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藻類燃料、藻類バイオ燃料、または藻類油は、藻類をエネルギー豊富な油の供給源として使用する液体化石燃料の代替品です。また、藻類燃料は、トウモロコシやサトウキビなどの一般的なバイオ燃料源の代替品です。 [1] [2]海藻（大型藻類）から作られた場合は、海藻燃料または海藻油として知られています。
歴史
1942年、ハーダーとヴィッチュは、微細藻類を食料や燃料用の脂質源として栽培することを初めて提案した。[3] [4]第二次世界大戦後、米国、[5] [6] [7]ドイツ、[8]日本、[9]イギリス、[10]イスラエル[11]で、特にクロレラ属の種を中心に、微細藻類を大規模に栽培するための培養技術と工学システムの研究が始まった。一方、HGアーチは、窒素飢餓によってクロレラ・ピレノイドサを誘導すると、乾燥重量の70%も脂質を蓄積できることを示した。 [12]第二次世界大戦後、代替輸送燃料の必要性が薄れたため、この時期の研究は、藻類を食料源として、または場合によっては廃水処理のために培養することに重点が置かれていた。[13]
1970年代の石油禁輸と石油価格の高騰の際に、藻類をバイオ燃料に利用する関心が再燃し、米国エネルギー省は1978年に水生生物種プログラムを開始しました。[14]水生生物種プログラムは、石油由来の燃料と価格競争力のある藻類由来の液体輸送燃料の開発を目標に、18年間で2,500万ドルを費やしました。[15]この研究プログラムは、低コストであるものの、温度変化や生物の侵入などの環境の撹乱に対して脆弱なシステムである屋外の開放型池での微細藻類の栽培に焦点を当てていました。全国から3,000種の藻類株が収集され、高い生産性、脂質含有量、耐熱性などの望ましい特性について選別され、最も有望な株がコロラド州ゴールデンの太陽エネルギー研究所（SERI）のSERI微細藻類コレクションに含められ、さらなる研究に使用されました。 [ 15]このプログラムの最も重要な発見は、急速な成長と高脂質生産は「相互に排他的」であるという点であった。なぜなら、前者は高栄養分を必要とし、後者は低栄養分を必要とするからである。 [15]最終報告書は、藻類のこの制限やその他の自然の制限を克服するには遺伝子工学が必要かもしれないこと、また理想的な種は場所や季節によって変わるかもしれないことを示唆した。 [15]屋外の池で燃料用の藻類を大規模に生産することは実現可能であることが実証されたが、このプログラムは石油と競合できるコストでそれを実現することはできなかった。特に1990年代に石油価格が下落したためである。最良のシナリオでも、未抽出の藻類油は1バレルあたり59～186ドルかかると推定されたが、[15] 1995年の石油のコストは1バレルあたり20ドル未満であった。[14]そのため、1996年の予算圧迫により、水生種プログラムは中止された。[15]
藻類バイオ燃料研究へのその他の貢献は、藻類培養のさまざまな用途に焦点を当てたプロジェクトから間接的にもたらされました。たとえば、1990年代に日本の地球環境産業技術研究機構（RITE）は、COを固定するシステムの開発を目的とした研究プログラムを実施しました。
2微細藻類を利用している。[16]エネルギー生産が目的ではなかったが、RITEが行ったいくつかの研究では、発電所の排ガスをCO2として利用して藻類を栽培できることが実証されている。
2藻類から水素ガス、メタン、エタノールを採取することに焦点を当てた他の研究や、栄養補助食品や医薬品化合物の研究も、藻類からのバイオ燃料生産に関する研究に役立っています。[ 13 ]
1996年に水生生物プログラムが解散した後、藻類バイオ燃料の研究は比較的停滞していました。それでも、米国ではエネルギー省、国防総省、国立科学財団、農務省、国立研究所、州政府、民間資金などにより、また他の国々でも様々なプロジェクトに資金提供されていました。[14]最近では、2000年代の石油価格の上昇により藻類バイオ燃料への関心が再燃し、米国連邦政府の資金が増加しました。[14]オーストラリア、ニュージーランド、ヨーロッパ、中東、その他の地域で多数の研究プロジェクトに資金提供が行われています。[19]
2022年12月、藻類バイオ燃料に投資した最後の大手石油会社であるエクソンモービルは、研究資金提供を終了した。 [20]
2023年3月、研究者らはバイオ燃料の商業化には数十億ドルの資金と、野生生物の根本的な生物学的限界と思われるものを克服するための長期的な取り組みが必要になると述べた。ほとんどの研究者は、バイオ燃料の大規模生産は「10年、おそらく20年先」だと考えている。[20]
食事の補給
藻類油は、一価不飽和脂肪と多価不飽和脂肪、特にEPAとDHAを含んでいるため、食品の脂肪酸 補給源として使用されています。[21] DHA含有量は、サーモンベースの魚油とほぼ同等です。 [22] [23]
燃料
藻類は、生産技術や使用される細胞の部分に応じて、さまざまな種類の燃料に変換できます。藻類バイオマスの脂質、つまり油性部分は、他の植物油に使用されるプロセスと同様のプロセスで抽出してバイオディーゼルに変換したり、製油所で石油ベースの燃料の「ドロップイン」代替品に変換したりできます。代わりに、または脂質抽出後に、藻類の炭水化物含有量を発酵させてバイオエタノールまたはブタノール燃料にすることができます。[24]
バイオディーゼル
バイオディーゼルは、動物または植物の脂質（油脂）から得られるディーゼル燃料です。研究によると、藻類のいくつかの種は、乾燥重量の60％以上を油として生産できることがわかっています。[12] [15] [25] [26] [27]細胞は水性懸濁液中で増殖するため、水に効率的にアクセスできるため、CO
2微細藻類は、溶解した栄養素を豊富に含み、高効率藻類池[28]または光バイオリアクターで大量のバイオマスと使用可能な油を生産することができます。この油はバイオディーゼルに変換され、自動車用に販売することができます。微細藻類の地域生産とバイオ燃料への加工は、農村地域に経済的利益をもたらすでしょう。[29]
微細藻類は、葉、茎、根にセルロースなどの構造化合物を生成する必要がなく、栄養豊富な培地に浮かべて生育できるため、陸上作物よりも成長速度が速い。また、従来の作物よりもはるかに高い割合でバイオマスを油に変換することができ、例えば大豆の2～3％に対して60％である。[25]藻類からの油の単位面積あたりの収量は、脂質含有量に応じて58,700～136,900 L/ha/年と推定されており、次に収量が多い作物であるアブラヤシの5,950 L/ha/年の10～23倍である。[30]
米国エネルギー省の水生生物プログラム（1978～1996年）は、微細藻類由来のバイオディーゼルに焦点を当てた。最終報告書では、バイオディーゼルが、現在の世界のディーゼル燃料使用量を置き換えるのに十分な燃料を生産できる唯一の実行可能な方法であると示唆された。[31]藻類由来のバイオディーゼルが、世界で年間11億トン生産されている従来のディーゼル燃料を置き換えると、5,730万ヘクタールの土地が必要になるが、これは他のバイオ燃料に比べて非常に有利である。[32]
バイオブタノール
ブタノールは、太陽光発電バイオ精製所のみを使用して藻類または珪藻類から生成できます。この燃料のエネルギー密度はガソリンより10%低く、エタノールやメタノールよりも高いです。ほとんどのガソリンエンジンでは、ブタノールはガソリンの代わりに変更なしで使用できます。いくつかのテストでは、ブタノールの消費量はガソリンと同程度であり、ガソリンと混合すると、エタノールやE85よりも優れた性能と耐腐食性が得られます。[33]
藻類油抽出後に残った緑の廃棄物はブタノールの生産に使用できます。さらに、マクロ藻類（海藻）はクロストリジウム属の細菌によってブタノールやその他の溶剤に発酵できることが示されています。[34]海藻油の エステル交換（バイオディーゼルへの）は、Chaetomorpha linum、Ulva lactuca、Enteromorpha compressed（Ulva）などの種でも可能です。[35]
以下の種はエタノールやブタノールの生産に適した種として研究されている：[36]
バイオガソリン
バイオガソリンはバイオマスから生産されるガソリンである。従来のガソリンと同様に、1分子あたり6個（ヘキサン）から12個（ドデカン）の炭素原子を含み、内燃機関で使用することができる。[38]
バイオガス
バイオガスは、主にメタン（CH 4）と二酸化炭素（CO 2）で構成され、硫化水素、酸素、窒素、水素が微量含まれています。大型藻類は、植物バイオマスに比べてメタン生成率が高いです。大型藻類からのバイオガス生産は、他の燃料に比べて技術的には実現可能ですが、大型藻類の原料が高価であるため、経済的には実現可能ではありません。[39]微細藻類の炭水化物とタンパク質は、加水分解、発酵、メタン生成のステップを含む嫌気性消化によってバイオガスに変換できます。藻類バイオマスのメタンへの変換は、得られるエネルギーと同じくらい多くのエネルギーを回収できる可能性がありますが、藻類の脂質含有量が40％未満の場合に収益性が高くなります。[40]微細藻類はタンパク質の比率が高いため、微細藻類からのバイオガス生産量は比較的少ないですが、微細藻類は古紙などの高C/N比の製品と一緒に消化することができます。[41]バイオガスを生産するもう一つの方法はガス化であり、炭化水素を高温（通常800℃～1000℃）で部分酸化反応により合成ガスに変換する。ガス化は通常触媒を用いて行われる。触媒を使用しないガス化では、温度を約1300℃にする必要がある。合成ガスは直接燃焼させてエネルギーを生産することも、タービンエンジンの燃料として使用することもできる。また、他の化学製品の製造原料としても使用できる。[42]
メタン
天然ガスの主成分であるメタン[43]は、ガス化、熱分解、嫌気性消化などさまざまな方法で藻類から生成できます。ガス化と熱分解法では、メタンを高温高圧下で抽出します。嫌気性消化[44]は、藻類を単純な成分に分解し、酸生成細菌などの微生物を使用して脂肪酸に変換し、次に固体粒子を除去し、最後にメタン生成古細菌を加えてメタンを含むガス混合物を放出する簡単な方法です。多くの研究で、微細藻類のバイオマスは嫌気性消化によってバイオガスに変換できることが実証されています。[45] [46] [47] [48 ] [49]そのため、微細藻類栽培作業の全体的なエネルギー収支を改善するために、廃棄物バイオマスに含まれるエネルギーを嫌気性消化によってメタンに回収し、発電することが提案されています。[50]
エタノール
メキシコのソノラ州プエルト・リベルタッドでバイオフィールズが商業化しているアルジェノールシステムは、海水と産業排気ガスを利用してエタノールを生産する。ポルフィリジウム・クルエンタムも大量の炭水化物を蓄積する能力があるため、エタノール生産に適している可能性があることが示されている。[51]
グリーンディーゼル
藻類は、分子をディーゼルエンジンで使用されるより短い炭化水素鎖に分解する水素化処理精製プロセスを通じて、 「グリーンディーゼル」（再生可能ディーゼル、水素化処理植物油[52]または水素由来の再生可能ディーゼルとも呼ばれる）[53]を製造するために使用できます。[52] [54]これは石油ベースのディーゼルと同じ化学的性質を持っているため、 [52 ] 、配布および使用に新しいエンジン、パイプライン、またはインフラストラクチャを必要としません。石油と競争できるコストで生産されることはまだありません。[53]水素化処理は現在、脱炭酸/脱炭酸によって燃料のような炭化水素を生成する最も一般的な方法ですが、水素化処理よりも多くの重要な利点を提供する代替プロセスがあります。 この点では、Crocker et al. [55]とLercher et al. [56]の研究は特に注目に値します。石油精製に関しては、再生可能燃料を脱炭酸反応によって触媒変換する研究が進行中である。[57]原油中の酸素は0.5%程度とかなり低いレベルであるため、石油精製における脱酸素化はそれほど問題にはならず、酸素化物の水素化処理用に特別に調合された触媒はない。したがって、藻油の水素化脱酸素化プロセスを経済的に実現可能にするための重要な技術的課題の1つは、効果的な触媒の研究開発に関連している。[58] [59]
ジェット燃料
ルフトハンザ航空とヴァージン アトランティック航空は2008年に早くも藻類をバイオ燃料として使用する試験を実施しましたが、藻類の使用がジェット燃料の合理的な供給源であるという証拠はほとんどありません。[60] 2015年までに、イソクリシスという藻類からの脂肪酸メチルエステルとアルケノンの栽培が、ジェット燃料の原料としての可能性を秘めた研究が行われていました。[61]
藻類ベースのエネルギーハーベスター
2022年5月、ケンブリッジ大学の科学者らは、自然光を利用して小型マイクロプロセッサに電力を供給する藻類エネルギーハーベスターを開発したと発表した。この装置は、最初は6か月間プロセッサに電力を供給し、その後1年間稼働し続ける。単三電池ほどの大きさのこの装置は、水と藍藻類を入れた小さな容器である。この装置は大量の電力を生成するわけではないが、モノのインターネットデバイスに使用でき、リチウムイオン電池などの従来の電池が不要になる。目標は、遠隔地でも使用できる環境に優しい電源をより多く持つことである。[62]
種
石油の大量生産のための藻類の研究は、海藻などの大型藻類ではなく、主に微細藻類（直径0.4mm未満の光合成が可能な生物で、珪藻類やシアノバクテリアを含む）に焦点を当てています。微細藻類が好まれるのは、主に構造が複雑でなく、成長速度が速く、油分が多い（一部の種の場合）ためです。しかし、この資源の入手しやすさから、海藻をバイオ燃料に使用する研究も行われています。[63] [64]
2012年現在、[アップデート]世界中の様々な場所の研究者が、以下の種が大量の油を生産するのに適しているかどうかの調査を開始している。[65] [66] [67]
- ボツリオコッカス・ブラウニ
- クロレラ
- ドナリエラ・ターティオレクタ
- オゴノリ
- Pleurochrysis carterae（CCMP647とも呼ばれる）。 [68]
- ホンダワラ類はオゴノリ類の10倍の生産量を誇る。 [69]
藻類の種類ごとに生産される油の量は大きく異なります。次の微細藻類とそのさまざまな油の生産量に注目してください。
- アンキストロデスムスTR-87: 乾燥重量の28～40%
- ボツリオコッカス・ブラウニ: 29–75% dw
- クロレラ属: 29%dw
- クロレラ・プロトテコイデス（独立栄養性/従属栄養性）：15～55% dw
- クリプテコディニウム・コーニー: 20%dw
- サイクロテラDI-35: 42%dw
- Dunaliella tertiolecta : 36–42%dw
- ハンチアDI-160: 66%dw
- ナンノクロリス: 31(6–63)%dw
- ナンノクロロプシス ：46（31–68）%dw
- ネオクロリス・オレオアバンダンス：35～54%dw
- ニッチアTR-114: 28～50%dw
- フェオダクティルム・トリコルヌタム：31%dw
- セネデスムスTR-84: 45%dw
- シゾキトリウム50–77%dw [70]
- スティココッカス：33（9–59）%dw
- テトラセルミス・スエシカ: 15–32%dw
- タラシオシラ・シュードナナ: (21–31)%dw
さらに、アオサ[71]はその成長速度の速さから、乾燥した亜熱帯地域での使用に適した閉サイクル発電システムであるSOFTサイクル（SOFTはSolar Oxygen Fuel Turbineの略）で使用する燃料として研究されてきました。[72]
使用される他の種には、クロストリジウム・サッカロペルブチルアセトニカム、[73] ホンダワラ類、オゴノリ、プリムネシウム・パルバム、およびユーグレナ・グラシリスが含まれる。[74]
栄養素と成長の投入
光は藻類の成長に最も必要なものであり、最も制限的な要因です。多くの企業が人工光を供給するためのシステムや技術の開発に投資しています。その1つがOriginOilで、回転する垂直シャフトとらせん状に配置された低エネルギーライトを備えたHelix BioReactorTMを開発しました。[75]水温も藻類の代謝率と繁殖率に影響を与えます。ほとんどの藻類は水温が低くなると成長速度が低下しますが、藻類群集のバイオマスは、放牧生物がいないため大きくなる可能性があります。[75]水流速度のわずかな増加も藻類の成長率に影響を与える可能性があります。これは、栄養素の吸収率と境界層拡散率が流速とともに増加するためです。[75]
光と水以外にも、リン、窒素、および特定の微量栄養素も藻類の成長に役立ち、不可欠です。窒素とリンは藻類の生産性に必要な2つの最も重要な栄養素ですが、炭素やシリカなどの他の栄養素も必要です。[76]必要な栄養素のうち、リンは多くの代謝プロセスで使用されるため、最も重要なものの1つです。微細藻類D. tertiolectaを分析し、どの栄養素が成長に最も影響するかを調べました。[77]リン（P）、鉄（Fe）、コバルト（Co）、亜鉛（Zn）、マンガン（Mn）、モリブデン（Mo）、マグネシウム（Mg）、カルシウム（Ca）、ケイ素（Si）、硫黄（S）の濃度は、誘導結合プラズマ（ICP）分析を使用して毎日測定されました。測定されたこれらのすべての元素の中で、リンは最も劇的な減少をもたらし、培養の過程で84％減少しました。[77]この結果は、リン酸の形のリンが、代謝のためにすべての生物によって大量に必要とされることを示している。
ほとんどの藻類の種を栽培するために広く使用されている2つの培養培地があります。ウォルネ培地とギラードF/ 2培地です。[78]これらの市販の栄養溶液は、藻類の栽培に必要なすべての栄養素を準備する時間を短縮する可能性があります。しかし、生成プロセスが複雑でコストが高いため、大規模な培養操作には使用されていません。[78]そのため、藻類の大量生産に使用される培養培地には、実験室グレードの肥料ではなく農業グレードの肥料とともに最も重要な栄養素のみが含まれています。[78]
栽培
藻類は食用作物よりもはるかに早く成長し、単位面積当たりの油の生産量は、菜種、ヤシ、大豆、ジャトロファなどの従来の作物の数百倍に上る。[30]藻類の収穫周期は1～10日であるため、藻類の栽培では、一年生作物とは異なる戦略で、非常に短期間で複数回の収穫が可能となる。[26]さらに、藻類は、乾燥地や塩分過多の土壌など、陸生作物に適さない土地でも栽培できるため、農業との競合を最小限に抑えることができる。[79]藻類栽培に関する研究のほとんどは、清潔だが高価な光合成生物反応器や、維持費は安いが汚染されやすい開放型の池での藻類栽培に焦点を当てている。 [80]
閉ループシステム
藻類を大量に栽培するために必要な設備や構造が不足しているため、バイオ燃料生産のための藻類の大量生産が広範に行われていない。既存の農業プロセスとハードウェアを最大限に活用することが目標である。[81]
密閉系（外気にさらされていない）は、空気中に吹き込まれた他の生物による汚染の問題を回避します。密閉系の問題は、滅菌COの安価な供給源を見つけることです。
2複数の実験者がCO
2煙突からの熱は藻類の栽培に適している。[82] [83]
経済的な理由から、一部の専門家は、バイオ燃料用の藻類栽培は廃熱を利用し、汚染物質を吸収できるコジェネレーションの一環として行う必要があると考えている。 [84]
PBRシステムを用いて制御された環境下で微細藻類を大規模に生産するためには、必要な光ガイド、スパージャー、PBR構築材料などの戦略を十分に検討する必要がある。[85]
光バイオリアクター
藻類をバイオ燃料の原料として利用しようとしている企業のほとんどは、栄養分を豊富に含んだ水をプラスチックやホウケイ酸ガラスのチューブ（バイオリアクターと呼ばれる）に送り込み、太陽光に当てています（いわゆるフォトバイオリアクターまたはPBR）。[86]
PBRの運用はオープンポンドを使用するよりも難しく、コストもかかりますが、より高いレベルの制御と生産性を実現できる可能性があります。[26]さらに、光バイオリアクターは、池や他の方法よりもはるかに簡単に閉ループコジェネレーションシステムに統合できます。
開いた池
オープンポンドシステムは、単純な地上の池で構成されており、多くの場合、パドルホイールで混合されます。これらのシステムは、クローズドループ光バイオリアクターシステムと比較して、電力要件、運用コスト、および資本コストが低くなります。[87] [86]高価値の藻類製品を生産するほぼすべての商業用藻類生産者は、オープンポンドシステムを使用しています。[88]
芝生洗浄機
藻類スクラバーは、主に藻類の芝を使用して水中の栄養素や汚染物質を除去するために設計されたシステムです。藻類芝スクラバー（ATS）は、廃水路や天然水源から栄養豊富な水を取り込み、傾斜した表面に流すことで、天然のサンゴ礁の藻類の芝を模倣します。[89]この表面は粗いプラスチック膜またはスクリーンでコーティングされており、自然に発生する藻類の胞子が表面に定着してコロニーを形成します。藻類が定着すると、5〜15日ごとに収穫でき、[90] 1ヘクタールあたり年間18トンの藻類バイオマスを生産できます。[91]主に単一の高収量藻類種に焦点を当てた他の方法とは対照的に、この方法は自然に発生する藻類の多培養に焦点を当てています。そのため、ATSシステム内の藻類の脂質含有量は通常低く、エタノール、メタン、ブタノールなどの発酵燃料製品に適しています。[91]逆に、収穫された藻類は水熱液化プロセスで処理することができ、バイオディーゼル、ガソリン、ジェット燃料の生産が可能になります。[92]
ATS には他のシステムに比べて 3 つの大きな利点があります。1 つ目の利点は、オープン ポンド システムよりも生産性が高いことが実証されていることです。 [93] 2 つ目は、運用コストと燃料生産コストが低いことです。3 つ目は、天然の藻類に依存するため、汚染の問題がないことです。ATS システムでのエネルギー生産の予測コストは 0.75 ドル/kg ですが、光バイオリアクターの場合は 3.50 ドル/kg かかります。[91]さらに、ATS の主な目的は水中の栄養素と汚染物質を除去することであり、これらのコストは他の栄養素除去方法よりも低いことが示されているため、この技術を栄養素除去を主な機能として使用し、バイオ燃料生産を付加的な利点として利用することが奨励される可能性があります。[94]
燃料生産
藻類を収穫した後、バイオマスは通常、種や目的の製品に応じて異なる一連のステップで処理されます。これは研究が活発に行われている分野です[26]が、この技術のボトルネックでもあります。抽出コストが、得られるコストよりも高いのです。解決策の 1 つは、濾過摂食動物を使って藻類を「食べる」ことです。改良された動物は、食料と燃料の両方を提供できます。藻類を抽出する別の方法は、特定の種類の菌類を使って藻類を栽培することです。これにより、藻類のバイオ凝集が起こり、抽出が容易になります。[95]
脱水
多くの場合、藻類は脱水され、ヘキサンなどの溶媒を使用して、乾燥した材料からトリグリセリドなどのエネルギーに富んだ化合物が抽出されます。 [1] [96]次に、抽出された化合物は、標準的な工業的手順を使用して燃料に加工できます。たとえば、抽出されたトリグリセリドはメタノールと反応してエステル交換によりバイオディーゼルを生成します。[1]それぞれの種の脂肪酸の独自の組成は、結果として得られるバイオディーゼルの品質に影響を与えるため、原料として藻類の種類を選択する際には考慮する必要があります。[26]
水熱液化
熱水液化と呼ばれる代替アプローチでは、収穫された湿った藻類を350℃（662℉）、1平方インチあたり3,000ポンド（21,000kPa）の高温高圧にさらす連続プロセスを採用しています。[97] [98] [99]
生産物には原油が含まれており、これは1つまたは複数のアップグレードプロセスを使用して航空燃料、ガソリン、またはディーゼル燃料にさらに精製できます。[100]テストプロセスでは、藻類の炭素の50〜70％が燃料に変換されました。その他の出力には、きれいな水、燃料ガス、窒素、リン、カリウムなどの栄養素が含まれます。[97]
栄養素
窒素（N）、リン（P）、カリウム（K）などの栄養素は植物の成長に重要であり、肥料の必須成分です。シリカや鉄、その他の微量元素も、その欠乏によってその地域の成長や生産性が制限されるため、重要な海洋栄養素であると考えられます。[101]
二酸化炭素
泡立つCO
2藻類栽培システムにより、生産性と収量を大幅に向上させることができます（飽和点まで）。通常、約1.8トンのCO
2藻類バイオマス（乾燥）1トンあたりに利用されるが、これは藻類の種類によって異なる。[102]パースシャーのグレンタレット蒸留所はCOをパーコレートしている。
2ウイスキーの蒸留中に微細藻類バイオリアクターを通して作られる。1トンの微細藻類は2トンのCOを吸収する。
2このプロジェクトを運営するスコティッシュ・バイオエナジーは、微細藻類を高付加価値のタンパク質豊富な漁業用飼料として販売している。将来的には、藻類の残留物を利用して嫌気性消化により再生可能エネルギーを生産する予定である。[103]
窒素
窒素は藻類の成長に利用できる貴重な基質です。さまざまな窒素源を、さまざまな能力で藻類の栄養源として利用できます。成長するバイオマスの量に関しては、硝酸塩が好ましい窒素源であることがわかりました。尿素は、同等の結果を示す容易に入手できる源であり、藻類の大規模培養における窒素源の経済的な代替品となります。[104]窒素を含まない培地と比較して明らかに成長が増加しているにもかかわらず、窒素レベルの変化が藻類細胞内の脂質含有量に影響を与えることが示されています。ある研究[105]では、72時間の窒素欠乏により、総脂肪酸含有量（細胞あたり）が2.4倍に増加しました。最初の培養と比較すると、総脂肪酸の65％が油体中のトリアシルグリセリドにエステル化されており、藻類細胞が脂肪酸のde novo合成を利用したことを示しています。藻類細胞内の脂質含有量が十分に高いことと、適切な細胞分裂回数を維持することは非常に重要であるため、両方を最大化できるパラメータが調査中です。
廃水
考えられる栄養源としては、下水、農業、洪水氾濫原の排水処理からの廃水があり、これらはすべて現在主要な汚染物質であり健康リスクとなっている。しかし、この廃水は藻類に直接餌を与えることはできず、まず嫌気性消化によってバクテリアで処理されなければならない。廃水が藻類に到達する前に処理されなければ、リアクター内の藻類を汚染し、少なくとも望ましい藻類株の多くを死滅させてしまう。バイオガス施設では、有機廃棄物は二酸化炭素、メタン、有機肥料の混合物に変換されることが多い。消化器から出てくる有機肥料は液体で、藻類の成長にほぼ適しているが、まず洗浄して殺菌する必要がある。[106]
淡水資源の枯渇が続いているため、淡水の代わりに廃水や海水を利用することが強く推奨されている。しかし、廃水中の重金属、微量金属、その他の汚染物質は、細胞が脂質を生合成する能力を低下させ、細胞機構のさまざまな他の働きにも影響を及ぼす可能性がある。同じことは海水にも当てはまるが、汚染物質の濃度は異なる。したがって、農業用肥料は好ましい栄養源であるが、重金属は、特にこれらの金属に敏感な藻類の株にとって、やはり問題となる。開放型池システムでは、高濃度の重金属に対処できる藻類の株を使用することで、他の生物がこれらのシステムに侵入するのを防ぐことができる。[79]場合によっては、藻類の株が比較的短期間で産業廃水からニッケルと亜鉛の 90% 以上を除去できることが実証されている。[107]
環境への影響
トウモロコシや大豆などの陸上のバイオ燃料作物と比較すると、微細藻類は他のすべての油作物よりも油生産性が高いため、微細藻類生産では土地の占有面積がはるかに小さくなります。[108]藻類は、通常の作物には役に立たず、保全価値が低い限界地でも栽培でき、農業や飲料には役に立たない塩性帯水層の水を使用できます。[84] [109]藻類は、袋や浮きスクリーンで海面でも生育できます。[110]このように、微細藻類は、十分な食料と水の供給や生物多様性の保全にほとんど影響を与えることなく、クリーンなエネルギー源を提供できます。[111]藻類の栽培には、殺虫剤や除草剤の外部からの補助金も必要ないため、関連する農薬廃棄物が発生するリスクがありません。 さらに、藻類バイオ燃料は毒性がはるかに低く、石油ベースの燃料よりもはるかに容易に分解します。[112] [113] [114]しかし、可燃性燃料は引火しやすいため、列車の脱線やパイプラインの漏れなどで発火したりこぼれたりした場合は、環境に危険を及ぼす可能性があります。[115]藻類バイオ燃料は化石燃料に比べてはるかに局所的に生産できるため、また全体的に毒性が低いため、この危険性は低減されていますが、それでも危険性は依然として存在します。 したがって、藻類バイオ燃料は、輸送および使用において石油燃料と同様に扱われるべきであり、十分な安全対策が常に講じられるべきです。
研究では、化石燃料をバイオ燃料などの再生可能エネルギー源に置き換えることで、 COを削減できることが判明している。
2排出量を最大80％削減できる。[116]藻類ベースのシステムは、二酸化炭素の約80％を回収できる可能性がある。
2太陽光が利用可能なときに発電所から排出されるCO
2燃料が燃焼すると大気中に放出されるCO
2いずれにせよ大気中に放出されていたであろう。[109]総CO
2したがって、排出量削減の鍵はCOの放出を防ぐことにある。
2藻類バイオ燃料は化石燃料から作られています。さらに、ディーゼルや石油などの燃料、さらには他のバイオ燃料源と比較しても、藻類バイオ燃料の生産と燃焼では硫黄酸化物や亜酸化窒素が生成せず、一酸化炭素、未燃焼炭化水素、その他の有害な汚染物質の排出量が削減されます。[117]バイオ燃料生産の陸上植物源は、現在のエネルギー要件を満たす生産能力がないため、微細藻類は化石燃料の完全な代替に近づくための数少ない選択肢の1つである可能性があります。
微細藻類の生産には、塩水廃棄物や廃棄物COを使用する機能も含まれる。
2微細藻類バイオリアクターで使用すると、採取した微細藻類は、廃水から吸収された大量の有機化合物や重金属汚染物質を捕捉します。これらの汚染物質は、そのままでは地表水や地下水に直接排出されます。[108]さらに、このプロセスでは、廃棄物からリンを回収することもできます。リンは自然界では必須ですが希少な元素で、その埋蔵量は過去50年間で枯渇したと推定されています。[118]もう1つの可能性は、藻類生産システムを使用して非点源汚染を除去することです。これは、藻類芝生スクラバー（ATS）と呼ばれるシステムです。この方法は、富栄養化の影響を受けた河川やその他の大規模水域の窒素とリンのレベルを下げることが実証されており、1日あたり最大1億1000万リットルの水を処理できるシステムが構築されています。ATSは、上記の廃水などの点源汚染の処理や、家畜の排水の処理にも使用できます。[91] [119] [120]
多文化
藻類バイオ燃料に関する研究は、ほとんどすべて、微細藻類の単一種、つまり単一栽培に焦点を当ててきました。しかし、生態学的理論と実証的研究により、植物と藻類の複合栽培、つまり複数種のグループの方が単一栽培よりも収量が多い傾向があることが実証されています。[121] [122] [123] [124]また、実験では、多様性の高い水生微生物群集の方が、多様性の低い群集よりも経時的に安定する傾向があることも示されています。[125] [126] [127] [128]最近の研究では、微細藻類の複合栽培の方が単一栽培よりも脂質収量が大幅に高いことがわかりました。[129] [130]また、複合栽培は害虫や病気の発生、および他の植物や藻類の侵入に対してより耐性がある傾向があります。 [ 131]このように、微細藻類を複合培養することで、バイオ燃料の収量と収量の安定性が向上するだけでなく、藻類バイオ燃料産業の環境への影響も軽減される可能性がある。[111]
経済的実現可能性
持続可能なバイオ燃料生産の需要があることは明らかだが、特定のバイオ燃料が最終的に使用されるかどうかは、持続可能性ではなくコスト効率にかかっている。そのため、藻類バイオ燃料生産のコストを従来の石油と競争できるレベルまで削減することに研究の焦点が当てられている。[26] [132]藻類からのいくつかの製品の生産は、藻類生産を経済的に実行可能にするための最も重要な要素として言及されている[曖昧な言葉]。他の要素としては、太陽エネルギーからバイオマスへの変換効率の向上（現在は3％だが、理論的には5〜7％が達成可能[133]）と藻類からの油抽出の容易化が挙げられる。[134]
2007年の報告書[26]では、藻類油が石油ディーゼルの代替品として実用化されるためのコストを推定する式が導き出されました。
- C (藻類油) = 25.9 × 10 −3 C (石油)
ここで、C （藻類油）はガロン当たりの微細藻類油の価格（ドル）、C （石油）はバレル当たりの原油の価格（ドル）。この式は、藻類油のカロリーエネルギー値が原油の約80％であると仮定している。[135]
IEAは、藻類バイオマスは温暖な気候のオープンポンドでは1kgあたりわずか0.54ドル、寒冷な気候では光バイオリアクターで1kgあたり10.20ドルで生産できると推定している。[136]バイオマスに重量の30%の油が含まれていると仮定すると、1リットルの油を供給するためのバイオマスのコストは、光バイオリアクターとレースウェイでそれぞれ約1.40ドル（1ガロンあたり5.30ドル）、1.81ドル（1ガロンあたり6.85ドル）となる。光バイオリアクターで生産された低コストのバイオマスから回収された油は、回収プロセスが最終的に回収された油のコストの50%を占めると仮定すると、1リットルあたり2.80ドルかかると推定される。[26]既存の藻類プロジェクトが1ガロンあたり1ドル未満のバイオディーゼル生産価格目標を達成できれば、米国は2020年までに環境的にも経済的にも持続可能な藻類生産による燃料を使用して輸送燃料の最大20％を置き換えるという目標を達成できるかもしれない。[137]
収穫などの技術的な問題は業界でうまく対処されているが、藻類からバイオ燃料を製造する施設への高額な先行投資は、この技術の成功に対する大きな障害であると多くの人に見られている。経済的実現可能性に関する研究は公開されているものが少なく、公開されているわずかなデータ（多くの場合はエンジニアリング推定値のみ）に頼らざるを得ないことが多い。Dmitrov [138] はGreenFuel の 光バイオリアクターを調査し、藻類油は石油価格が 1 バレルあたり 800 ドルの場合にのみ競争力があると推定した。Alabi らによる研究[139]は、藻類からバイオ燃料を製造するためのレースウェイ、光バイオリアクター、嫌気性発酵槽を調査し、光バイオリアクターはバイオ燃料を製造するには高価すぎることを発見した。レースウェイは、労働コストが非常に低い温暖な気候では費用対効果が高い可能性があり、発酵槽は大幅なプロセス改善によって費用対効果が高くなる可能性があります。研究グループは、藻類バイオ燃料が従来の燃料とコスト競争力を持つには、資本コスト、人件費、運用コスト（肥料、電気など）が高すぎることを発見した。同様の結果は他の研究者によっても得られており、[140] [141] [142]、藻類をバイオ燃料生産に利用する新しい安価な方法が見つからない限り、その大きな技術的可能性が経済的に実現する可能性は決してないことを示唆している。2012年、ロドリゴ・E・テイシェイラ[143]は新しい反応を実証し、現在の方法のほんの一部のエネルギーで細胞成分をすべて抽出できる、バイオ燃料と化学品生産のための原材料を収穫して抽出するプロセスを提案した。
副産物の利用
微細藻類の加工で生成される副産物の多くは、さまざまな用途に使用できますが、その多くは藻類バイオ燃料よりも長い生産歴があります。バイオ燃料の生産に使用されない製品には、天然染料や顔料、抗酸化剤、その他の高価値の生物活性化合物などがあります。[80] [144] [145]これらの化学物質と余剰バイオマスは、他の業界でさまざまな用途に使用されています。たとえば、染料や油は、一般的に増粘剤や保水剤として化粧品に使用されています。[146]製薬業界での発見には、微細藻類由来の抗生物質や抗真菌剤、および過去数十年にわたって人気が高まっている天然健康製品があります。たとえば、スピルリナには、多数の多価不飽和脂肪（オメガ3および6）、アミノ酸、ビタミン[147]、およびベータカロチンやクロロフィルなどの有益な可能性のある色素が含まれています。[148]
利点
成長のしやすさ
従来の作物と比較して、微細藻類を原料として使用することの主な利点の1つは、はるかに簡単に栽培できることです。[149]藻類は、通常使用される作物の栽培には適さないと考えられる土地でも栽培できます。[80]これに加えて、通常は植物の成長を妨げる廃水が藻類の栽培に非常に効果的であることが示されています。[149]このため、藻類は、本来は食用作物の生産に使用される耕作地を占有することなく栽培でき、より良い資源を通常の作物生産のために確保できます。微細藻類は成長に必要な資源が少なく、ほとんど注意を払う必要がないため、藻類の成長と栽培は非常に受動的なプロセスになります。[80]
食品への影響
トウモロコシやヤシなど、バイオディーゼルの伝統的な原料の多くは、農場の家畜の飼料としてだけでなく、人間の貴重な食料源としても使用されています。このため、これらをバイオ燃料として使用すると、両者に利用可能な食料の量が減り、結果として食料と燃料の両方のコストが上昇します。藻類をバイオディーゼルの原料として使用することで、この問題をいくつかの方法で軽減できます。まず、藻類は人間の主食として使用されないため、燃料としてのみ使用でき、食品業界への影響はほとんどありません。[150]次に、藻類をバイオ燃料用に処理する際に生成される廃棄物抽出物の多くは、十分な動物飼料として使用できます。これは廃棄物を最小限に抑える効果的な方法であり、より伝統的なトウモロコシや穀物ベースの飼料よりもはるかに安価な代替品です。[151]
廃棄物の最小化
バイオ燃料の原料として藻類を栽培することは、環境面で多くの利点があることも示されており、現在のバイオ燃料よりもはるかに環境に優しい代替品として注目されています。まず、農業の副産物である肥料やその他の栄養素で汚染された流出水を、水と栄養素の主な供給源として利用できます。[149]これにより、汚染された水が現在飲料水を供給している湖や川に混ざるのを防ぎます。さらに、通常であれば水を危険にさらすアンモニア、硝酸塩、リン酸塩は、実際には藻類にとって優れた栄養素となるため、藻類の栽培に必要な資源が少なくて済みます。[80]バイオディーゼル生産に使用される多くの藻類種は、優れたバイオ固定剤であり、大気から二酸化炭素を除去して、自分自身のエネルギーとして使用することができます。このため、業界では、排気ガスを処理し、温室効果ガスの排出を削減する方法として使用されています。[80]
デメリット
高い水需要
微細藻類の栽培プロセスは大量の水を必要とします。ライフサイクル研究では、微細藻類ベースのバイオディーゼル1リットルの生産には607〜1944リットルの水が必要であると推定されています。[152]とはいえ、理論的には淡水の代わりに、さまざまな栄養素を含む豊富な廃水や海水もこの目的に使用できます。
商業的実現可能性
藻類バイオディーゼルはまだかなり新しい技術です。研究は30年以上前に始まりましたが、1990年代半ばには資金不足と比較的低い石油価格のために中断されました。[19]その後数年間、藻類バイオ燃料はほとんど注目されませんでしたが、2000年代初頭のガスピークまで、代替燃料源の探索でようやく再活性化しました。[19]
炭素隔離、富栄養化の削減、食糧生産を目的とした海藻養殖への関心が高まり、2017年以降、商業的な海藻栽培が生まれました。[153]栽培と収穫のコスト削減と商業産業の発展により、大型藻類バイオ燃料の経済性が向上します。気候変動により、カリブ海の海岸に打ち上げられる褐色大型藻類マットが急増しています。現在、これらのマットは処分されていますが、バイオ燃料生産の原料として開発することに関心があります。[154]
安定性
微細藻類を加工して生産されるバイオディーゼルは、多価不飽和脂肪の含有量が他のバイオディーゼルと異なります。[149]多価不飽和脂肪は、低温でも流動性を保つ能力があることで知られています。これは、冬の寒い時期の生産には有利に思えるかもしれませんが、多価不飽和脂肪は通常の季節の気温では安定性が低くなります。[150]
国際政策
カナダ
1975 年の石油危機以来、米国、カナダ、ヨーロッパでは再生可能燃料の使用を促進するために数多くの政策が実施されてきました。カナダでは、プロパンと天然ガスを免税とする物品税の導入が含まれ、1992 年にはバイオマスとメタノールから作られたエタノールにも適用されました。連邦政府も 2006 年に再生可能燃料戦略を発表し、規制を通じて再生可能燃料の利用可能性を高める、カナダの再生可能燃料生産の拡大を支援する、農家がこの分野で新しい機会をつかむのを支援する、新しい技術の商業化を加速するという 4 つの要素を提案しました。これらの命令は、カナダの各州によってすぐに追随されました。
アメリカ合衆国
米国の政策には、通常 28 億 4,000 万ドルを含む、連邦政府と州政府による石油産業への補助金の削減が含まれています。これは、バイオ燃料産業に実際に割り当てられている金額よりも大きいです。この対策はピッツバーグの G20 で議論され、リーダーたちは「非効率的な化石燃料補助金は無駄な消費を促し、エネルギー安全保障を低下させ、クリーンな資源への投資を妨げ、気候変動の脅威に対処する努力を弱める」ことに同意しました。この約束が守られ、補助金が撤廃されれば、藻類バイオ燃料が競争できるより公正な市場が生まれるでしょう。2010 年、米国下院は連邦税額控除プログラムで藻類ベースのバイオ燃料をセルロース バイオ燃料と同等に扱うことを求める法案を可決しました。藻類由来再生可能燃料促進法（HR 4168）は、バイオ燃料プロジェクトに1ガロンあたり1.01ドルの生産税控除とバイオ燃料工場資産の50％の特別償却を与えるために施行された。米国政府はまた、2011年に施行された国内の国家安全保障強化のための燃料法を導入した。この政策は、1949年の連邦財産管理サービス法と連邦防衛規定の修正であり、先進バイオ燃料の購入の場合に国防総省（DOD）が締結できる複数年契約の年数を15年に延長するものである。連邦およびDODのプログラムは通常5年間に制限されている[155]
他の
欧州連合（EU）も、バイオ燃料および燃料品質指令の改正として制定された第二世代藻類バイオ燃料のクレジットを4倍にすることで対応した[156]
参照
- アセトン・ブタノール・エタノール発酵 – 化学プロセス
- 生化学工学 – 生物の化学反応による製造
- 生物学的水素生産（藻類） – 生物学的に生産される水素
- カーボンニュートラル – 人為的温室効果ガス排出量の割合
- カルチャーバイオシステムズ – 再生可能エネルギー企業
- シアノトキシン – シアノバクテリアが産生する毒素
- 直接空気回収 – 空気中の二酸化炭素から炭素を回収する方法
- 国際再生可能エネルギー同盟
- ジュール・アンリミテッド
- 藻類燃料生産者リスト
- 海洋温度差エネルギー変換 – 海からエネルギーを抽出する
- 藻類学 – 藻類の研究に関わる植物学の分野
- 植物プランクトン – プランクトン生態系の独立栄養生物
- 残留炭酸ナトリウム指数
- スコットランド海洋科学協会 – スコットランド海洋学協会および研究組織
- Sea6 Energy – インドのバンガロールに拠点を置く海藻会社
- 熱分解 – ポリマーを分解するプロセス
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さらに読む
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、藻類燃料に関連するメディアがあります。
- 藻類油の商業利用と生産に関する報告書
- 藻類由来のバイオ燃料を冷静に見る（バイオディーゼル マガジン）
- 米国国立再生可能エネルギー研究所の出版物
- 藻類バイオ燃料生産の現状と可能性