藻類養殖

アデレードのフリンダース大学のオーストラリア人科学者たちは、海洋微細藻類を使って人間の食用タンパク質を生産する実験を行っており、「キャビア」、ビーガンバーガー、肉の代替品、ジャム、その他の食品スプレッドなどの製品を作っている。実験室で微細藻類を操作することで、タンパク質やその他の栄養素の含有量を増やしたり、風味を変えてより美味しくしたりすることができる。これらの食品は、微細藻類が二酸化炭素を生成するのではなく吸収するため、温室効果ガスの原因となる二酸化炭素を排出する他の形態のタンパク質よりも、はるかに二酸化炭素排出量が少ない。^{[ 26 ]}

微細藻類と大型藻類の両方が寒天の製造に使用されます。^{[ 24 ] [ 27 ] [ 25 ]}

水温は、栽培する特定の藻類種が生育できる範囲、主に15℃から35℃の間でなければならない。

開放型の池など、一般的な藻類培養システムでは、光は水面から76 ～102mm（3 ～4インチ）の深さまでしか届きませんが、これは藻類の密度によって異なります。藻類が成長して増殖するにつれて、培養物は非常に密になり、光が水深深くまで届かなくなります。直射日光はほとんどの藻類にとって強すぎるため、藻類は直射日光から得られる光の約1/10しか利用できません。しかし、藻類培養物を直射日光にさらす（遮光するよりも）ことは、多くの場合、藻類の成長を促進する最良の方法です。これは、水面下の藻類が、上部の藻類の影によって生じる弱い光をより多く利用できるためです。  

より深い池を利用する場合、養殖業者は水を攪拌して藻類を循環させ、水面に浮かないようにします。水車を使って水をかき混ぜたり、底から圧縮空気を送り込んで藻類を底層から持ち上げたりすることができます。攪拌は、藻類が日光に過度にさらされるのを防ぐ効果もあります。

光を供給するもう一つの方法は、システム内に光源を設置することです。プラスチックやガラスの板で作られたグロープレートを水槽内に設置すると、光の強度を正確に制御でき、より均一に光を拡散させることができます。しかし、コストが高いため、あまり使用されていません。

沼地や湿地、その他の停滞水域で発生する悪臭は、死滅した藻類の分解による酸素欠乏が原因である可能性があります。無酸素状態では、藻類培養物に生息する細菌が有機物を分解し、硫化水素とアンモニアを生成します。これが悪臭の原因となります。このような低酸素状態は、しばしば水生生物の死につながります。藻類を意図的に栽培、維持、収穫するシステムでは、富栄養化も低酸素状態も発生する可能性は低いでしょう。

生きている藻類や細菌の中には、特にアナベナなどの特定のシアノバクテリア（以前は藍藻類に分類されていた）が臭気のある化学物質を生成するものもある。これらの臭気物質の中で最もよく知られているのは、MIB（2-メチルイソボルネオール）とジオスミンである。これらはカビ臭い、または土のような臭いを発し、かなり強い場合もある。シアノバクテリアが最終的に死ぬと、細胞内に閉じ込められていたガスがさらに放出される。これらの化学物質は、10億分の1のレベルで非常に低い濃度でも検出可能であり、飲料水の処理と供給における多くの「味と臭い」問題の原因となっている。^{[ 62 ]}シアノバクテリアは、飲料水で問題となっている化学毒素も生成する可能性がある。

窒素（N）、リン（P）、カリウム（K）などの栄養素は藻類の肥料として働き、一般的に成長に不可欠です。シリカや鉄、そしていくつかの微量元素も重要な海洋栄養素と考えられており、これらのいずれかが不足すると、特定の海域における藻類の成長や生産性が制限される可能性があります。二酸化炭素も不可欠であり、通常、藻類の急速な成長には二酸化炭素の供給が_必要です。藻類が成長するためには、これらの元素が生物利用可能な形で水中に溶解している必要があります。

開放型藻類培養システムとは、自然水系または人工的に作られた浅い水路で藻類を栽培するシステムです。このシステムでは、湖、河川、海洋などの自然水域だけでなく、コンクリート、プラスチック、池用ライナーなど様々な素材で作られた人工池でも藻類を栽培できます。開放型藻類培養システムはシンプルで費用対効果が高いため、藻類由来製品の商業生産において魅力的な選択肢となっています。

開放型の池は、他の藻類や細菌などの微生物による汚染に対して非常に脆弱です。そのため、栽培者は通常、単一栽培には閉鎖型システムを選択します。開放型システムでは、温度や照明を制御することもできません。生育期間は主に場所によって異なり、熱帯地域を除いて、暖かい月に限られます。^{[ 1 ]}

開放型池システムは、最低限必要なのは溝か池だけで済むため、建設コストが安価です。大型の池は、同程度のコストの他のシステムと比較して、最大の生産能力を発揮します。また、開放型池での栽培は、特定の藻類にのみ適した特殊な環境を利用できます。例えば、ドナリエラ・サリナは極めて塩分濃度の高い水で生育します。このような特殊な培地は他の種類の生物を排除するため、開放型池で純粋培養を行うことができます。開放型培養は、目的の藻類のみを収穫するシステムがある場合、または侵入生物が著しく増殖する前に池を頻繁に再接種する場合にも有効です。後者の方法は、クロレラの生育条件が競合する藻類を排除しないため、クロレラ養殖業者によってよく採用されています。

前者の方法は、一部の連鎖状珪藻の場合に適用できます。なぜなら、それらは排水管を通る水の流れから濾過できるからです。細かい網目の布で作った「枕カバー」を排水管にかぶせ、他の藻類が流れ出るようにします。連鎖状珪藻は袋の中に保持され、エビの幼生（東部の孵化場の場合）の餌として、また新しい水槽や池に接種されます。

池を透明または半透明の障壁で囲むと、効果的に温室になります。これにより、開放システムに伴う多くの問題が解決されます。より多くの種を栽培でき、栽培している種が優勢な状態を維持でき、生育期間が延長されます。加熱すれば、池は一年中生産できます。開放型レースウェイ池は、生きたスピルリナ（Arthospira）spを使用して鉛を除去するために使用されました。^{[ 73 ]}

藻類は光バイオリアクター（PBR）でも培養できます。PBRとは、光源を組み込んだバイオリアクターのことです。半透明の容器であればほぼ何でもPBRと呼ぶことができますが、この用語は開放型のタンクや池ではなく、閉鎖系を指す場合によく使われます。

PBRシステムは閉鎖型であるため、栽培者はCO2を含むすべての栄養素を供給する必要がある。₂ .

PBRは「バッチモード」で運転できます。これは、収穫ごとにリアクターに補充を行うモードですが、連続的に培養して収穫することも可能です。連続運転では、すぐに崩壊しないようにすべての要素を正確に制御する必要があります。栽培者は、滅菌水、栄養素、空気、二酸化炭素を適切な割合で供給します。これにより、リアクターを長期間運転できます。利点は、「対数期」に生育する藻類は、一般的に古い「老化」藻類よりも栄養分含有量が高いことです。藻類培養とは、池やその他の資源で藻類を培養することです。最大の生産性は、「交換速度」（液体の1体積を交換する時間）が藻類の「倍加時間」（質量または体積）と等しいときに発生します。

PBR（光バイオリアクター）は、培養液を懸濁状態に保持することも、培養液がバイオフィルムを形成できる基質を提供することもできます。バイオフィルムベースのPBRは、一定量の水でより高い収量が得られるという利点がありますが、培養液にガスや栄養素を輸送するために必要な水の流れによって細胞が基質から分離してしまうという問題が生じる可能性があります。

抽出の最初のステップでは、油を藻類から分離する必要があります。最も簡単な方法は機械的に粉砕することです。藻類を乾燥させると油分が保持されるため、油圧プレスで油を「圧搾」することができます。藻類の種類によって、スクリュー式、圧搾式、ピストン式など、さまざまな圧搾方法が適しています。多くの植物油メーカーは、油の抽出に機械的圧搾と化学溶剤を組み合わせて使用​​しています。この方法は、藻類油の抽出にもよく用いられます。

浸透圧ショックとは、浸透圧が急激に低下することで、溶液中の細胞が破裂する現象です。浸透圧ショックは、油などの細胞成分を放出するために用いられることもあります。

超音波抽出は、ソノケミストリーの一分野であり、抽出プロセスを大幅に加速することができます。超音波リアクターを使用して、超音波を用いて溶媒中にキャビテーション気泡を生成します。これらの気泡が細胞壁の近くで崩壊すると、発生した衝撃波と液体の噴流によって細胞壁が破壊され、内容物が溶媒中に放出されます。^{[ 89 ]}超音波処理は、基本的な酵素抽出を促進することができます。

油の抽出には化学溶剤がよく使用されます。油の抽出に溶剤を使用する際の欠点は、化学物質の取り扱いに伴う危険性です。蒸気への曝露や皮膚接触は深刻な健康被害を引き起こす可能性があるため、注意が必要です。化学溶剤は爆発の危険性も伴います。 ^{[ 90 ]}

一般的な化学溶剤としてはヘキサンがあり、食品業界で広く使われており、比較的安価である。ベンゼンやエーテルも油の分離に使用できる。ベンゼンは発がん性物質に分類されている。

化学溶媒抽出法のもう1つの方法は、ソックスレー抽出法です。この方法では、特殊なガラス器具内で還流しながら、ヘキサンや石油エーテルなどの有機溶媒を用いて繰り返し洗浄または浸透させることにより、藻類から油を抽出します。^{[ 91 ]} この技術の利点は、溶媒が各サイクルで再利用されることです。

酵素抽出では、酵素を用いて細胞壁を分解し、水が溶媒として作用します。これにより、油の分画がはるかに容易になります。この抽出プロセスのコストは、ヘキサン抽出よりもはるかに高いと推定されています。^{[ 92 ]}

超臨界CO2_は溶媒としても使用できます。この方法では、CO2_を圧力下で液化し、超臨界状態（液体と気体の両方の性質を持つ状態）になるまで加熱することで、溶媒として機能させることができます。^{[ 93 ] [ 94 ]}

長鎖高度不飽和脂肪酸を多く含む油など、特定の種類の油を抽出する方法など、他の方法も開発され続けている。^{[ 86 ] [ 87 ]}