成果報告書詳細
管理番号20150000000084
タイトル平成22年度-平成25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) 微細藻類による高効率炭化水素生産プロセスの研究開発
公開日2015/3/31
報告書年度2010 - 2013
委託先名国立大学法人東京大学大学院農学生命科学研究科 東京瓦斯株式会社
プロジェクト番号P10010
部署名新エネルギー部
和文要約 微細藻類は単位面積あたりのエネルギー生産量が多いことから次世代のバイオ燃料資源として期待されている。中でも,Botryococcus brauniiは炭化水素を生産する緑藻として知られている。本事業では,1) この藻体からの効率的な炭化水素の回収プロセス、2) 抽出残渣からのバイオガス生成、3) 無極性溶媒による藻体からの炭化水素抽出のメカニズムを研究した。
 1) 100℃以下に藻体スラリーを加熱し,固液分離し,溶媒抽出することで炭化水素が効率的に溶媒抽出された。これによりエネルギーを多く必要とする乾燥工程を省略することが可能となる。次に、プロセスのエネルギー収支比および経済性に影響を与えるパラメーターである加熱温度,固液分離後の藻体含水率,溶媒抽出時間,溶媒量が炭化水素回収率に与える影響を検討した。加熱温度は100℃以下で十分であり,また室温での溶媒抽出は2時間で飽和する。更に,固液分離後の藻体含水率を85 wt%に調整することで,少ない溶媒量でも90%以上の炭化水素を回収できることを明らかにした。
 2)システム全体のエネルギー効率を向上させるため、炭化水素抽出後の藻体残渣からメタン発酵によりバイオガスを発生させる実験を行った。バイオガスはプロセスの所要エネルギーに充当されることを想定している。実験では、藻体に残留した溶媒のヘキサンが嫌気発酵を阻害した。そこで,メタン発酵槽前段の酸発酵槽で窒素ばっきしてヘキサンを除去し,メタン発酵槽に投入される原料中のヘキサン濃度を下げた。酸発酵槽入口でヘキサン濃度約1000ppm以下、ばっき流量0.8L/L/h以上であれば、この処理によりメタン発酵槽入口でヘキサン濃度が100ppm以下となった。これによりメタン発酵を長期間安定的に運転し、エネルギー回収効率は70%以上となることが確認された。
 3) 加熱前処理による炭化水素回収メカニズムを調べた。その結果、藻体コロニー表面を覆う高分子物質の層が、溶媒の藻体コロニー内部への侵入を妨げていることが確認された。この高分子物質の層は、温度を上げるとゾル化して水相へと溶出するが、ゾル・ゲル反応が可逆的な場合には温度を下げると再びゲル化し、藻体コロニーの表面に再吸着する。したがって、藻体コロニーから効率的に炭化水素を回収するためには、この高分子物質の再ゲル化を防ぐ必要がある。この高分子物質の主要構成成分はガラクトースとアラビノースであることが明らかになった。また、紫色光を除いた光条件で培養することにより、ガラクトース、アラビノースの生成が抑制され、炭化水素の回収性が上がることが明らかになった。
英文要約 Microalgae have ability to produce a high amount of energy per unit area, and so they are expected to be useful as a next-generation biofuel resource. Botryococcus braunii is a green microalga known for its especially high hydrocarbon production.
In this project, we studied on 1)Effective hydrocarbon recovery process from the algae, 2)Biogas production from the algal residue, and 3)extraction mechanism of hydrocarbon from the algae with a nonpolar solvent.
1)Efficient hydrocarbon recovery was achieved by preheating the slurry to temperatures below 100°C, separating the solid and liquid, and extracting the hydrocarbons with a solvent. The processes did not require a highly energy consuming drying process. Parameters affecting the energy profit ratio and economy, such as heating temperature, water content after solid-liquid separation, extraction time, and solvent-to-algae ratio were examined with respect to hydrocarbon recovery efficiencies; it was found that heating the mixture to below 100°C was sufficient for good hydrocarbon recoveries. It was also shown that solvent extraction at room temperature required 2h to reach saturation. At least 90% of the hydrocarbons could be recovered, even with low solvent-to algae ratios, by adjusting the algae water content to around 85 wt%.
2) Biogas production from the algae residue was tested. The biogas is expected to be used as a thermal energy used in the extraction process. In the experiments, a little hexane which was used as solvent and remained in the algae residue inhibited anaerobic digestion. Then we removed hexane by nitrogen aeration in the acid fermentation tank before the methane fermentation process to decrease the concentration of hexane in the feedstock of methane fermentation. In the conditions such as the concentration of hexane was less than 1000ppm at the inlet of the acid fermentation tank and the aeration rate was 0.8L/L/h, the concentration of hexane at the inlet of methane fermentation tank was decreased to less than 100ppm. Biogas was produced continuously and stably for long term by adding the aeration process. The energy conversion rate of digestion was higher than 70%.
3) Extraction mechanism of hydrocarbon was investigated. It was found that algae colonies are coated with polymers and the solvent can not approach inside the colony. The polymers are transferred to sol and released into the water phase by increasing the temperature. In the case of that the sol-gel transmission is reversible, the polymers return to gel phase and are adsorbed on the surface of algal colonies when it is cooled down. The re-gelation of polymers should be prevented to extract hydrocarbon efficiently from the algal colonies. The main components of the polymers were found to be galactose and arabinose. Furthermore, it was found that when the algae was cultured under irradiation without violet light, production of galactose and arabinose is decreased, and the recovery rate of hydrocarbon was improved.
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