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藻類バイオ燃料
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投稿者 sci 日時 2011 年 5 月 21 日 13:14:38: 6WQSToHgoAVCQ
 

藻類バイオ燃料

所属部署:産業グループ
氏名:菊川 篤
藻類バイオ燃料とは

藻類バイオ燃料(Algae biofuel)とは、藻類を原料として生産されたアルコール燃料や合成ガスのことです。化石燃料である石油はいずれ枯渇する可能性が高いことから、バイオ燃料は主に自動車や航空機の輸送用燃料の代替燃料として期待されています。

石油の起源については諸説ありますが、光合成によって植物や藻類から生産される有機物が酸素の少ない海底などの場所に堆積(たいせき)し、長い年月をかけて石油へ変化したと考えられています。藻類を利用してバイオ燃料を生産することは、地球が何億年もかけて作った石油を、科学の力により短時間で効率よく生産する革新的なプロセスであるといえます。
藻類バイオ燃料への期待

2005年〜2008年にかけて石油価格が高騰した際、トウモロコシやサトウキビなどの穀物を原料としたバイオ燃料の研究開発・実用化が進みました。しかし、穀物系バイオ燃料の需要が急増した結果、食料価格が高騰したこと、栽培に広大な土地が必要で、農業機械を動かし肥料、農薬、水などを投入するために非常に大きなエネルギーを必要とすることが問題となりました。そのため、穀物系バイオ燃料は代替燃料として適さないという意見も多く、米国などでバイオエタノールの生産に多額の補助金が投入されていることに強い批判が集まっています。2009年の主要国(G8)農相会合では非穀物系の次世代バイオ燃料を開発推進することが共同宣言にて採択されました。

非穀物系バイオ燃料の原料として、有力な候補の一つが藻類です。表に示すように穀物などの陸上植物を原料とする場合、1ヘクタール(ha)当たりの年間オイル生産量(面積収率)はアブラヤシの6.1キロリットルが最大であるのに対し、微細藻類では47.7〜143.1キロリットルと数十倍の面積収量とすることができ、効率の良い土地活用が可能となります。また、藻類を使用することで、通常の農業では使用できない耕作地が使用可能であり、穀物との競合を避けることができること、培養する際に排水、塩水などを利用することができるなどの利点もあります。

表:原料の種類によるオイルの面積収量比較

資料:Thomas F.Riesing(2006)「Cultivating Algae for Liquid Fuel Production」より日立総研作成

藻類をバイオ燃料とする研究は、1970年代から米国エネルギー省を中心として進められてきました。同省は、「National Algal Biofuels Technology Roadmap」をまとめ、藻類バイオ燃料に関する基盤技術、将来の展望や技術課題などを公表しています。さらに、藻類バイオ燃料の商業化に向けて最大2,400万ドルの助成金を提供し、3つの研究コンソーシアムを援助するなど、藻類バイオ燃料に対する研究開発や関連民間企業への投資に積極的です。

商業化では米国の後塵を拝していますが、日本でも藻類バイオ燃料に関する研究は盛んになっています。JX日鉱日石エネルギー(旧 新日本石油)、日立プラントテクノロジーとユーグレナの3社による共同研究や筑波大学、豊田中央研究所、デンソー、出光興産などからなる「藻類産業創成コンソーシアム」が発足しており、研究・実用化の検討が進められています。
有機排水を利用したオイル生産を可能とするオーランチオキトリウム

2010年12月に筑波大学で開催された「第一回アジア・オセアニア藻類イノベーションサミット(The 1st Asia-Oceania Algae Innovation Summit)」にて筑波大学 渡邉信教授らの研究グループにより発表されたのが、オイル生産効率の高い藻類「オーランチオキトリウム(Aurantiochytrium)」です。オーランチオキトリウムの特徴はその増殖スピードにあります。これまで検討されてきたボトリオコッカス・ブラウニー(Botryococcus braunii、以下ボトリオコッカスと略す)は増殖スピードが遅く、オイル生産コストは1リットル当たり約800円であり、1リットル当たり約50円の重油と比較して高コストでした。しかし、オーランチオキトリウムは、オイル含有量はボトリオコッカスの3分の1にとどまるものの、ボトリオコッカスの36倍の速さで増殖するため、オイル生産効率は単純計算でボトリオコッカスの12倍となります。

オーランチオキトリウムは光合成を行わない従属栄養生物と呼ばれる藻類で、周囲の有機物を取り込むことでオイルを生産します。そのため、下水などの有機排水に対して活性汚泥としてオーランチオキトリウムを投入することで、オイル生産と同時に水の浄化ができる可能性があります。

下図は筑波大学 渡邉信教授が提唱する排水処理とオイル生産を兼ね備えたシステムで、主な工程は以下の通りです。

家庭や工場から出る有機排水に含まれる固形物を凝集沈殿させる
得られた一次処理水の中にオーランチオキトリウムを投入し、オイルを生産する
オイル抽出後の二次処理水に対し、ボトリオコッカスを用いた光合成によるオイル生産を行う

有機排水中の有機物除去を行う際に、有機物を栄養としてオイル生産を行うオーランチオキトリウムと、光合成によりオイル生産を行うボトリオコッカスを、段階的に使用することでオイル生産効率を高めた点にこのプロセスの特徴があります。また、オイルを抽出した後に残るオーランチオキトリウムやボトリオコッカスは、メタン発酵に利用したり家畜の飼料とすることができます。
http://www.hitachi-hri.com/image_hri/content/k70_2.jpg

資料:各種公表資料より日立総研作成
図:筑波大学 渡邉教授が提唱する排水処理とオイル生産システム
実用化へ向けた課題

筑波大学 渡邉信教授によるとオーランチオキトリウムによるオイル生産の実用化は、10年後をめどに実現する見込みです。実用化に向けた課題は、図に示した「培養」「収穫」「抽出」「精製」を含め、さまざまな工程にあります。

例えば「培養」ですが、微細藻類はあらゆる場所に存在するため、ほかの種類の藻類が混入し、繁殖しないようコントロールし、オーランチオキトリウムのみを培養することは容易ではありません。また、藻を培養装置内で攪拌(かくはん)する際に多くのエネルギーが消費されるため、最適な培養システム・培養装置を設計しなければなりません。藻を収穫し、オイルを抽出する場合にも、エネルギー消費を抑えたプロセスを構築する必要があります。

藻類バイオ燃料を実用化するためには、今後大規模商業化に向けた研究開発と実証(RD&D)が必要であり、米国エネルギー省が行っているような官民一体となった規格や基準作りなどの支援が求められます。

現時点では、技術的な課題は多く存在しますが、藻類を原料とするオイル生産を排水処理プロセスに適用することができれば、排水処理の省エネルギー化と輸送燃料代替の両面で、日本のエネルギー自給率の改善に貢献し、世界におけるエネルギー資源の偏在に対する解決策の一つとなり得る可能性を秘めています。
http://www.hitachi-hri.com/research/keyword/k70.html  

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コメント
 
01. 2011年5月22日 13:20:39: TiBfDQzQsI
オーランチオキトリウムは、藻類に分類されません。
ストラメノパイルのラビリンンチュラ(ヤブレツボカビ)の仲間です。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A9%E3%83%93%E3%83%AA%E3%83%B3%E3%83%81%E3%83%A5%E3%83%A9

http://www.maekawabio.org/aurantio.pdf


02. 2011年5月22日 14:37:27: mHY843J0vA
ラビリンチュラ自体が、ストラメノパイルという藻類の分類群に属しているようですね


http://zoomxx.blog9.fc2.com/blog-entry-2971.html
──オーランチオキトリウムは従属栄養、つまり光合成を行わず、有機物をエサにして呼吸するわけですよね。これは、藻類と言えるのでしょうか? 光合成を行うことが藻類の条件かと思っていたのですが。

オーランチオキトリウムは広い意味での藻類に含まれます。これは、進化系統から見るとよくわかります。クロロフィルaを持つ生物のうち、最も原始的なのがラン藻です。このラン藻を色素体として取り込み、緑藻類、紅藻類、灰色藻類の仲間が誕生しました。緑藻類を取り込んで生まれたのがミドリムシなど。紅藻類を取り込んだのが褐藻類、つまりコンブやワカメ、それに珪藻類の仲間です。

色素体を取り込んだ側の生物は、元々は色素体を持っていませんでした。コンブやワカメと近縁の(色素体を取り込まなかった)生物が進化して、ラビリンチュラ類という原生生物になりました。ラビリンチュラは、ストラメノパイルという藻類の一大分類群に属しています。藻類と一口にいっても、色素体を持っているもの、持っていないもの、持っていたけどなくして無色になったものなどが入り混じっています。

ラン藻は真正細菌(バクテリア)ですが、オーランチオキトリウムはバクテリアではありません。コンブやワカメに近いものをバクテリアとかカビとは言えないでしょう。


──藻類の分類は、ここ数十年で大きく変化しましたね。

DNAによる解析が進む前は、オーランチオキトリウムを含むラビリンチュラ類はカビやキノコ等の菌類の仲間にされていましたが、その当時からラビリンチュラは藻類ではないかという意見が出ていました。ラビリンチュラは生活環の中で長さの異なる2本の鞭毛を持つのですが、これはコンブやワカメの鞭毛をもつステージの細胞と形態が同じなのです。

ちなみに進化系統樹では、カビ/キノコはラビリンチュラより、ずっと人間に近いんですよ。


──今回採取されたのは、オーランチオキトリウムの「株」という表現をされていますが、これは新種ではないのでしょうか? 同じ種でオイルの生産効率が10倍も違うなんてことがあるんでしょうか?

オーランチオキトリウム属であることは確認しています(生物の分類は、上位から順に「界」「門」「綱」「目」「科」「属」「種」となる)。新種かどうかはさらに細かな検証が必要ですから、もう少し時間をください。

ただ、微生物の場合、同じ種でも特性は大きく異なります。ボトリオコッカスでいえば、オイルの生産量にしても乾燥重量当たり2%から80%くらいの開きがあります。大腸菌なんて、あれほど多様なのに全部同じ種ですよ。人間のように大型の生物になると同じ種での変異は小さくなりますが、微生物は同じ種でも幅が大きいのです。


■有機排水をエサとして、オイルを生産する

──オイル生産効率の高いオーランチオキトリウムが採取されたことで、バイオ燃料の研究も一気に弾みが付きそうですね。生産効率やコストはどれくらいでしょう? 光合成する藻類とは培養の仕方もまったく変わってくると思いますが。

その辺の話は、まだ先の段階ですね。光合成の藻類を使うにせよ従属栄養藻類にせよ、まだ研究室レベルのデータを元に推測しているに過ぎず、実規模でのデータがないのです。

これまではどんなにラフに計算をしたとしても、コスト的に絶対に実用化できませんでした。そこに高い潜在能力を持ったオーランチオキトリウムが見つかり、実用化できる可能性が見えてきたということです。

芝居を上演するためには、役者、舞台、脚本が必要です。これまでは役者が揃っていなかったけれども、ようやくスターになりうる素晴らしい役者が見つかった。こんなに素晴らしい役者がいるのだから舞台作りにみなさん投資してください、というのが今の段階です。

日本には優れた技術がありますから、頑張れば舞台を作っていけるでしょう。そのためにも採算が取れる仕組みをどう作るのか、という脚本作りが重要になってきます。


──どういう脚本を考えられているのでしょう? 光合成するボトリオコッカスと、従属栄養のオーランチオキトリウムを組み合わせたりするんでしょうか?

まず、この世界にある有機物がどうやって作られたかを考えてみましょう。それらは植物の光合成により、二酸化炭素と太陽光、水、無機塩類から作られました。そして、有機物が循環する過程では必ず人間が介在しています。その結果、有機物を含んだ排水、有機排水が家庭や工場から大量に出てきます。これをオーランチオキトリウムのエサとして利用しようというのが、私の考えです。

現在、下水等の有機排水を処理するためには、最初に固形物を沈殿させ、その後の一次処理水に活性汚泥というバクテリアの塊を投入しています。一次処理水には有機物が多く含まれていますから、活性汚泥の代わりにオーランチオキトリウムを投入すれば、オーランチオキトリウムが排水中の有機物をエサとして炭化水素を作ることになります。

オーランチオキトリウムが処理した後の二次処理水には、窒素とリンが大量に残っていますから、この二次処理水にボトリオコッカスを投入し、やはり炭化水素を作らせます。

炭化水素を抽出した後のオーランチオキトリウムやボトリオコッカスは、動物の飼料やメタン発酵に利用できるでしょう。


──オーランチオキトリウムはどんな有機物でも分解できるんでしょうか?

オーランチオキトリウムには、セルロースを分解して増殖するものもいます。今後は、こうしたエサの多様性を探る基礎研究も進めていかなければなりません。排水の処理過程でできてくる余剰活性汚泥は少なく見積もっても4億トン以上ありますが、現在は燃やして灰にしコンクリートにまぜて使っています。


──有機排水を利用できれば理想的ですね!

これは特段新しい発想というわけではないんですよ。水処理プロセスに藻類生産を組み込んで統合すべきという考えは、10年以上前にアメリカのエネルギー省の報告書で提案されています。この分野に関して日本はあまりにも出遅れています。


──藻はどのように培養するのでしょう?

光合成をしないオーランチオキトリウムの場合は、地下に閉鎖系の培養環境を作るのがよいでしょう。地下なら冬場でも15〜20℃くらいで水温は安定しており、15℃なら6時間、20℃なら4時間で倍に増えます。オーランチオキトリウムには光を当てる必要がないため、広い面積が必要ありません。工場のすぐ横にオーランチオキトリウムの培養タンクを設置して、工場の排熱を利用するといった方法も使えそうです。現在、発酵微生物で使われているノウハウや設備をそのまま流用できますから、研究は加速度的に進むのではないでしょうか。

光合成するボトリオコッカスの場合は、休耕田のような開放系で培養するか、人工的に光を当てる閉鎖系で培養することになります。開放系はコストが少なくて済むというメリットの反面、他の微生物が混入するなど環境制御が難しいという問題点があります。一方の閉鎖系は、環境制御が簡単ですがコストがかかります。開放系のデメリットは、特殊な環境で生きるように藻を品種改良することで解決できるかもしれません。例えば、塩分濃度が海水の2倍という環境で生きられるようにすれば、他の微生物の混入を防げるでしょう。閉鎖系に関しても、使い捨てのソフトプラスチックバッグを使ってコストを下げる方法が研究されています。

ボトリオコッカスに関して言うと、開放系の可能性を試してみたいですね。実は、自然界でボトリオコッカスが大量発生することがあるのです。このメカニズムを解明できれば、休耕田を使って低コストでボトリオコッカスを培養できるかもしれません。


■バイオ燃料でエネルギーが無尽蔵の世界を実現する

──実用化の課題としては、どのようなものがありますか?

バイオ燃料を実用化するための舞台は、生産、収穫、抽出という3つのステージに分かれます。

生産での難関は「攪拌」(かくはん)、つまり藻を培養槽の中でかき混ぜることです。下手すると、全工程の半分以上のエネルギーが攪拌に費やされますから、ここでのエネルギー消費をいかに抑えるかが課題になります。

次の収穫も全工程の20〜40%のコストを消費すると言われています。凝集沈殿、遠心分離、フィルターなど、さまざまな手法がありますが、まだ実験室レベルでしか検証されていません。凝集沈殿なら投入した凝集剤をどう回収するか、遠心分離はエネルギーをどう抑えるか、フィルターはコストをどう下げるか。

最後の抽出にしても、実験室のように溶媒を使って単純に抽出するというわけにはいきません。溶媒を回収する必要があります。藻を乾燥させてオイルを抽出するとなると、そのためのエネルギーコストもかかります。

この辺りの技術開発を行うのは大学では無理ですから、産業界の協力が必要になります。


──こうした実用化の課題には、どの研究機関や企業も直面しているわけですね。アメリカでは、バイオ燃料のベンチャー企業に莫大な投資が行われて実用化を進めています。

昨年、アメリカのエネルギー省は"National Algal Biofuels Technology Roadmap"を発表しました。これは、さまざまな分野の学者を集めてワークショップを開催し、その議論をまとめたものです。とてもレベルの高い資料ですが、残念ながら日本ではこういうものを作ろうともしていません。

オーランチオキトリウムという、素晴らしい役者が登場したわけですから、きちんと脚本を練って、舞台を作っていかなければなりません。そういう取り組みをしないとどうなると思いますか?


──中国やアメリカが買いに来る?

そう、大事な技術やノウハウが海外に流出してしまいます。


──アメリカは新しい技術に対する投資の仕方が大胆ですよね。100のベンチャーにまとめて投資して、そのうち1つが大成功すればいいという。

そういうやり方でいいんです。世界で消費されている原油が50億トン、1リットル当たり50円としたら、250兆円の市場がすでに存在するわけです。バイオ燃料は、ものすごくリターンの大きい世界なんですよ。

それは日本が産油国になるということだけではありません。世界のパワーバランスすら変える可能性を秘めています。


──エネルギー資源が特定の地域、国に偏るのではなく、遍在するということですね。

そういうことです。技術さえあれば、誰もがエネルギーを手に入れられるようになります。

私は、エネルギーが潤沢になることで、世界が抱える問題のかなりの部分を解決できるのではないかと考えています。人類をエネルギー資源の制約から解放する、これこそが、全人類が待ち望んでいるイノベーションではないでしょうか?


03. 2011年5月22日 16:42:57: TiBfDQzQsI
了解しました。

私は、古い分類で考えたようですね。ただ、分子系統解析的には、
そうなのですが。古い私には、なんとなく納得できないところはあります。

下記のような意見もあります。

「2010年、オーランチオキトリウムという生物が石油を生産するとして話題
となった。その際、マスコミではこの生物は藻類の一つとして紹介された。
そのために、光合成をするという誤解を生じた部分がある。
ところが、この生物は腐食性なのである。実のところ、これの属する
ラビリンチュラ類は、かつては菌類に分類されていたもので、
後にクロムアルベオラータに含まれるものであると判明した。
したがって、生活の形態から言えば、菌類と言うべきなのだが、
その系統の主要な構成員部分が藻類であるため、藻類扱いされてしまった
ものである。」

趣旨は、分類ではないようなので、ここでやめておきます。

糖などの有機物から、油を作る点では、バイオエタノールと近いところも
あると思っています。
5年ほど前から、オーランチオキトリウムを用いたDHAが大量発酵生産されており、
その実力は知られたところです。
私は、酵母などを使ったバイオエタノールよりも、生産性が落ちると思います。
まだまだ、コストのハードルは高いと考えています。


04. 2011年5月23日 05:43:42: wGaSu5Yb0U
巷では、1ヘクタール当たり1万トンの燃料油が得られると噂されているが、その根拠があれば示して欲しい。

05. 2011年5月23日 23:39:41: LNnJKIOHb6
1ヘクタール当たり1万トンはありえないと思います。
1ヘクタールは、10000m2ですから1m2あたり1トンとなります。
これって、1m3の重さと同じになります。

06. 2011年5月25日 10:31:13: rWmc8odQao
「年間」1万トンだから、繁殖させては掬い、繁殖させては掬い、を繰り返すのでは?
http://www.asahi.com/science/update/1214/TKY201012140212.html

07. 2011年5月25日 17:48:58: CZYElXyk0o
台所用品だけでリッター100円以下でバイオエタノール作ろうと思えば作れるよ
http://d.hatena.ne.jp/mytestdone/20110429/1304030339

エタノールで車を走らせるにはE85エンジン改造キット(1万円)とかいうのが必要みたいだけど。もちろん改造してもガソリン単独でも走るそうだよ


08. 2011年5月26日 16:59:19: AQqyLULhMc
トウモロコシやサトウキビと比較したり、1ヘクタール(ha)当たりの年間オイル生産量を示したり
しているので、ついこの藻類も自分で太陽光のエネルギーをもとに油を合成するのかと思ってしまうが、
よく読むと、有機物から油を作るので別に原料として有機物が必要であることが判る。
汚水処理に利用するなら原料はタダかもしれないが、もっと生産しようとすれば原料を確保しなければ
ならない。
有機物はもともと植物が別の土地で光合成して作ったものなので、その土地面積を除いて、
この藻類が必要とする面積だけを数値としてトウモロコシやサトウキビと比較するのはフェアでないのでは?

09. 2011年5月26日 19:23:39: Pj82T22SRI
>>08

純粋なエネルギー生産というよりも
廃水処理コストの削減や環境負荷の低減が重視されているようだ
処理にもエネルギ-や人手、設備などのコストが必要なことを考慮すれば
複合システムとして採算がとれ易くなるということだろう


>家庭や工場から出る有機排水に含まれる固形物を凝集沈殿させる
得られた一次処理水の中にオーランチオキトリウムを投入し、オイルを生産する
オイル抽出後の二次処理水に対し、ボトリオコッカスを用いた光合成によるオイル生産を行う


10. 2011年5月26日 21:38:20: TiBfDQzQsI
オーランチオキトリウムは、廃水処理場(オープン)で使うことは無理ですよ。
コンタミ菌のほうが、圧倒的に優先種になります。

では、滅菌して、タンクで培養するのですか。コストは、、、。


11. 2011年5月27日 06:36:09: wGaSu5Yb0U
>08

鋭いご指摘です。
廃水活用で一石二鳥と言われていますが、商業的に生産するとなるとご指摘のように原料をどうして調達するかが問題ですね。
結局バイオエタノールと同じような生産性、ということになるような気もします。


12. 2011年5月30日 13:48:47: CZYElXyk0o
マスゴミが大騒ぎしてた
常温核融合と同じになる予感がしますねえ

13. 2011年6月13日 10:10:32: 7WZekNACgc
08さん

昨日読売テレビの番組でオーランチオキトリウムが紹介されていました。
有機オイル製造能力は凄いので、計算上は1ヘクタール当たり1万トンということです。
06さんの言うように、繁殖させては掬い、繁殖させては掬い、を繰り返すのだそうです。
しかし、餌は当面廃水を利用するとしても、商業的には不足するので、餌として別種の藻類(光合成する種)を養殖する、ということでした。
ですから、システム全体の生産性は、この餌となる藻類の生産性以上にはなりませんね。どう考えても。


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