藻類燃料

バイオディーゼルは、動物性または植物性の脂質（油脂）から得られるディーゼル燃料です。研究によると、藻類の中には乾燥重量の60%以上を油の形で生成できる種があることが示されています。^{[ 12 ] [ 15 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}細胞は水懸濁液中で増殖するため、水やCO2へのアクセスがより効率的になります。₂および溶存栄養素があれば、微細藻類は、高速藻類池^{[ 28 ]}または光バイオリアクターのバイオディーゼルに変換できます。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します。 ^{[ 29 ]}

微細藻類は、葉、茎、根のための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んで培養できるため、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のバイオマスを油に変換できる。例えば、大豆の2～3%に対し、微細藻類は60%である。^{[ 25 ]}藻類からの単位面積当たりの油収量は、脂質含有量に応じて58,700～136,900 L/ha/年と推定されており、これは次に収量が高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、バイオディーゼルは現在の世界のディーゼル使用量を代替す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年間11億トンの従来のディーゼルの世界生産量を代替する場合、5730万ヘクタールの土地が 必要となり、これは他のバイオ燃料と比較して非常に有利である。^{[ 32 ]}

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、植物油の水素化処理^{[ 33 ]}または水素由来再生可能ディーゼルとも呼ばれる）^{[ 34 ]}を生産するために使用できます。^{[ 33 ] [ 35 ]}石油ベースのディーゼルと同じ化学的性質を持つ^{[ 33 ]}ため、流通と使用のために新しいエンジン、パイプライン、またはインフラストラクチャは必要ありません。石油と競争力のあるコストで生産されるにはまだ至っていません。^{[ 34 ]水素化処理は現在、脱炭酸/脱カルボニル化を介して燃料のような炭化水素を生産する最も一般的な経路ですが、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、Crocker ら[ 36 ]}とLercher ら^{[ 37 ]}の研究は特に注目に値します。石油精製に関しては、脱炭酸による再生可能燃料の触媒変換の研究が進められている。^{[ 38 ]}原油中の酸素含有量は0.5%程度とかなり低いため、石油精製における脱酸素化はそれほど重要ではなく、酸素含有化合物の水素化処理専用の触媒は開発されていない。したがって、藻類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。^{[ 39 ] [ 40 ]}

ブタノールは、太陽光発電のバイオリファイナリーのみを使用して藻類または珪藻から製造できます。この燃料のエネルギー密度はガソリンより10%低く、エタノールまたはメタノールより高くなっています。ほとんどのガソリンエンジンでは、ブタノールは改造なしでガソリンの代わりに使用できます。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ほぼ同じで、ガソリンと混合すると、エタノールまたはE85よりも優れた性能と耐腐食性を提供します。^{[ 41 ]}

藻類油抽出後に残る緑色の廃棄物は、ブタノールの製造に利用できます。さらに、大型藻類（海藻）はクロストリジウム属の細菌によって発酵され、ブタノールやその他の溶剤に変換されることが示されています。^{[ 42 ]}また、 Chaetomorpha linum、Ulva lactuca、Enteromorpha compressa（Ulva ）などの種では、海藻油のエステル交換（バイオディーゼルへの変換）も可能です。^{[ 43 ]}

以下の種は、エタノールおよび/またはブタノールを生産するのに適した種として調査されています。^{[ 44 ]}

• アラリア・エスクレンタ
• ラミナリア・サッカリナ
• Palmaria palmata ^{[ 45 ]}

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す。従来生産されたガソリンと同様に、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、内燃機関で使用できます。^{[ 46 ]}

バイオガスは主にメタン（CH ₄）と二酸化炭素（CO _{2 ）からなり、}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、大型藻類原料のコストが高いため経済的には実現可能ではありません。^{[ 47 ]}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。藻類バイオマスをメタンに変換すると、得られるエネルギーと同じだけ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%未満の場合の方がより収益性が高くなります。^{[ 48 ]}微細藻類からのバイオガス生産は、微細藻類中のタンパク質の比率が高いため比較的低いが、微細藻類は古紙などの高C/N比の製品と共消化することができる。^{[ 49 ]}バイオガスを生成するもう1つの方法はガス化であり、炭化水素は高温（通常800 ℃～1000 ℃）での部分酸化反応によって合成ガスに変換される。ガス化は通常触媒を使用して行われる。触媒なしのガス化には約1300 ℃の温度が必要である。合成ガスは直接燃焼させてエネルギーを生産したり、タービンエンジンの燃料として使用したりすることができる。また、他の化学製品の原料としても使用できる。^{[ 50 ]}   

天然ガスの主成分であるメタン^{[ 51 ]}は、藻類からガス化、熱分解、嫌気性消化などのさまざまな方法で生成できます。ガス化と熱分解の方法では、メタンは高温高圧下で抽出されます。嫌気性消化^{[ 52 ]}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、固形粒子を除去し、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という単純な方法です。多くの研究で、微細藻類のバイオマスを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。^{[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]}したがって、微細藻類の培養操作の全体的なエネルギーバランスを改善するために、廃棄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て発電することが提案されています。^{[ 58 ]}

メキシコ、ソノラ州プエルト・リベルタッドでBioFields社が商業化しているAlgenolシステムは、海水と工業排ガスを利用してエタノールを生産します。Porphyridium cruentum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示されています。^{[ 59 ]}

藻類をバイオ燃料として使用する試みは、2008年にはすでにルフトハンザ航空とヴァージン・アトランティック航空によって行われていたが、藻類がジェット燃料のバイオ燃料の合理的な供給源であるという証拠はほとんどない。 ^{[ 60 ]} 2015年までに、イソクリシス藻類からの脂肪酸メチルエステルとアルケノンの培養が、ジェット燃料のバイオ燃料原料として研究されていた。^{[ 61 ]}

2022年5月、ケンブリッジ大学の科学者たちは、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。この装置は当初6か月間プロセッサに電力を供給し、その後1年間稼働し続けた。単3電池ほどの大きさのこの装置は、水と藍藻類が入っ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、IoT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を不要にする。目標は、遠隔地で使用できる、より環境に優しい電源を実現することである。^{[ 62 ]}

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く普及していない。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（外気に触れない系）は、空気によって運ばれてくる他の微生物による汚染の問題を回避できる。密閉系の問題点は、安価な無菌CO2供給源を見つけることである。_2．複数の実験者がCOを発見した煙突からの_{2は藻類の栽培によく効く。} ^{[ 82 ]}経済的な理由から、バイオ燃料用の藻類養殖は、廃熱を利用して汚染物質を吸収できるコジェネレーション の一部として行う必要があると考える^{専門家もいる。 [ 83 ]}

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には、ライトガイド、スパージャー、PBR構造材料などの戦略を十分に検討する必要がある。^{[ 84 ]}

バイオ燃料の原料として藻類を研究している企業のほとんどは、栄養豊富な水をプラスチックまたはホウケイ酸ガラス製のチューブ（「バイオリアクター」と呼ばれる）に通し、日光に当てています（いわゆる光バイオリアクターまたはPBR）。^{[ 85 ]}

PBRの運用は開放型池の使用よりも難しく、コストも高くなりますが、より高いレベルの制御と生産性が得られ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のコジェネレーションシステムに統合できます。

開放型池システムは、多くの場合パドルホイールで攪拌される単純な地中池で構成されています。これらのシステムは、閉鎖型光バイオリアクターシステムと比較して、電力要件、運転コスト、および設備投資コストが低くなっています。^{[ 86 ] [ 85 ]}高付加価値藻類製品を製造する商業藻類生産者のほぼ全員が開放型池システムを利用しています。^{[ 87 ]}

藻類スクラバーは、藻類マットを使用して水から栄養分や汚染物質を除去することを主な目的としたシステムです。藻類マットスクラバー（ATS）は、廃水や天然水源から栄養分が豊富な水を取り込み、傾斜面にパルス状に流すことで、天然のサンゴ礁の藻類マットを模倣します。^{[ 88 ]}この表面は粗いプラスチック膜またはスクリーンで覆われており、これにより自然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、^{[ 89 ]} 1ヘクタールあたり年間18メトリックトンの藻類バイオマスを生産できます。^{[ 90 ]}主に単一の高収量藻類種に焦点を当てる他の方法とは対照的に、この方法は自然発生する藻類の混作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。^{[ 90 ]}逆に、収穫された藻類を水熱液化プロセスで処理すると、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。^{[ 91 ]}

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つ目は、開放型池システムよりも生産性が高いことが実証されている点です。^{[ 92 ]} 2つ目は、運転コストと燃料生産コストが低い点です。3つ目は、自然発生する藻類種に依存するため、汚染の問題が解消される点です。ATSシステムでのエネルギー生産の予測コストは$0.75/kgですが、光バイオリアクターでは$3.50/kgになります。^{[ 90 ]}さらに、ATSの主な目的は水から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、栄養素除去を主な機能としてこの技術を使用することが奨励され、バイオ燃料生産は付加的な利点となる可能性があります。^{[ 93 ]}

多くの場合、藻類は脱水され、その後ヘキサンなどの溶媒を使用して、乾燥材料からトリグリセリドなどのエネルギー豊富な化合物が抽出されます。 ^{[ 1 ] [ 95 ]}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、エステル交換反応によりバイオディーゼルを生成します。^{[ 1 ]}各藻類種の脂肪酸の独自の組成は、得られるバイオディーゼルの品質に影響を与えるため、原料として藻類種を選択する際には考慮する必要があります。^{[ 26 ]}

水熱液化と呼ばれる別のアプローチでは、収穫した湿った藻類を高温高圧（350 °C (662 °F)、3,000 ポンド/平方インチ (21,000 kPa)）にさらす連続プロセスを採用しています。^{[ 96 ] [ 97 ] [ 98 ]}   

製品には原油が含まれ、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することができます。^{[ 99 ]}試験プロセスでは、藻類の炭素の約79パーセントを燃料に変換できます。^{[ 96 ]}

泡立つCO₂藻類培養システムによって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CO2が₂ will be utilised per tonne of algal biomass (dry) produced, though this varies with algae species.^[101] The Glenturret Distillery in Perthshire percolate CO₂ made during the whisky distillation through a microalgae bioreactor. Each tonne of microalgae absorbs two tonnes of CO₂. Scottish Bioenergy, who run the project, sell the microalgae as high value, protein-rich food for fisheries. In the future, they will use the algae residues to produce renewable energy through anaerobic digestion.^[102]

Nitrogen is a valuable substrate that can be utilized in algal growth. Various sources of nitrogen can be used as a nutrient for algae, with varying capacities. Nitrate was found to be the preferred source of nitrogen, in regards to amount of biomass grown. Urea is a readily available source that shows comparable results, making it an economical substitute for nitrogen source in large scale culturing of algae.^[103] Despite the clear increase in growth in comparison to a nitrogen-less medium, it has been shown that alterations in nitrogen levels affect lipid content within the algal cells. In one study^[104] nitrogen deprivation for 72 hours caused the total fatty acid content (on a per cell basis) to increase by 2.4-fold. 65% of the total fatty acids were esterified to triacylglycerides in oil bodies, when compared to the initial culture, indicating that the algal cells utilized de novo synthesis of fatty acids. It is vital for the lipid content in algal cells to be of high enough quantity, while maintaining adequate cell division times, so parameters that can maximize both are under investigation.

A possible nutrient source is wastewater from the treatment of sewage, agricultural, or flood plain run-off, all currently major pollutants and health risks. However, this waste water cannot feed algae directly and must first be processed by bacteria, through anaerobic digestion. If waste water is not processed before it reaches the algae, it will contaminate the algae in the reactor, and at the very least, kill much of the desired algae strain. In biogas facilities, organic waste is often converted to a mixture of carbon dioxide, methane, and organic fertilizer. Organic fertilizer that comes out of the digester is liquid, and nearly suitable for algae growth, but it must first be cleaned and sterilized.^[105]

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ます。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、細胞の様々な機能にも影響を与える可能性があります。海水についても同様ですが、汚染物質の濃度は異なります。そのため、農業用肥料が好ましい栄養源ですが、重金属はここでも問題となり、特にこれらの金属に感受性のある藻類の株にとっては深刻です。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ます。^{[ 79 ]}場合によっては、藻類の株が比較的短期間で工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示されています。^{[ 106 ]}

藻類バイオ燃料に関する研究のほぼすべては、微細藻類の単一種、つまり単培養に焦点を当ててきました。しかし、生態学的理論と実証研究では、植物と藻類の混培養、つまり複数の種のグループが、単培養よりも大きな収量を生み出す傾向があることが示されています。^{[ 121 ] [ 122 ] [ 123 ] [ 124 ]}また、実験では、より多様な水生微生物群集は、多様性の低い群集よりも時間の経過ととも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、微細藻類の混培養は、単培養よりも有意に高い脂質収量を生み出すことがわかりました。^{[ 129 ] [ 130 ]}また、混培養は、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抵抗力がある傾向があります。^{[ 131 ]}このように、微細藻類を混作培養することで、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負荷も軽減できる可能性がある。^{[ 110 ]}

従来の作物と比較して、微細藻類を原料として使用する主な利点の1つは、はるかに簡単に栽培できることです。^{[ 150 ]}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栽培できます。^{[ 80 ]}さらに、通常は植物の生育を阻害する廃水が、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。^{[ 150 ]}このため、藻類は、本来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。また、微細藻類は生育に必要な資源が少なく、ほとんど注意を必要としないため、藻類の生育と栽培は非常に受動的なプロセスになります。^{[ 80 ]}

バイオディーゼルの原料としてよく使われるトウモロコシやパーム油などは、農場で家畜の飼料として使われるだけでなく、人間にとっても貴重な食料源です。そのため、これらをバイオ燃料として使うと、両方に使える食料の量が減り、食料と燃料の両方の生産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うことで、この問題をいくつかの方法で軽減できます。まず、藻類は人間の主要な食料源ではないため、燃料としてのみ使用でき、食品産業への影響はほとんどありません。^{[ 151 ]}第二に、バイオ燃料用に藻類を処理する際に発生す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、従来の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手段です。^{[ 152 ]}

バイオ燃料の原料として藻類を栽培することは、数多くの環境上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手段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排水を、水と栄養素の主要な供給源として利用できます。^{[ 150 ]}このため、汚染された水が、現在私たちの飲料水を供給している湖や川に混入するのを防ぐことができます。さらに、通常であれば水を安全でないものにするアンモニア、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して機能するため、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藻類の多くは、優れたバイオ固定能力を持ち、大気中の二酸化炭素を除去してエネルギーとして利用することができます。そのため、産業界では、排ガス処理や温室効果ガス排出量の削減に利用されています。^{[ 80 ]}

微細藻類の培養プロセスは、非常に多くの水を必要とします。ライフサイクル研究では、微細藻類由来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。^{[ 153 ]}とはいえ、さまざまな栄養素も含む豊富な廃水や海水は、理論的には淡水の代わりにこの目的に使用できます。

藻類バイオディーゼルは、まだ比較的新しい技術です。研究は30年以上前に始まったにもかかわらず、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。2000年代初頭のガス価格のピークまで、代替燃料源の探索の中で、藻類バイオ燃料は再び活況を呈することはありませんでした。^{[ 19 ]}

炭素隔離、富栄養化の抑制、食料生産のための海藻養殖への関心の高まりにより、2017 年以降、商業的な海藻養殖が誕生しました。^{[ 154 ]}栽培と収穫のコスト削減、および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藻類のマットが大量に発生しています。現在、これらのマットは廃棄されていますが、バイオ燃料生産の原料として開発することに関心が寄せられています。^{[ 155 ]}

微細藻類の処理によって生産されるバイオディーゼルは、多価不飽和脂肪酸の含有量において他の形態のバイオディーゼルと異なる。^{[ 150 ]}多価不飽和脂肪酸は、低温でも流動性を維持する能力があることで知られている。これは、冬の低温下での生産においては利点のように思えるかもしれないが、多価不飽和脂肪酸は、通常の季節温度下では安定性を低下させる。^{[ 151 ]}

1975年の石油危機以降、米国、カナダ、ヨーロッパでは再生可能燃料の利用促進を目的とした数多くの政策が実施されてきた。カナダでは、プロパンと天然ガスに対する物品税の免除が導入され、1992年にはバイオマス由来のエタノールとメタノールにも適用範囲が拡大された。連邦政府は2006年に再生可能燃料戦略を発表し、規制による再生可能燃料の供給拡大、カナダにおける再生可能燃料生産の拡大支援、農家がこの分野で新たな機会を掴むための支援、新技術の商業化加速という4つの要素を提案した。これらの政策は、カナダの各州でも速やかに実施された。

米国の政策には、連邦政府と州政府が石油産業に提供している補助金の削減が含まれており、通常その額は28億4000 万ドルである。これは、バイオ燃料産業に実際に割り当てられている額よりも多い。この措置はピッツバーグのG20で議論され、首脳らは「非効率な化石燃料補助金は浪費的な消費を助長し、エネルギー安全保障を低下させ、クリーンエネルギー源への投資を妨げ、気候変動の脅威に対処する努力を損なう」と合意した。この約束が履行され、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平な市場が生まれるだろう。2010年、米国下院は、藻類ベースのバイオ燃料を連邦税額控除プログラムにおいてセルロースバイオ燃料と同等にするための法案を可決した。藻類ベースの再生可能燃料促進法（HR 4168）は、バイオ燃料プロジェクトが1ガロンあたり1.01ドルの生産税額控除とバイオ燃料プラント資産の50%の特別償却を受けられるようにす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燃料法を導入した。この政策は、1949年の連邦財産および行政サービス法と連邦防衛規定の改正であり、先進バイオ燃料の購入の場合に国防総省（DOD）の複数年契約を締​​結できる年数を15年に延長するものである。連邦政府およびDODのプログラムは通常5年間に制限されている^{[ 156 ]。}

欧州連合（EU）もこれに対応し、バイオ燃料指令および燃料品質指令の改正として確立された第二世代藻類バイオ燃料のクレジットを4倍にした。^{[ 157 ]}