JP5776416B2

JP5776416B2 - 抽出装置

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Publication number: JP5776416B2
Application number: JP2011166152A
Authority: JP
Inventors: 美栄森; 田中　浩; 浩田中; 浩介石井; 克明松澤; 知史今久保
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2031-07-29
Also published as: JP2013027360A

Description

本発明は、藻類から産生物を抽出する抽出装置に関する。

近年、バイオ燃料（炭化水素やバイオディーゼル）や、アスタキサンチン等の生理活性物質を産生することができる藻類（特に、微細藻類）が注目されており、このような藻類を大量に培養し、石油に換わるエネルギーとして利用したり、薬や化粧品、食品等に利用したりすることが検討されている。このような藻類の中でも、特に、ボツリオコッカス（Botryococcus）属の藻類は、炭化水素を産生する能力に優れており、藻体全量に対する炭化水素の含有量が乾燥重量で２０〜４０％程度と高い。

従来、ボツリオコッカス属の藻類のように、疎水性の産生物を産生する藻類から産生物を抽出する技術として、藻類を含む培養液を濾過することで湿藻体を分離し、その湿藻体を凍結乾燥させた後、または加温して乾燥させた後、かかる藻体乾燥物をｎ−ヘキサンや、メタノール−クロロホルム（１：１）等の有機溶媒に浸漬することで、当該有機溶媒中に産生物を溶解させて抽出する技術が挙げられる。

しかし、このような技術では、湿藻体を乾燥する必要があるため、抽出のために長時間を要し、また乾燥のために電力等のエネルギー消費を要することとなっていた。

そこで、酢酸エチル、酢酸ブチル、ジエチルエーテル、メチル−ｔ−ブチルエーテル、メチルエチルケトン、イソプロピルアルコールのいずれかの有機溶媒を用いて、乾燥工程を経ず湿藻体から産生物を直接抽出する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開平０９−８０３号公報

上述した藻類が産生する産生物の多くは、藻体（細胞）内に保持されているため、藻体から産生物を抽出する場合、藻体を構成する細胞壁および細胞膜を破壊する必要がある。

上述した特許文献１の技術では、細胞壁および細胞膜を破壊するために、湿藻体の数十倍量といった大量の有機溶媒を必要とし、また抽出効率の向上を試みると、抽出時間も２４時間程度といった長時間を要してしまう。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、容易な処理で細胞壁および細胞膜に孔を開けることができ、これによって短時間で効率よく藻類から産生物を抽出することが可能な抽出装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の抽出装置は、藻類から当該藻類が産生した産生物を抽出する抽出装置であって、藻類を含む培養液である藻類液を収容するとともに、少なくとも１対の電極が設けられる収容槽と、１対の電極にパルス電圧を印加することで、藻類液中にパルス電界を形成する電圧印加部と、電圧印加部によってパルス電圧が印加された後の藻類液から産生物を抽出する抽出部と、を備え、収容槽内において藻類液の流れ方向が予め定められており、１対の電極のうち、少なくとも藻類液の流れ方向の上流側に位置する電極には、流れ方向の下流側に延伸した針状部が形成されていることを特徴とする。

上記電圧印加部によってパルス電圧が印加された後の藻類液の温度は、８０℃以上１００℃以下になってもよい。

上記抽出装置は、電圧印加部によってパルス電圧が印加される前の藻類液を予熱する予熱部をさらに備えてもよい。

上記抽出部は、電圧印加部によってパルス電圧が印加された後の藻類液を加圧濾過することで産生物を抽出してもよい。

上記抽出装置は、収容槽に収容された藻類液が１対の電極間を循環するように当該藻類液を流動させる循環部をさらに備えてもよい。

本発明によれば、容易な処理で細胞壁および細胞膜に孔を開けることができ、これによって短時間で効率よく藻類から産生物を抽出することが可能となる。

抽出装置を説明するための説明図である。電圧印加部および電極の一例を説明するための説明図である。抽出方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。

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等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、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、本明細書及び図面において、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。

（抽出装置１００）
図１は、本実施形態にかかる抽出装置１００を説明するための説明図である。図１に示すように抽出装置１００は、収容槽１１０と、予熱部１２０と、電圧印加部１３０と、循環部１４０と、抽出部１５０とを含んで構成される。

収容槽１１０は、導入配管１１２と連通しており、導入配管１１２、バルブ１１２ａを通じて導入された、藻類を含む培養液（以下、藻類液と称する）Ｘ１を収容するとともに、１対の電極１１０ａ、１１０ｂがその藻類液に接触するように設けられる。ここで、収容槽１１０に導入される、藻類液Ｘ１は、不図示の培養槽で培養された状態のまま（例えば、培養液中の藻類が０．２重量％程度）の藻類液であってもよいし、培養槽で培養された後、遠心分離等を行うことによって、培養液中の藻類が１〜１５重量％程度まで濃縮された藻類液であってもよい。

予熱部１２０は、ヒータ等で構成され、導入配管１１２を通過する藻類液Ｘ１の温度を、後述する電圧印加部１３０によってパルス電圧が印加された後の藻類液Ｘ１の温度が８０℃以上１００℃以下となるように藻類液を所定の温度に予熱する。ここで、所定の温度は、電圧印加部１３０によって藻類液中に形成されたパルス電界に基づいて生じる熱が加わり、結果的に、収容槽１１０に収容された藻類液の温度が８０℃以上１００℃以下になるように設定される。本実施形態において、所定の温度は、例えば、２５℃以上５０℃以下であり、ここでは、５０℃を目標値として実際の藻類液の温度が５０℃前後となる例について説明する。

藻類液の温度が８０℃以上１００℃以下であると、藻類からの炭化水素の抽出効率が格段に向上することが「Elsevier, Applied Energy 87, 2010:2420-2423」において報告されている。そこで、電圧印加部１３０によってパルス電圧が印加された後の藻類液の温度を８０℃以上１００℃以下にするように、予熱部１２０が藻類液Ｘ１を予熱する構成により、藻類が産生した炭化水素の流動性を向上させることができ、藻類からの炭化水素の抽出効率を向上することが可能となる。

電圧印加部１３０は、収容槽１１０に設けられた電極１１０ａ、１１０ｂにパルス電圧を印加することで、藻類液Ｘ１中にパルス電界を形成する。ここで、電圧印加部１３０は、電極１１０ａ、１１０ｂに印加するパルス電圧のパルス幅を１００ｎｓｅｃ未満とし、電極１１０ａ、１１０ｂによって藻類液Ｘ１中で形成されるパルス電界の電界強度が３０〜３００ｋＶ／ｃｍとなるように電極１１０ａ、１１０ｂにパルス電圧を印加する。

図２は、電圧印加部１３０および電極１１０ａ、１１０ｂの一例を説明するための説明図であり、図２（ａ）は電圧印加部１３０の例を、図２（ｂ）は電極１１０ａ、１１０ｂの例を示す。

図２（ａ）に示す例において、電圧印加部１３０は、交流（例えば、ＡＣ３相２００Ｖ）を一旦直流（例えば、ＤＣ１８ｋＶ）に変換する直流電源部１３２と、パルスの整形回路として機能する波形整形部（Ｂ−ＰＦＮ回路）１３４と、ギャップスイッチで構成されるスイッチ部１３６と、パルストランス１３８とを含んで構成される。ここで、波形整形部１３４は、電極１１０ａ、１１０ｂに印加するパルス電圧のパルス幅が１００ｎｓｅｃ未満となるように、パルス波形を調整し、直流電源部１３２、パルストランス１３８は、電極１１０ａ、１１０ｂによって藻類液Ｘ１中で形成されるパルス電界の電界強度が３０〜３００ｋＶ／ｃｍ（例えば、８０ｋＶ／ｃｍ）となるように、電極１１０ａ、１１０ｂにパルス電圧を印加する。

図２（ｂ）に示す例において、電極１１０ａ、１１０ｂは、藻類液Ｘ１が通過しやすいように、メッシュ状（網状）に形成された平面部を有し、かかる平面部が藻類液Ｘ１の通過方向（図２（ｂ）中、白抜き矢印で示す）に直交するように、収容槽１１０内に設けられている。このように、電極１１０ａ、１１０ｂをメッシュ状に形成することにより、藻類液Ｘ１を通過させながら、藻類液Ｘ１中にパルス電界を形成することができる。

また、藻類液Ｘ１の通過方向において、上流側に位置する電極１１０ａには、下流方向に延伸した複数の針状部１１０ｃが形成されている。これにより、低エネルギー放電（ストリーマ放電）によるパルス電圧の印加が可能となる。

このように、電圧印加部１３０が電極１１０ａ、１１０ｂにパルス電圧を印加することにより、収容槽１１０に収容された藻類液Ｘ１中にパルス電界を形成することができ、藻類の藻体を構成する細胞壁および細胞膜に孔を開けることが可能となる。したがって、藻体（細胞）内に保持された炭化水素等の産生物を、形成された孔を通じて外部へ容易に取り出すことが可能となる。

また、本願発明者らは、電圧印加部１３０が、電極１１０ａ、１１０ｂに印加するパルス電圧の立ち上がり時間を１００ｐｓｅｃ〜２０ｎｓｅｃ未満とし、パルス幅を、１００ｎｓｅｃ未満とし、立ち下がり時間を１００ｐｓｅｃ〜１００ｎｓｅｃ以下とし、さらに、収容槽１１０内（藻類液Ｘ１中）で形成されるパルス電界の電界強度が３０〜３００ｋＶ／ｃｍとなるように、電極１１０ａ、１１０ｂにパルス電圧を印加すると、殺藻効率が高いことを見いだしている。したがって、電圧印加部１３０が、パルス電圧のパルス幅を１００ｎｓｅｃ未満とし、電極１１０ａ、１１０ｂによって藻類液Ｘ１中で形成されるパルス電界の電界強度が３０〜３００ｋＶ／ｃｍとなるように電極１１０ａ、１１０ｂにパルス電圧を印加することで、効率よく、藻類の藻体を構成する細胞壁および細胞膜に孔を開けることができる。

なお、パルス電圧の立ち上がり時間を１００ｐｓｅｃ〜２０ｎｓｅｃ未満とし、パルス幅を、１００ｎｓｅｃ未満とし、立ち下がり時間を１００ｐｓｅｃ〜１００ｎｓｅｃ以下とした場合であっても、藻類の特性や培養液の導電率等によって、藻類液Ｘ１中で形成されるパルス電界の電界強度が３０〜３００ｋＶ／ｃｍとならない場合、パルスの繰り返し回数（Ｐｕｌｓｅ／ｓｅｃ）を増やしてもよい。

さらに、上述したように、藻類液Ｘ１は、予熱部１２０によって所定の温度に予熱され、収容槽１１０内においてパルス電界が印加されることで、８０℃以上１００℃以下に加温される。このように、予熱部１２０および電圧印加部１３０によって収容槽１１０に収容された藻類液Ｘ１の温度を結果的に８０℃以上１００℃以下とすることにより、藻類が産生した炭化水素の流動性を向上させることが可能となる。したがって、藻体内に保持された炭化水素の、細胞壁および細胞膜に形成された孔を通じた外部への取り出し効率を向上させることができる。

図１に戻って説明すると、循環部１４０は、循環配管１４２、バルブ１４２ａ、ポンプ１４２ｂを含んで構成され、収容槽１１０に収容された藻類液Ｘ１が電極１１０ａ、１１０ｂ間を循環するように藻類液Ｘ１を流動させる。具体的に説明すると、循環配管１４２は、収容槽１１０における導入配管１１２が連通される壁面と対向する壁面から延伸し、導入配管１１２と連通している。そして、導入配管１１２を通じて収容槽１１０に導入された藻類液Ｘ１は、電極１１０ａ、１１０ｂ間を通過した後、バルブ１４２ａを通じてポンプ１４２ｂによって汲み上げられ、循環配管１４２を通じて、再び導入配管１１２に返送される。

これにより、藻類液Ｘ１を電極１１０ａ、１１０ｂ間に連続的に流通させることが可能となり、藻類液Ｘ１に含まれる複数の藻類それぞれに、効率よく、かつ、満遍なく孔を開けることが可能となる。

ここで、循環部１４０は、電極１１０ａ、１１０ｂ間を通過した藻類液Ｘ１を、導入配管１１２の予熱部１２０より上流に返送するとよい。これにより、収容槽１１０に収容される藻類液Ｘ１がすべて予熱部１２０を通過することになるので、藻類液Ｘ１の温度を、産生物である炭化水素の流動性を向上させることができる８０℃以上１００℃以下に維持することが可能となる。

抽出部１５０は、送出管１５２を通じて収容槽１１０と連通している。具体的に説明すると、送出管１５２は、収容槽１１０における導入配管１１２が連通される壁面と対向する壁面に連通され、電圧印加部１３０によってパルス電圧が印加された後の藻類液Ｘ２は、送出管１５２、バルブ１５２ａを通じて抽出部１５０に送出される。

なお、循環部１４０による藻類液Ｘ１の循環と、送出管１５２による収容槽１１０から抽出部１５０への藻類液Ｘ２の送出は、排他的に行ってもよいし、並行して行ってもよい。例えば、循環部１４０によって藻類液Ｘ１を所定時間循環させた後、送出管１５２が収容槽１１０から抽出部１５０へ藻類液Ｘ２を送出してもよい。また、循環部１４０による藻類液Ｘ１の循環と、送出管１５２による収容槽１１０から抽出部１５０への藻類液Ｘ２の送出とを、所定の比率の流量で行ってもよい。

そして、抽出部１５０は、電圧印加部１３０によってパルス電圧が印加された後の藻類液Ｘ２から産生物を抽出する。具体的に説明すると、抽出部１５０は、例えば、加圧濾過機で構成され、藻類液Ｘ２を濾過して、濾液（培養液）と湿藻体（含水された藻体）とに分離し、分離された湿藻体をローラ等で加圧（押圧）することで、藻体内に保持された産生物を、孔を通じて外部に押し出す（抽出する）。これにより、有機溶媒を利用せずとも、藻類から産生物（炭化水素）を抽出することが可能となる。

また、加圧後の湿藻体を有機溶媒（例えば、ｎ−ヘキサンや、メタノールとクロロホルムとの混合液）に浸漬して、藻体内に残存した産生物を抽出してもよい。この場合であっても、藻体を構成する細胞壁および細胞膜にすでに孔が開いているため、パルス電圧を印加せずに藻体をそのまま有機溶媒に浸漬する場合と比較して極めて少量の有機溶媒で、産生物を効率よく抽出することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態にかかる抽出装置１００によれば、電圧印加部１３０によって藻類液Ｘ１中にパルス電界を形成するといった容易な処理で、藻体の細胞壁および細胞膜に孔を開けることができ、かかる孔を通じて、藻体内から外部へ容易に産生物を抽出することができる。したがって、短時間で効率よく藻類から産生物を抽出することが可能となる。

（抽出方法）
続いて、上述した抽出装置１００を用いた、藻類から産生物を抽出する抽出方法について説明する。図３は、本実施形態にかかる抽出方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。なお、本実施形態における抽出方法は、ユーザによる停止指示があったときには、そのときに遂行している処理を停止する。また、抽出方法は、下記のすべての工程（ステップ、処理）が終了してから、培養槽等の藻類液源から収容槽１１０へ藻類液Ｘ１を導入してもよいし、培養槽等の藻類液源から収容槽１１０へ順次または連続的に、藻類液Ｘ１を導入することで、並行かつ連続的に各工程を遂行してもよい。

まず、不図示の制御装置は、バルブ１１２ａ、１４２ａ、１５２ａを閉状態にしておき、ポンプ１４２ｂをオフ状態にしておく。

図３に示すように、ユーザが藻類からの産生物の抽出を試みる場合、制御装置は、バルブ１１２ａを開状態にする（Ｓ２００）。そうすると、不図示の藻類液源から、導入配管１１２へ藻類液Ｘ１が供給される。

続いて、予熱部１２０は、ヒータをオンにして、導入配管１１２を流通する藻類液Ｘ１を所定の温度（例えば、５０℃前後）に予熱し（Ｓ２０２）、所定の温度に予熱された藻類液Ｘ１は、導入配管１１２を通じて収容槽１１０へ導入される（Ｓ２０４）。そして、収容槽１１０へ導入された藻類液Ｘ１が所定の量（電極１１０ａ、１１０ｂが藻類液Ｘ１で浸漬される程度）に到達すると（Ｓ２０６におけるＹＥＳ）、制御装置はバルブ１１２ａを閉状態にして藻類液Ｘ１の導入を終了する（Ｓ２０８）。

次に、電圧印加部１３０は、電極１１０ａ、１１０ｂへのパルス電圧の印加を開始して、藻類液Ｘ１中にパルス電界を形成する（Ｓ２１０）とともに、制御装置は、循環部１４０のバルブ１４２ａを開状態にし、ポンプ１４２ｂをオン状態にして収容槽１１０内の藻類液Ｘ１を、循環配管１４２を通じて、再び導入配管１１２に返送する（Ｓ２１２）。ここで、循環配管１４２は、導入配管１１２におけるバルブ１１２ａの下流、かつ、導入配管１１２の予熱部１２０より上流に藻類液Ｘ１を返送する。

そして、所定時間が経過するまで（Ｓ２１４におけるＮＯ）、電圧印加部１３０は電極１１０ａ、１１０ｂにパルス電圧を印加し、循環部１４０は藻類液Ｘ１を循環させ、所定時間が経過すると（Ｓ２１４におけるＹＥＳ）、電圧印加部１３０は、電極１１０ａ、１１０ｂへのパルス電圧の印加を終了する（Ｓ２１６）。また、制御装置は、循環部１４０のバルブ１４２ａを閉状態にし、ポンプ１４２ｂをオフ状態にして、循環部１４０による藻類液Ｘ１の循環を終了する。

続いて、制御装置は、バルブ１５２ａを開状態にする。そうすると、電圧印加部１３０によってパルス電圧が印加された後の藻類液Ｘ２が、送出管１５２、バルブ１５２ａを通じて、収容槽１１０から抽出部１５０へ送出される（Ｓ２１８）。そして、抽出部１５０は、藻類液Ｘ２から産生物を抽出する（Ｓ２２０）。

以上説明したように、上述した抽出方法によっても、電圧印加部１３０によって藻類液Ｘ１中にパルス電界を形成するといった容易な処理で、藻体の細胞壁および細胞膜に孔を開けることができる。したがって、加圧濾過等によって、かかる孔を通じて、藻体内から外部へ容易に産生物を抽出することができる。これにより、短時間で効率よく藻類から産生物を抽出することが可能となる。

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、本発明はかかる実施形態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。

例えば、上述した実施形態において予熱部１２０は、ヒータ等で構成される例について説明したが、藻類液Ｘ１を所定の温度に予熱できればよく、火力発電所等の発電所や、製造プラント等で生じた排熱を利用してもよい。予熱部１２０が排熱を利用する構成により、消費電力を削減することができ、藻類からの産生物の抽出にかかるコストを低減することが可能となる。

また、上述した実施形態において、図２を用いて説明した電圧印加部１３０の構成は、一例であって、ストリーマ放電によるパルス電圧の印加にかかわらず、藻類の藻体を構成する細胞壁および細胞膜に孔を開けることができるパルス電界を形成することが可能であれば、どのような放電態様でパルス電圧を印加してもよい。

さらに、上述した実施形態において、電極１１０ａに針状部１１０ｃを備える構成について説明したが、電極１１０ｂが、上流方向に延伸した複数の針状部を備えてもよいし、電極１１０ａ、１１０ｂの双方に針状部を備えてもよい。

また、上述した実施形態において、収容槽１１０には１対の電極１１０ａ、１１０ｂが設けられる構成について説明したが、電極の数に制限はなく、２対以上であってもよい。

さらに、上述した実施形態において、抽出部１５０が加圧濾過機である場合を例に挙げて説明したが、抽出部は、藻類液Ｘ２を濾過し、これにより得られた湿藻体をそのまま有機溶媒（例えば、ｎ−ヘキサンや、メタノールとクロロホルムとの混合液）に浸漬して、藻体内に保持された産生物を抽出してもよい。この場合であっても、藻体を構成する細胞壁および細胞膜にすでに孔が開いているため、パルス電圧を印加せずに、藻体を直接有機溶媒に浸漬する場合と比較して１／１０程度の少量の有機溶媒で、産生物を効率よく抽出することが可能となる。

また、上述した実施形態では予熱部１２０を備える構成について説明したが、収容槽１１０において結果的に藻類液Ｘ１が８０℃以上１００℃以下になればよく、予熱部１２０を備えずとも、電圧印加部１３０によるパルス電圧を印加する時間を長くしたり、電圧値を高くしたりして、藻類液Ｘ１の温度を８０℃以上１００℃以下にすることもできる。

さらに、上述した実施形態において、循環部１４０が、循環配管１４２、バルブ１４２ａ、ポンプ１４２ｂを含んで構成される例について説明したが、収容槽１１０に収容された藻類液Ｘ１が電極１１０ａ、１１０ｂ間を循環するように藻類液Ｘ１を流動させることができればよく、例えば、循環部１４０を収容槽１１０内の藻類液Ｘ１を攪拌する攪拌子やミキサー等で構成してもよい。

また、上述した実施形態では循環部１４０を備える構成について説明したが、収容槽１１０に収容された藻類液Ｘ１に含まれる複数の藻類にそれぞれ満遍なく孔を開けることができればよく、循環部１４０を備えずとも、電圧印加部１３０によるパルス電圧を印加する時間を長くして、藻類液Ｘ１に含まれる複数の藻類に満遍なく孔が開くようにしてもよい。

さらに、抽出装置１００は、図１において示した位置以外にバルブや、ポンプを設けてもよい。

なお、本明細書の抽出方法の各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

本発明は、藻類から産生物を抽出する抽出装置に利用することができる。

Ｘ１、Ｘ２ …藻類液
１００ …抽出装置
１１０ …収容槽
１１０ａ、１１０ｂ …電極
１２０ …予熱部
１３０ …電圧印加部
１４０ …循環部
１５０ …抽出部

Claims

藻類から当該藻類が産生した産生物を抽出する抽出装置であって、
藻類を含む培養液である藻類液を収容するとともに、少なくとも１対の電極が設けられる収容槽と、
前記１対の電極にパルス電圧を印加することで、前記藻類液中にパルス電界を形成する電圧印加部と、
前記電圧印加部によってパルス電圧が印加された後の藻類液から前記産生物を抽出する抽出部と、
を備え、
前記収容槽内において前記藻類液の流れ方向が予め定められており、
前記１対の電極のうち、少なくとも前記藻類液の流れ方向の上流側に位置する電極には、該流れ方向の下流側に延伸した針状部が形成されていることを特徴とする抽出装置。
前記電圧印加部によってパルス電圧が印加された後の藻類液の温度は、８０℃以上１００℃以下になることを特徴とする請求項１に記載の抽出装置。
前記電圧印加部によってパルス電圧が印加される前の藻類液を予熱する予熱部をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の抽出装置。
前記抽出部は、前記電圧印加部によってパルス電圧が印加された後の藻類液を加圧濾過することで前記産生物を抽出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の抽出装置。
前記収容槽に収容された藻類液が前記１対の電極間を循環するように当該藻類液を流動させる循環部をさらに備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の抽出装置。