２を吸収する植物の性質を持ちつつ、鞭毛という器官で動物のように動く。

光合成能力が高いのが特徴で、排ガス中の豊富なＣＯ２で光合成をし、増殖速度は空気を通した場合の最大２０倍に達したことが報告されている。

これによると、排ガスのＣＯ２を減らしたうえ、代替燃料を作る新たな温暖化対策としても有効と考えられる。

なお、以下、上記（１）〜（３）の各藻類、（４）のミドリムシを総称して、「硅藻類」と呼ぶこととし、説明することとする。

しかしながら、このような硅藻類を用いたバイオ燃料生産方法によれば、油分を細胞内に保有している珪藻類から、油分を取り出す方法に、圧搾方法や加熱方法などが知られているが、何れも大きなエネルギーを消費してしまいコスト高になってしまうという問題がある。

従って、本発明の目的は、培養された珪藻類の細胞内に存在する油分の抽出を常温でしかも圧搾を必要とせずに低コストで抽出できる硅藻類からの油分の抽出方法を提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するため、成長点に生育した硅藻類から油分を取り出すための硅藻類からの油分の抽出方法であって、前記成長点に生育した硅藻類に対して塩化物を電気分解し、前記電気分解で得られた次亜塩素酸を既定の濃度に培養された培養液に混合する、ことを特徴とする硅藻類からの油分の抽出方法を提供するものである。

以上の構成において、前記次亜塩素酸は、ｐＨ３．０〜６・０範囲で、濃度５０〜３００ｐｐｍ範囲であって還元電位が８００〜１．３００ｍｖ範囲であることが望ましい。

本発明によれば、前記のように構成されるので、油分を取り出すために、電解酸性水により細胞を酸化させて破壊（分解）し抽出するようにしたので、圧縮機械など導入しなくても、急速増殖培養装置のみで増殖から油分抽出まで完結させることができるため、低コストで、かつ、安全に抽出することができる。

本発明の実施の形態に係る硅藻類の急速増殖培養装置の概略構成を示した模式図である。図１における二酸化炭素発生発酵装置の模式図である。成長点に生育した硅藻類の状態を示す図である。比重の軽い抽出油分が装置上部に集積する状態を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、硅藻類の急速増殖培養装置の概略構成を示す図であり、図２は、二酸化炭素を発酵発生させてこの急速増殖培養装置に提供する二酸化炭素発生発酵装置の模式図である。

図１に示すように、この急速増殖培養装置１は、ミドリムシ、ボトリオコッカス、オーランチオキトリウム・シュードコリシスチスなどの硅藻類が培養される培養槽１００と、植物（硅藻類）の呼吸の目的である炭素（Ｃ）を大気以外からこの培養槽１００に取り込ませるために、二酸化炭素を発酵発生させて供給する二酸化炭素発酵発生装置１０と、この培養槽１００に電解水を供給する電解水生成装置６００とから構成される。

なお、電解水生成装置６００と二酸化炭素発酵発生装置１０は、培養槽１００の外に設けられている。

以上の構成において、電解水生成装置６００は、水道水又は井戸水５００を電解原水とし、塩化カリウム（ＫＣｌ）を電解質として電解する１隔膜式の電解装置であり、陽イオン透過膜を通過して陰極室内に移動したカリウムイオンが陰極室内で水酸化カリウムイオン（ＫＯＨ）として生成されるように陰極に電位を印加し、水酸化カリウムイオン（ＫＯＨ）を含むｐＨ９以上で還元電位（ＯＲＰ）が２００ｍｖ以下の塩素（Ｃｌ⁻）を含まないアルカリ性水を生成し、培養槽１００に供給する。

なお、電解水生成装置６００の電極母材はチタンを用いるが、ステンレスであっても良い。チタン電極の場合は、白金及びイリジウムメッキを施しても良い。

培養槽１００には、培養液内に浸漬され培養液を一定の温度に加熱する加温器３００と、珪藻類や後述する肥料を攪拌するとともに培養液の上部と下部の温度差や酸素量の差や各種肥料分を均等にさせる攪拌機２００と、培養液に１０，０００ボルト以上、０．１アンペア以下の超高電圧低電流を印加する放電部材７００と、培養液を外部に排出する排水口４００と、が設けられている。

培養槽１００内の培養液は、前述した電解水生成装置６００から供給されるアルカリ性水を水道水又は井戸水で希釈したものであり、ｐＨ７，０から８．０付近で還元電位が６５０ｍｖから５００ｍｖ付近に調整される。この培養液は、加温器３００によって２０度〜３０度（望ましくは２５度付近）に加温される。

そして、培養槽１００には、肥料として、ペプチド又はアミノ酸が供給される。このペプチド又はアミノ酸は、動物性有機物（動物の糞尿や魚の内臓の残渣など）を亜臨界処理することにより生成されるものである。このペプチド又はアミノ酸を肥料として用いるようにしたのは、動物も植物も全ての細胞増殖にタンパク質の合成が不可欠で、そのタンパク質はアミノ酸やペプチド分子から構成されるからである。従って、ペプチド又はアミノ酸は有機物に栄養分として吸収されやすい。そこで、培養槽１００内に供給される培養液にこれらを混合させて、吸収させ増殖を加速させる。

培養槽１００内に配設した放電部材７００は、微生物により消費される電子（ｅ⁻）の補充の為に培養液に電位を印加するものである。前述したアミノ酸はペプチドという段階を踏んでタンパク質になるが、アミノ酸鎖がペプチド鎖になる時に、鎖と鎖を繋ぐのが電子（ｅ−）である。通常は、この電子（ｅ−）を細胞の表面で作り出して合成しているが、細胞の能力には限界が有り、瞬時に沢山の合成が出来ない。

そこで、培養液中に放電部材７００を浸漬して、超高電圧低電流（１０，０００ボルト以上、０．１アンペア以下の超高電圧低電流、出来れば１０，０００ｖ以上で５００，０００万ｖ以下で、０．１アンペア以下のミリアンペアの超高電圧低電流とすることで危険が無く望ましい）で印加すると、Ｈ２０から電子（ｅ−）が発生する。この時の培養液の環境は必ず弱アルカリ環境になる。

弱アルカリ環境とは、ｐＨが７．１以上９．０未満のことをいうが、同時に電子（ｅ−）が発生し、還元電位（ＯＲＰ）は−（マイナス）電位として放電部材７００付近に高濃度で６５０ｍｖ以下の５００ｍｖ方向に生成される。この−（マイナス）電位は水酸イオン（ＯＨ−）を発生させる。この水酸イオン（ＯＨ−）はたんぱく質の構成要因となり、生育速度の高速化が実現する。

また、一度、培養液に珪藻類を入れると、生育促進環境の水質から電子（ｅ−）や水酸イオン（ＯＨ⁻）が消費されてしまう。その為に放電部材７００を培養液内に浸漬して電子（ｅ−）や水酸イオン（ＯＨ⁻）を補充し続けるようにしたものである。

なお、培養槽１００は、槽内で培養液の温度差が大きくならないようにするために、深さは３ｍ以内で、幅が３ｍ以内で、長さ１０ｍ以下の長方形、又は深さが３ｍ以内で半径が１０ｍ以内の円形の大きさであることが望ましい。また、培養槽１００から培養液を排出する場合に、排水口４００のバルブ解放により、排出に不必要なエネルギー使用を防止するため、培養槽１００は２％以上の傾斜の付く床面配置が望ましい。なお、図示しないが、放電部材７００の制御部は培養槽１００の外部に固定されている。

一方、二酸化炭素発酵発生装置１０は、電気などのエネルギーを使わないクエン酸と重曹を１対１で混合した混合物２０に水を添加して発酵溶解液３０とし、これからＣＯ２を自然発酵させ、発酵発生したＣＯ２を外部に供給する装置であり、その発酵を行う発酵槽１１と、発酵槽１１で発酵したＣＯ２ガスを外部に排出する排出口１２と、排出されたＣＯ２を培養槽１００に供給する供給配管１３と、供給配管１３を通じて供給される発酵したＣＯ２ガスを培養槽１００内で気泡にして発生させるＣＯ２ガス気泡発生部１４とからなる。

以下、この急速増殖培養装置１を用いた急速増殖培養方法を説明する。
電解前の水道水又は普通の井戸水は、Ｐｈ７．０付近、還元電位は７００ｍｖから６５０ｍｖ付近であり、電子（ｅ−）や水酸イオン（ＯＨ⁻）はない。この水を、塩化カリウム（ＫＣｌ）を電解質として電解水生成装置６００で電解する。

この電解水生成装置６００による電解により、水酸化カリウムイオン（ＫＯＨ）とｐＨ９以上で還元電位（ＯＲＰ）が２００ｍｖ以下のアルカリ性水が生成される。このアルカリ性水を培養槽１００に供給する。

供給されたアルカリ性水は、培養槽１００内の水道水又は井戸水と混合されて培養液となり、この培養液がｐＨ７．０から８．０付近で還元電位が６５０ｍｖから５００ｍｖ付近に調整される。この培養液を加温器３００によって２５度付近に加温する。これに、硅藻類を供給する。そして、肥料として、動物性有機物を亜臨界処理を行うことで製造したアミノ酸又はペプチドを供給し混合する。

更に、二酸化炭素発酵発生装置１０から、発酵発生したＣＯ２ガスの圧力で培養槽１００の培養液中にＣＯ２ガスを放出する。そして、槽内の培養液を均一化環境にするために攪拌機２００で撹拌する。攪拌された培養液は、培養槽１００内を緩やかに循環しながら培養槽１００内に配設された放電部材７００の間を通過する。

放電部材７００の間を通過した培養液には超高電圧低電流が印加され、ｐＨは７．１以上９．０未満の弱アルカリ環境に保たれる。同時に電子（ｅ−）が発生し、還元電位（ＯＲＰ）は−（マイナス）電位として放電部材７００付近に高濃度で６５０ｍｖ以下の５００ｍｖ方向に生成される。この−（マイナス）電位が水酸イオン（ＯＨ−）を発生させる。このように、放電部材７００による超高電圧低電流の印加で培養液を弱アルカリ環境にし、水酸化イオン（ＯＨ−）と電子（ｅ−）を培養液内に継続的に補充し続けることにより、生育速度を高速化することが可能となる。

成長点に生育した硅藻類から油分を取り出すには、電解酸性水により細胞膜タンパク質を酸化させて細胞膜を破壊（分解）し抽出する細胞酸化分解抽出方法を採用する。この抽出方法は、培養された珪藻類の細胞膜内に存在する油分の抽出を常温でしかも圧搾を必要とせずに抽出する方法である。

具体的には、図３に示すように成長点に生育した硅藻類５０に対して、塩化物（Ｃｌ⁻）を電気分解して得られたｐＨ３，０〜６．０範囲で、濃度が５０〜３００ｐｐｍ範囲であって還元電位（ＯＲＰ）が８００〜１，３００ｍｖ範囲の次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）を、既定の濃度に培養された培養槽１００内の培養液に１％混合すると、水道水と比較して電子が不足した水になるため、この電子が不足した水が原核細胞（原生生物）の細胞膜（タンパク質）から電子を奪い、細胞膜は酸化されて瞬時に破壊され死滅する。この時、細胞膜内の内容物（油分）は外圧をかけることなく自然に吹き出し、図４に示すように、水（培養液４０）に比較して比重の軽い油分３０は培養槽１００上部に集積する。

そうすると、圧縮機械など導入しなくても、急速増殖培養装置のみで増殖から油分抽出まで完結させることができるため、低コストで、かつ、安全に抽出することができる。

＜まとめ＞
このように、培養槽に水酸化カリウムイオンを高純度に含んだアルカリ性水を供給するための電解水生成装置を配設し、培養槽内には培養液を加温する加温器と培養液を槽内の均一化環境にするための攪拌機を配設し、微生物により消費される電子（ｅ⁻）の補充の為に培養液に放電部材を配設して電位を印加し、還元電位を６５０ｍｖ以下の電子（ｅ⁻）が通常の水道水及び井戸水より多く含んだ環境にし、微生物が細胞分裂して増殖を行う時に必要な電子（ｅ⁻）を放電部材間を通過した培養液から電子（ｅ⁻）と水酸化イオンを生成し、微生物の生育環境に適した弱アルカリ性環境の水質を生成させることにより、微生物の生育促進を可能にし、二酸化炭素の生成コストを大幅に低減する効果が出来る。

また、培養液にペプチド又はアミノ酸を含んだ有機肥料を混合することで、微生物はタンパク質を分解してアミノ酸やペプチドに一度分解する工程が削減され、微生物の生育速度は急速に促進される効果が有る。

また、ペプチドやアミノ酸は、動物性有機物を亜臨界処理を行うことで製造することができ、微生物にとっては微生物の細胞内で行われる電気分解の作用が省かれたことになるので新しいタンパク質合成が早まる効果が有る。また、アミノ酸とペプチド分子に分解した溶液を珪藻類の肥料とすることで、還元電位と水酸イオンにより珪藻類の単細胞の大きさと増殖（タンパク質合成）速度を向上させる生育促進が得られる。

また、培養液に放電部材を配設して電位を印加すると、培養液はアルカリ環境に移行し、電子（ｅ⁻）が豊富に培養液内に存在し、電子（ｅ⁻）はアミノ酸からペプチド合成やぺプチドからタンパク質合成に必須の電子（ｅ⁻）が、微生物の細胞の中で合成しなくても供給されるため、細胞増殖は急速に行われる効果が有る。

また、水酸化イオンには塩化カリウムが分解されて、水酸化カリウム（ＫＯＨ）として微生物に吸収されやすく新たなたんぱく質の合成が行われ易くなる効果が有る。

なお、本実施の形態では、一隔膜式でアルカリ性水生成専用の電解水生成装置を用いた例を示しているが、これに限られるものではなく、珪藻類の培養槽に水酸化カリウムイオンを生成供給するのであれば、無隔膜式又は二隔膜式のいずれでも良い。

なお、無隔膜式の電解水生成装置の場合、電解質としての塩化カリウム（ＫＣｌ）を電解し、肥料となる有機物を混合する場合には、珪藻類にダメージを与えるおそれがあるので、次亜塩素酸（ＨＯＣｌ）を有機物で中和した物を培養液に供給するのが望ましい。

また、油分を取り出すには、電解酸性水により細胞膜タンパク質を酸化させて細胞膜破壊（分解）し抽出するようにしたので、圧縮機械など導入しなくても、急速増殖培養装置のみで増殖から油分抽出まで完結させることができるため、低コストで、かつ、安全に抽出することができる。

１０二酸化炭素発酵発生装置
１１発酵槽
１２排出口
１３供給配管
１４ＣＯ２ガス気泡発生部
２０混合物
３０油分
４０培養液
５０成長点に育成した硅藻類
１００培養槽
２００攪拌機
３００加温器
４００排水口
６００電解水生成装置
７００放電部材

Claims

成長点に生育した硅藻類から油分を取り出すための硅藻類からの油分の抽出方法であって、
前記成長点に生育した硅藻類に対して塩化物を電気分解し、
前記電気分解で得られた次亜塩素酸を既定の濃度に培養された培養液に混合する、
ことを特徴とする硅藻類からの油分の抽出方法。
前記次亜塩素酸は、ｐＨ３．０〜６．０範囲で濃度５０〜３００ｐｐｍ範囲であって還元電位が８００〜１，３００ｍｖ範囲であることを特徴とする請求項１に記載の硅藻類からの油分の抽出方法。