成果報告書詳細
管理番号20120000000472
タイトル平成22~23年度成果報告書 バイオマスエネルギー技術研究開発 戦略的次世代バイオマスエネルギー利用技術開発事業(次世代技術開発) 共生を利用した微細藻類からのバイオ燃料製造プロセスの研究開発
公開日2012/8/9
報告書年度2010 - 2011
委託先名JFEエンジニアリング株式会社 国立大学法人筑波大学
プロジェクト番号P10010
部署名新エネルギー部
和文要約バイオマス燃料の製造プロセスに関して、微細藻類を用いる方式がトウモロコシなどを用いる方式と比較して、単位面積当りの油分生産性が格段に高いことから注目されている。しかしながら、実用化に向けては製造コストの低減が必要であり、更なる油分生産性の向上が求められる。
本研究開発では、微細藻類による油分生産性を向上させるために以下の2点の取り組みを行った。1.微細藻類と微生物との共生の利用
従来、藻類は光合成によって培養密度が高まると自らが排出する老廃物などの有機物や酸素によって増殖が阻害されていた。本研究では、上記の阻害物を分解する微生物を共生させることによって、微細藻類の培養濃度の高濃度化を図る。
ボトリオコッカスの新規優良株を自然界からスクリーニングする過程において、ボトリオコッカスの増殖効率をバイオマス換算で6倍以上向上させるポテンシャルを持つ新規細菌を東南アジアのため池から分離することに成功した。
この細菌は通常の従属栄養培地で増殖が見られず、ボトリオコッカスのコロニー外縁にバイオフィルム様のコロニーを形成していること従属栄養培地で増殖が見られなかったこと、16S rDNAの遺伝子解析の結果が既知記載種と低い相同性しか示さず、かつ近縁配列が全て環境クローンであったことなどから、ボトリオコッカスと密接な共生関係にある新属新種細菌であると考えられる。
本細菌は同地点から単離したボトリオコッカスの新規株Ba10に共存した状態で培養を維持しているが、この細菌との共存下でのBa10株の比増殖速度は我々のグループの持つベンチマーク株Bot-22とほぼ同等である。抗生物質(アンピシリン)の添加によりBa10株の共生細菌を死滅させた予備培養実験を行った結果、共生細菌の非存在下ではバイオマス収量が共生細菌の存在下と比べて約6分の1に抑えられることがわかった。
この結果は、今回発見した共生細菌がボトリオコッカスの増殖を促進する効果があることを示唆する。
2.有機物を用いて増殖、脂質合成を行う資化反応の利用
従来の光合成培養と異なり、光透過率が低い場合にも効率的な培養が可能であり、培養水深の深化や培養濃度の増大が可能になる。
本研究では技術調査や海外調査に基づいて、焼酎廃液を用いたEuglenaによる油分生産システムを検討し、以下の結果を得た。
1)ビーカー培養実験において、油分生産性は光合成+資化培養の場合32L/m2/y、資化培養の場合200L/m2/yと目標値25L/m2/yを達成した。資化培養においては、培養に光を必要としないため水深が深い培養槽を適用出来ることから、培養面積あたりの油分生産性が高い値に試算された。
2)焼酎廃液の濃縮水を用いた100L培養実験において、油分生産性は資化培養の場合に30L/m2/yの値が得られ、目標値25L/m2/yを達成した。油分生産性がビーカー実験に対して低下した原因は、コンタミネーションによる影響の可能性がある。
3)有機物分解率に関しては、100L培養実験においてTOC分解率として最大で65%という値が得られた。
4)脱水試験において、遠心脱水による藻類の回収率は85%であった。一方、抽出試験において、ヘキサン抽出による回収率として82%という値が得られた。
5)培養槽の省エネ化の観点から、水流を用いた低動力攪拌技術やCO2無気泡溶解技術の有効性について見込みを得た。
6)残渣処理に関して、メタン発酵適用の可能性があることが示された。また、消費エネルギー量およびCO2収支の観点から見た場合、メタン発酵と焼却処理の相対比較結果が、残渣性状および収集運搬の距離によって変わることが示された。また、抽出残渣には有害物が含まれておらず、飼料化についても適用可能性のあることが示唆された。
7)全体システムのCO2収支を検討した結果、CO2排出量が吸収量を上回った。また、運転費について事業性を検討した結果、資化によって油分生産性の向上は達成されたが、有機廃液を利用するために培養工程の排水処理に費用がかかるという試算結果が得られた。焼酎廃液利用の際に処理委託費を受け取り、微細藻類の培養およびバイオ燃料の製造を行う場合には、既存排水処理システムに比べて収益が良くなるという試算結果が得られた。

今後の課題としては、下記が挙げられる。
1) 実用化のためにパイロット規模での実験を通じた培養リアクターの設計諸元の決定および運転管理ノウハウの蓄積が必要である。
2)CO2収支を改善させるため、培養や脱水、抽出工程において更にエネルギー消費量を低減することが望ましい。
英文要約In this R&D, we investigated the following two methods to improve efficiency of lipid synthesis by microalgae.
1.Use of symbiosis of bacteria with microalgae
Despite the potential utility of mutualistic relationships between algae and bacteria to promote the growth of algal culture, symbiotic bacteria have rarely been explored for Botryococcus. In this study, we have identified a possible ectosymbiotic bacterium from a strain of Botryococcus braunii isolated form the pond in Myanmar. Growth yield of symbiosis of Botryococcus and this bacterium was 6 times higher than that of the antibiotics-treated strain. Thus, the ectosymbiotic bacterium enhances the growth of Botryococcus. This bacterium cannot grow in the standard medium for heterotrophic bacteria, suggesting that it could survive under the symbiotic relationship of Botryococcus. Culture-independent DNA sequence analysis using the ribosomal RNA gene indicated that this bacterium is affiliated into a clade consisting of uncultured bacterial sequences within α-proteobacteria. In silico survey of the DNA databank revealed that most of members belonging to this phylogroup are isolates from eutrophic water environments. A specific association of some members with bloom-forming algae was also suggested.
2.Use of both heterotrophic growth of algae and lipid synthesis in microalgae
 In this R&D, we constructed biofuel production system using Euglena cultivated with Shochu Wastewater based on previous researches in Japan and Overseas. And the outputs of this R&D can be summarized as follows;
1)In the cultivation with beaker scale experiments, the biofuel productivity per unit area was 32L/m2/y in the case of mixotrophic (heterotrophic and autotrophic) growth, and 200L/m2/y in the case of heterotrophic growth. We could achieve the target value of 25L/m2/y. The biofuel productivity per unit area in the case of heterotrophic growth was calculated higher than those in the case under mixotrophic condition because in the case of heterotrophic growth, microalgae can be cultivated efficiently even at low light level, so the depth of bioreactor could be increased.
2)In the cultivation of 100L bioreactor using concentrated Shochu Wastewater, the biofuel productivity per unit area was 30L/m2/y in the case of heterotrophic growth. We could achieve the target value of 25L/m2/y. The reason why the biofuel productivity in 100L bioreactor decreased compared with the productivity in beaker scale experiments was possibly due to the influence of contamination.
3)As for organic matter decomposition rate, the decomposition rate of TOC was 65% by the cultivation in 100L bioreactor using concentrated Shochu Wastewater.
4)In the test of the dehydration, the yield of microalgae was 85%, and in the test of the extraction by n-hexane, the yield of biofuel was 82%.
5)By the study of configuration of bioreactor, the application of the technology of stirring by stream of water and non-bubble dissolution method of carbon dioxide seemed to be effective to save energy consumption.
6)By the study of the utilization of microalgal residues, the methane fermentation seemed to be applied. But the trial calculation results showed that whether we should choose incineration system or methane fermentation system to minimize carbon dioxide emission, depended on the composition of microalgal residues and the distance of transportation from the production site to the treatment plant. In addition, microalgal residues did not contain heavy metals, so microalgal residues might be used as feeds.
7)By the trial calculation of the balance of carbon dioxide in total system, the output exceed the input. And by the trial calculation of running cost in the R&D system, it was suggested that biofuel productivity could be improved by use of heterotrophic growth. But wastewater would be discharged from R&D system, the cost for wastewater treatment seemed not to be neglected.
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