JP5879799B2 - 微細藻類の分離方法及び分離システム - Google Patents

Description

本発明は微細藻類を培地（培養液）から純粋かつ収率よく分離する方法及びそのシステムに関するものである。

バイオマスが豊富である微細藻類からバイオ燃料を生産することが古くから着目されている。そして、近年では、バイオ燃料の大量生産のための技術開発が盛んに進められている。技術開発の主眼の一に、微細藻類を安価に大規模生産することがある。

従来、微細藻類の大量培養技術は、健康食品、医薬など付加価値の高い生理活性物質の商業生産を目的に開発されてきた。その一つとして、微細藻類の培養パネルを垂直に置き、水平方向から光を照射することにより、藻類を高密度で高速に増殖させることが行われてきた。

しかしながら、生理活性物質よりも単位重量当りの対価が低いバイオ燃料の製造では、既述の方式では、装置の稼働に要するエネルギーの消費量が大きく採算が合わないため、野外の開放系装置における藻類の大量培養方式が行われている。

藻類を野外で大量培養した後バイオマスを回収するためには、固形分としての微細藻類と液体成分としての培地とを分離して、先ず、微細藻類を凝縮する。次いで、ボールミルやホモジナイザーで微細藻類を破壊してバイオ燃料を藻体の外に取り出した後、破砕物を脱水乾燥する。脱水乾燥物からバイオ燃料を取り出すためには、ヘキサン等の極性溶媒や超臨界油媒を用いて、脱水乾燥物からバイオ燃料を抽出する。

特表２０１０−５１５４４１号公報には、藻類を培養後、培養液から遠心分離によって藻類を凝縮し、次いで、バイオ燃料を得ることが記載されている。培養液から藻類を分離する他の形態としては、フィルタを用いる形態もある。

特表２０１０−５１５４４１号公報

既述の分離方法は、液体成分（培地）と固体成分（藻体）との分離を目的としているが、固体成分が目的の藻体だけであるとは限らない。すなわち、固体成分の中には、不要なバクテリアや大気中から混入したゴミや昆虫、大型藻類の切れ端等の異物が含まれていることが多い。このため、遠心分離法では、固体成分の中には、微細藻類の中に大型の異物が混入するおそれがある。これらの異物がそのまま次の脱水・乾燥工程に送られると、バイオ燃料等の最終製品の品質が低下する問題がある。これを避けるためには、最終製品から異物を除去するための工程や装置が別に必要になる。

また、フィルタを用いた分離法では、大型異物を除くことができる半面、バクテリアなどの小型異物を除くことができない。さらに、フィルタを用いた分離法では、微細藻類の群体（コロニー）も異物と一緒に取り除かれてしまうおそれがあり、最終製品の収率を低下させるおそれがある。

そこで、本発明は、微細藻類を培地から純粋かつ収率よく分離できる分離方法及びそのシステムを提供することを目的とする。

本発明者は、前記目的を達成するために、バイオ燃料などの最終有用物を得るための微細藻類として、コロニー形成能を有する微細藻類に着目した。この微細藻類が形成するコロニーの直径サイズは３０μｍ〜３００μｍ（平均１００μｍ程度）である。このサイズは、バクテリア等を含む小型異物（１〜５０μｍ程度）、ゴミ、昆虫等の大型異物（１ｍｍ以上）とオーダー単位で異なるため、細孔径が互いに異なる複数の分離手段を組み合わせることにより、これら成分を互いに分画することができる。

すなわち、本発明は、微細藻類を含む培地を互いに異なる細孔径を持つ複数の分離手段に順番に適用することにより、前記微細藻類と異物とをサイズ別に分画する微細藻類の分離方法であり、特に、微細藻類のコロニーを、前記中小の異物及び大型異物とから分画することを特徴としている。

一方、本発明に係る微細藻類の分離システムは、互いに異なる細孔径を持つ複数の分離手段を備え、微細藻類のコロニーを含む培養液を順番に処理して、前記コロニーと異物とをサイズ別に分画することを特徴とするものである。

本発明の対象となる微細藻類は、コロニー形成能を持ちながらバイオ燃料を生成可能なものであればよく、特に限定されるべきものでないが、例えば、ボツリオコッカス属に属するものが好適である。ボツリオコッカス属に属する株とし、Botryococcus braunii Kutzing (株番号２１９９)、Botryococcus braunii Kutzing （株番号８３６）が知られている。これらの株は、茨城県つくば市小野川16-2所在の（独）国立環境研究所微生物系統保存施設から入手することができる。

複数の分離手段は、大型異物と微細藻類のコロニーとを分画するための第１のフィルタを有する第１ユニットと、小型異物と微細藻類のコロニーとを分画するための第２のフィルタを有する第２ユニットと、から構成される。第１の分離手段としての第１ユニットは、培地中の微細藻類のコロニーを含む固体成分を、大型異物からなる第１の画分と、微細藻類のコロニーからなる第２の画分と、に分離し、第２の分離手段としての第２ユニットは、小型異物からなる第３の画分を分離する。

第１のフィルタは、微細藻類のコロニーが通過でき、大型異物が通過できない、ポアサイズを有する。第２のフィルタは、小型異物が通過でき、微細藻類のコロニーが通過できないポアサイズを有する。

本発明の分離方法は、液体成分と小型異物以上の個体成分とを分離するための第３のフィルタを有する第３ユニット（第３の分離手段）を備えてもよい。第３のフィルタは、小型異物を通過しない超微細なポアサイズを有する。第３のフィルタによって固体成分が分離された液体成分はバクテリアを含まないろ過水であるため、微細藻類の培地用の水や逆洗水として再利用することができる。その際、水中に含まれるコロイド状物質をＰＡＣや硫酸バンド等の凝集剤を適用して沈殿させて除けばよい。

小型異物の中には、微細藻類の単細胞や、微細藻類のコロニーの断片、あるいは小型コロニーが含まれている可能性も高い。そこで、小型異物を廃棄する前に小型異物を種にして予備的な培養を行い、微細藻類のコロニーが増殖する場合には小型異物の培養液を破棄することなく、そのまま本格培養を継続し、培養液をバイオ燃料用の原料として再利用することができる。予備的培養によって、微細藻類のコロニーが確認できない場合には、小型異物は藻類以外のバクテリアを含む可能性が高いため、小型異物を含むろ過水を破棄する。予備的な培養とは、本格培養のための培養池ではなく、予備的な培養池等で行う比較的短期間の培養方法である。小型異物を微細藻類のコロニーの培養に利用することによって、微細藻類の培養を効率良く進めることができる。

本発明によれば、微細藻類を培地から純粋かつ収率よく分離できる分離方法及びそのシステムを提供することができる。

本発明に係る微細藻類の分離システムの一形態を示すブロック図である。

次に、本発明の実施形態について説明する。図１は微細藻類の分離システムの一形態を示すブロック図である。微細藻類の分離システムは、第１のフィルタを有する第１ユニット１０と、第２のフィルタを有する第２ユニット１２と、第３のフィルタを有する第３ユニット１４とをこの順に連結させた構成を備えている。

第１ユニット１０は、例えば、第１のフィルタを備えるドラムスクリーン装置から構成され、第２ユニット１２も同様に第２のフィルタを備えるドラムスクリーン装置から構成される。第３ユニット１４の第３のフィルタは超微細なポアサイズを有するために、ドラムスクリーン装置よりも例えば中空糸からなる精密ろ過膜のユニットから構成される。

第１のフィルタは、微細藻類のコロニーが通過でき、大型異物が通過できない、第１のポアサイズを有する。第１のポアサイズは、例えば、０．１〜１ｍｍである。第１のフィルタは、例えば、第１のポアサイズを有する金属製スクリーンから構成される。

第２のフィルタは、小型異物が通過でき、微細藻類のコロニーが通過できない第２のポアサイズを有する。第２のポアサイズは、例えば、２０〜５０μｍである。２０μｍ未満では、夾雑物としての種々のバクテリアを十分除けないおそれがある。一方、５０μｍを越えると、微細藻類のコロニーのうち小型のものが異物として除かれてしまうおそがある。第２のフィルタは、例えば、第２のポアサイズを有するナイロン製フィルタから構成される。

第３のフィルタは、小型異物を通過しない超微細な第３のポアサイズを有する。第３のポアサイズは、例えば、０．１μｍ程度である。材質は、例えば下水処理工程での膜ろ過で使われているPVDF（ポリフッ化ビニリデン）である。

次に、分離システムの動作について説明する。培養池からくみ上げられた培養液（培地）Ｓ１は、第３ユニット１４に供給される。第３ユニット１４は、中空糸膜によって、培養液を固体成分（小型異物、コロニー、大型異物）とろ過水Ｓ２に分離する。既述のとおり、液体成分には所定の浄化工程１６を行い、浄化水を培地用の水Ｓ３と逆洗用の水とに利用する。逆洗水Ｇ１は第３ユニット１４に供給され、逆洗水Ｇ１は中空糸膜外に付着した固体成分をブロアとともに剥ぎ取り、固体成分を含む処理水Ｙ１は第２ユニット１２に供給される。なお，Ｇ２は逆洗用の水として第２ユニット１２に供給される。Ｇ３も逆洗用の水として第１ユニット１０に供給される。

第２ユニット１２のロータリドラムには第２のフィルタが巻回されており、第３ユニット１２からの処理水Ｙ１が供給されると、第２のフィルタは既述の小型異物を通過させるため、処理水Ｙ１は、小型異物を含むろ過水Ｒ１と、第２フィルタを通過できないコロニー及び大型異物に分離される。小型異物を含むろ過水Ｒ１は、既述のとおり、予備培養の対象とされる。

第２ユニット１２には第３ユニット１４からの逆洗水Ｇ２が供給され、第２のフィルタに付着したコロニー及び大型異物からなる固形物はブロアと逆洗水Ｇ２によって逆洗され、固形物を含む処理水Ｙ２は、第１ユニット１０に供給される。

第１ユニット１０のロータリドラムには第１のフィルタが巻回されており、第２ユニット１２からの処理水Ｙ２が供給されると、第１のフィルタはコロニーを通過させ、大型異物を通過させないため、第１フィルタは処理水Ｙ２を、コロニーを含むろ過水Ｒ２と大型異物に分離する。コロニーを含むろ過水Ｒ２は、遠心分離されて、コロニーの凝集物が収集される。コロニーの凝集物は、バイオ燃料を生成するための次の工程に送られる。

第1ユニット１０には第３ユニット１０から逆洗用の水Ｇ３が供給され、第１のフィルタに付着した大型異物からなる固形物はブロアと逆洗水にＧ３よって逆洗され、大型異物を含む処理水Ｙ３は大型異物の廃棄工程１８に送られる。大型異物はサイズが大きく、脱水性に優れるため、天日乾燥などの乾燥工程を経て焼却処分される。

以上の工程によって、培養液から微細藻類の分離が終了する。微細藻類のコロニーが存在するろ過水Ｒ２には、大型異物及びバクテリアなどの小異物が含まれず、微細藻類の純粋な分離が行われる。また、小型異物を含むろ過水Ｒ１には微細藻類の細分化されたコロニーが含まれている可能性がある。微細藻類の細分化されたコロニーが予備培養によって確認されると、細分化されたコロニーを用いて微細藻類の本格培養が継続される。したがって、微細藻類の細分化されたコロニーが廃棄されず再利用されるため、微細藻類の収率が向上する。

予備的培養の一例は次のとおである。まず小型異物を含む固体成分を、培地で希釈するか、または第２のフィルタと同等のフィルタで濃縮して、培養中の微細藻類濃度と同等（おおむね１〜１０ｇ乾燥藻体/Ｌ程度）とし、２〜１０日程度培養する。この予備的培養によって、目的の藻体が増殖したかどうかは、顕微鏡で観察するなどして藻体の形態（細胞の形、コロニーの形、色など）から容易に判断できる。

なお、既述の実施形態では、培養液Ｓ１を最初に精密ろ過膜によって処理したため、ろ過水を第１ユニット１０と第２ユニット１２用の逆洗水として再利用することができる。なお、既述の実施形態では、培養液を第３ユニットに先ず供給し、次いで、第２ユニット、第３ユニットの順で培養液のろ過を進めたが、第１ユニット側から培養液をろ過するものであってもよい。

１０ 第１ユニット（第１分離手段）
１２ 第２ユニット（第２分離手段）
１４ 第３ユニット（第３分離手段）
Ｓ１ 微細藻類のコロニーを含む培養液
Ｓ２ 異物を含まないろ過水
Ｒ１ 小型異物（バクテリア、再分化されたコロニーなど）を含むろ過水
Ｒ２ 微細藻類のコロニーを含むろ過水

Claims (7)

1. 微細藻類を含む培養液を互いに異なる細孔径を持つ複数の分離手段を順番に通過させる第１の工程と、
   前記培養液を前記複数の分離手段を順番に通過させる過程で、前記微細藻類と異物とをサイズ別に順番に分画し、前記微細藻類のコロニーを前記異物から分画する第２の工程と、を含み、
   前記分離手段は、
   前記コロニーを通過させて、大型異物を通過させない細孔径を持つ第１のフィルタと、
   小型異物を通過させ、前記コロニーを通過させない細孔径を持つ第２のフィルタと、
   を備え、
   前記第２の工程は、
   前記第１のフィルタによって、前記大型異物と前記コロニーとを分画し、
   前記第２のフィルタによって、前記小型異物を分画する、
   微細藻類の分離方法。
2. 前記分離手段は、前記小型異物を通過させない細孔径を持つ第３のフィルタを備え、
   前記第２の工程は、前記第３のフィルタによって前記コロニー、前記小型異物、及び、前記大型異物を含まないろ過水を分画する、請求項１に記載の微細藻類の分離方法。
3. 前記小型異物を培養して、前記微細藻類のコロニーが成長するか否かを判定する工程を有し、当該コロニーが成長した場合には、前記第１の工程は、前記小型異物の培養液を前記複数の分離手段に適用する、請求項２に記載の微細藻類の分離方法。
4. 前記微細藻類がボツリオコッカス属のコロニー生産性の株である、請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の微細藻類の分離方法。
5. 前記第２の工程は、前記培養液を、前記第３のフィルタ、次いで、第２のフィルタ、次いで、第１のフィルタの順に通過させる、請求項２に記載の微細藻類の分離方法。
6. 前記ろ過水を前記第１のフィルタ及び第２のフィルタに逆洗用の水として供給する工程を含む、請求項５に記載の微細藻類の分離方法。
7. 微細藻類のコロニーを含む培養液を順番に処理して、前記コロニーと異物とをサイズ別に分画する、微細藻類の分離システムであって、
   互いに異なる細孔径を持つ複数の分離手段を備え、
   当該複数の分離手段は、前記コロニーを通過させて、大型異物を通過させない細孔径を持つ第１のフィルタと、小型異物を通過させ、前記コロニーを通過させない細孔径を持つ第２のフィルタと、を備え、
   前記第１のフィルタによって、前記大型異物と前記コロニーとを分画し、
   前記第２のフィルタによって、前記小型異物を分画する、
   微細藻類の分離システム。