藻類バイオリアクター
微細藻類または大型藻類の栽培に使用される装置
微細藻類のクローズアップ -パブロバ属

藻類バイオリアクターは、微細藻類や大型藻類の培養に用いられる。藻類は、バイオマス生産（海藻栽培機など）、廃水処理、二酸化炭素固定、あるいは藻類スクラバーとして水槽や池の濾過に利用される。[1]藻類バイオリアクターは設計が大きく異なり、大きく分けて開放型リアクターと密閉型リアクターの2種類がある。開放型リアクターは大気にさらされるが、密閉型リアクター（一般的にフォトバイオリアクターとも呼ばれる）は大気から様々な程度に隔離されている。具体的には、藻類バイオリアクターは、バイオディーゼルやバイオエタノールなどの燃料の生産、動物飼料の生成、あるいは発電所の排ガス中のNO xやCO 2などの汚染物質の削減に利用できる。基本的に、この種のバイオリアクターは光合成反応に基づいています。光合成反応は、クロロフィルを含む藻類自身が溶存二酸化炭素と太陽光を利用して行います。二酸化炭素は、藻類が利用できるようにリアクター液中に分散されます。バイオリアクターは透明な材料で作られている必要があります。

歴史的背景

最初の微細藻類の培養は、1890年にオランダの微生物学者マルティヌス・ベイエリンクによって単細胞のクロレラ・ブルガリス（Chlorella vulgaris）が行われた。その後、第二次世界大戦中、ドイツはタンパク質補給源として利用するため、開放池を用いた藻類の培養を促進した。 [2]藻類の培養を目的とした最初の実験のいくつかは、1957年にワシントンのカーネギー科学研究所によって行われた。これらの実験では、単細胞のクロレラが二酸化炭素といくつかのミネラルを添加して培養された。この研究の目的は、藻類を培養して安価な飼料を生産することであった。[3]

微細藻類の代謝

藻類は主に真核生物の光 独立栄養生物であり、酸素発生型光合成を行います。これらの種類の藻類は、色を与える集光性色素によって分類されます。[2]緑藻類としても知られる緑藻類は、成長速度が速く、さまざまな環境に耐える能力があるため、バイオリアクターでよく使用されます。藍藻類はシアノバクテリアとしても知られ、核がないため原核生物の光独立栄養生物に分類されます。光は、細胞が CO2 、窒素、リン、その他の必須栄養素を代謝するために必要な必須エネルギーを提供します。光の波長と強度は非常に重要な要素です。[4]利用可能な CO2も成長に重要な要因であり、大気中の濃度が低いため、以下のバブルカラム PBR に見られるように、補助的な CO2 を追加することができます。微細藻類は、飢餓状態においても過剰な窒素とリンを吸収する能力を有しており、これらは脂質とアミノ酸の合成に不可欠です。高温とpH7以上9以下も、一般的な要因です。[4]これらの要因は種によって異なる可能性があるため、あらゆる種類のバイオリアクターを設計する際には、適切な環境条件を整えることが重要です。

バイオリアクターの種類

バイオリアクターは、開放型システムと光バイオリアクター（PBR）の2つのカテゴリーに大別されます。これら2つのリアクターの違いは、周囲の環境への露出度です。開放型システムは大気に完全に露出しますが、PBRは大気への露出が極めて限定的です。

一般的に使用されるオープンシステム

ニュージーランドのクライストチャーチにあるブロムリー廃水処理施設のレースウェイ池は藻類の栽培に使用されています。

シンプルな池

最もシンプルなシステムは、生産コストと運用コストが低く抑えられます。池には藻類バイオマスの沈殿を防ぐため、回転ミキサーが必要です。しかし、これらのシステムは環境制御が不十分なため、汚染されやすい傾向があります。[5]

レースウェイ池

レースウェイ池は、単純な池を改良したもので、外輪を用いて水流を特定の方向に動かします。[6]この池は、二酸化炭素やその他の栄養素を池に供給しながら、継続的にバイオマスを収集します。通常、レースウェイ池は水深が浅いため、非常に大きな池となります。[5]

その他のシステム

あまり一般的ではないシステムとしては、傾斜カスケードシステムがあります。これは、流れが重力によって貯留タンクに送られ、そこからポンプで再び汲み上げられて再び循環するシステムです。このシステムは高いバイオマス密度を実現できますが、運用コストが高くなります。[7]

一般的に使用される光バイオリアクター（PBR）

現在、藻類光バイオリアクターは 3 つの基本的なタイプに区別する必要がありますが、決定要因は統一パラメータ、つまり利用可能な太陽光エネルギーの強度です。

微細藻類やその他の光合成生物の培養用のプラスチックプレート型光バイオリアクター。動作容量は500リットルです。

平板PBR

プレートリアクターは、傾斜または垂直に配置された半透明の長方形の箱で構成され、多くの場合、リアクター流体の撹拌に影響を与えるために2つの部分に分割されています。通常、これらの箱は連結することでシステムとして配置されます。これらの接続は、充填/排出、ガスの導入、栄養物質の輸送プロセスにも使用されます。排気ガスの導入は、主に箱の底部で行われ、二酸化炭素がリアクター流体中の藻類と十分に反応する時間を確保します。通常、これらのプレートは両側から照明され、高い光透過性を備えています。平板設計の欠点は、圧力耐性が限られていることと、必要なスペースが大きいことです。[8]

微細藻類やその他の光合成生物の培養のための管状ガラスフォトバイオリアクター。運転容量は4000リットルです。

チューブラーPBR

管状反応器は、垂直または水平に配置された管を連結したもので、その管内を藻類懸濁液が循環する。管は通常、透明なプラスチックまたはホウケイ酸ガラスで作られており、システムの末端に設置されたポンプによって一定の循環が維持される。ガスの導入は、管システムの末端または始端で行われる。このガス導入方法は、循環中にユニット末端で二酸化炭素欠乏と高濃度酸素が発生するという問題を引き起こし、最終的にプロセスを非効率にする。また、管壁に微細藻類が繁殖すると、光の透過が阻害されることもある。[8]

バブルカラムPBR

垂直気泡柱。藻類を利用してCO2排出量を削減する EAFIT 大学のプロジェクト。

気泡塔型光反応器は、透明な材料で作られた垂直に配置された円筒形のカラムで構成されています。ガスはカラムの底部から導入され、乱流を発生させることで最適なガス交換を可能にします。また、気泡は天然の撹拌機としても機能します。光は通常、カラムの外側から供給されますが、最近の設計では、光の分布と透過率を向上させるために、カラムの内側にも光が導入されています。[8]

産業用途

光バイオリアクターによる藻類の培養は、限られた範囲の産業応用の可能性を生み出します。培養されたバイオマスには、環境改善、バイオ燃料生産、食料/バイオ飼料への利用など、3つの一般的な利用経路があります。[9]一部の電力会社[10]はすでに、藻類光バイオリアクターを用いた研究施設を設立し、排ガスに含まれるCO2排出量の削減効果やバイオマス生産量を調べています。藻類バイオマスには多くの用途があり、販売することで追加収入を得ることができます。削減された排出量は、他の電力会社に排出権を販売することで収入を得ることもできます。[11]近年、世界中で、より持続可能な方法の一つとして、排水処理における藻類の利用に関する研究が行われています。[12]

藻類を食料として利用することは東アジア地域で非常に一般的であり[13]、その高価値製品のために、世界中で原料や医薬品への利用が広がっています。[9]ほとんどの種は、利用可能なタンパク質と炭水化物のほんの一部しか含まず、ミネラルと微量元素を多く含んでいます。一般的に、藻類の摂取は、ヨウ素含有量が高く、特に甲状腺機能亢進症の患者には問題があるため最小限に抑える必要があります。同様に、珪藻類の多くの種は、人体にとって安全ではない化合物を生成します。[14]藻類、特に50％を超える油と多量の炭水化物を含む一部の種は、画分を抽出して精製することで、バイオディーゼルとバイオエタノールの製造に使用できます。藻類バイオマスは、バイオディーゼルの製造に一般的に使用される一部の農業バイオマス[15]よりも30倍速く生成されます。

マイクロジェネレーション

ハンブルクのバイオ知能指数（BIQ）ハウス

2013年にドイツで建設されたBIQハウス [de] [16] [17]は、ガラスファサードパネルを使用して微細藻類を栽培する実験的なバイオニックハウスのショーケースです。[18] パネルが加熱されると、熱交換器を通じて熱エネルギーを抽出し、建物に温水を供給することもできます。[18]この技術はまだ初期段階にあり、幅広い用途にはまだ適していません。

米国モンタナ州のグリーンパワーハウスでは、新たに開発された藻類養殖技術を採用し、太陽光と製材所から出る木質廃棄物を利用して、AACTの床を覆う8つの藻類池に栄養分を供給するシステムを構築しました。[19]藻類ファサードの課題としては、微細藻類パネルの耐久性、メンテナンスの必要性、建設費と維持費などが挙げられます。[20]

2022年には、ある企業が持続可能なエネルギー生成のために藻類バイオパ​​ネルを開発していると報道されましたが、実現可能性は不明でした。[21] [22]

参照

参考文献

  1. ^ Zhu, Yunhua; Schmidt, Andrew J.; Valdez, Peter J.; Snowden-Swan, Lesley J.; Edmundson, Scott J. (2022-03-21). 廃水培養微細藻類の熱水液化と改良：2021年技術動向（報告書）. パシフィック・ノースウェスト国立研究所（PNNL）, リッチランド, ワシントン州（米国）. doi :10.2172/1855835. OSTI  1855835.
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さらに読む

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  • 起業家が投資家を殺した方法。2016年8月18日
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