藻類栄養液

藻類栄養液は、化学塩と海水の混合物でできています。^[1]栄養液は「成長培地」と呼ばれることもありますが（例えば、二酸化炭素と光を加えたホアグランド溶液）、藻類の成長に必要な材料を提供します。肥料とは対照的に、栄養液は水生環境での使用に特化して設計されており、その組成ははるかに正確です。^[2]統合システムでは、発電所から排出される二酸化炭素と、産業および家庭から排出される廃水を利用して藻類バイオマスを収集できます。このアプローチにより、二酸化炭素固定と廃水処理の両方で微細藻類の能力を同時に活用できます。^[3]藻類、大型藻類、微細藻類は、重要な地球規模の課題に対処する上で有望です。藻類ベースのソリューションを通じて持続可能な開発目標を推進し、健全な地球規模の生態系を促進することができます。^[4]

藻類ベースのソリューションを作成するためのインフラストラクチャには、オープン ポンド/レースウェイ ポンドと光バイオ リアクター(PBR)の 2 つがあります。

光バイオリアクターは藻類の栽培でますます普及しており、特に貴重な資源の生産や小規模な実験用途で広く使用されています。最近では、理想的な成長条件を作り出す能力があるため、大規模な藻類バイオマス生産に光バイオリアクターを使用する検討が増えています。密閉されたリアクターは細菌汚染から保護し、浅いチューブを使用することで光を効果的に利用できます。泡立ちによるCO2の注入により炭素吸収の効率が向上し、設計により水の損失が最小限に抑えられます。レースウェイ池と比較して、光バイオリアクターは生産性が大幅に高くなります。^[5]

レースウェイポンドは、廃水処理システムで利用される酸化溝によく似ており、浅い深さと、幅をはるかに超える長さで特徴付けられる広大な開放型盆地です。通​​常、レースウェイポンドは、ポリ塩化ビニル ( PVC ) で裏打ちされたコンクリートシェルで構築され、長さは10〜100メートル、幅は1〜10メートル、深さは10〜50センチメートルです。ウィリアムJ.オズワルドは、環境工学の分野の人物であり、特に廃水処理と藻類栽培への貢献で知られています。ウィリアムJ.オズワルドは、廃水処理における藻類の使用に関する研究で有名です。彼は、費用対効果が高く環境に優しい栄養素除去とバイオマス生産の方法として、藻類池と廃水処理プラントの統合を提唱しました。 1950年代、オズワルドは藻類栽培と廃水処理を統合する最も実現可能な方法としてオープンポンドを提唱しました。1950年代以降の彼の研究は、世界中で藻類ベースの処理システムの開発と実装への道を開きました。^[5]

バイオマスを最大限に活用するには、加工段階の開始時に藻類を効率的に収集することが重要です。収穫方法は、栽培する藻類の種類によって異なります。細胞サイズが小さい微細藻類は、より大きな大型藻類に比べてより高度な収穫技術が必要です。多くの場合、適切な水分含有量の最終バイオマスを得るために、複数の方法を組み合わせて使用​​されます。藻類を収穫する一般的な方法には、マイクロフィルターの使用、粒子を凝集させる（凝集）、沈殿させる（沈降）、浮選、遠心分離機の使用などがあります。^[5]

バイオディーゼルは、従来の化石ディーゼル燃料に対する有望な候補です。年間最大4～6回の収穫サイクルを誇る急速な成長は、注目すべき利点です。バイオ燃料生産の先行者とは異なり、大型藻類は水生環境で繁殖するため、土地利用や淡水消費に関する懸念を回避できます。炭水化物とバイオマスの生産量が高く、広く入手可能で、食用作物や耕作地との競合を回避できるなど、いくつかの点で陸上バイオマスを上回っています。副産物の品質も魅力を高めています。特に、 CO2を隔離し、廃水処理プロセスにシームレスに統合できる能力により、持続可能なエネルギーイニシアチブの側面が強化されます。大型藻類は、海水から都市廃水まで、さまざまな環境で繁殖し、耕作地も工業用肥料も必要としません。さらに、熱または生物学的ガス化によるバイオメタン生産に活用できるため、バイオマス選択の柔軟性が得られます。^[4]

近年、微細藻類のバイオ燃料源としての可能性に大きな注目が集まっています。微細藻類は、年間1エーカーあたり19,000～57,000リットルの油を生産し、他の形態のバイオディーゼル資源を上回っています。この油は、従来のエステル交換法を使用してバイオディーゼルに変換されます。残留バイオマスには、脂質、タンパク質、可溶性多糖類などの貴重な成分が含まれています。これらの成分は、さまざまな熱化学および生化学経路を通じてバイオオイル、バイオエタノール、バイオ水素、バイオガスの生産に活用でき、全体的なエネルギーバランスが向上します。^[4]

藻類は人間の代替食料源としても役立ちます。藻類はタンパク質含有量が非常に高く、特にPyropia teneraのような赤い品種では乾燥重量の47%を占めることもあります。これらのタンパク質は、必須アミノ酸を提供する食事性タンパク質源としてだけでなく、特定の酵素を含む生理活性特性としても貴重です。藻類はゼラチンの代替品であり、低炭水化物、グルテンフリー、無脂肪の食品を作るためのより自然で健康的な供給源にもなります。^[4]

藻類は、従来の食料や飼料源と競合せず、土地利用の変更も必要としないため、従来の食料や飼料源に比べて明確な利点があります。この特性により、藻類ベースの燃料は、将来的に食料と燃料のジレンマを緩和する有望な解決策となります。他のバイオ燃料とは異なり、藻類原料は食品市場価格の変動の影響を受けないため、藻類ベースの燃料の消費者にとって価格の安定性が高まります。藻類は、その急速な成長速度とヘクタールあたりの並外れた収量により、陸上バイオマスを大幅に上回る大きな可能性を秘めています。地球上で最も急速に増殖する生物として知られ、わずか数時間で繁殖することができます。行われた研究では、その驚くべき能力が強調されており、成長速度は食用作物の20〜30倍速く、代替バイオ燃料源の最大30倍の燃料を生産することが実証されています。^[6]

藻類は地理的多様性を示し、地球上で最も過酷な環境を含む多様な気候で繁栄することができます。藻類は、農業的に生産性の高い土地や環境に敏感な土地を繁殖のために必要とすることなく、さまざまな高度、緯度、地理にわたって適応性を示しています。食料と燃料の競争や土地の占有により持続可能性への懸念を引き起こしている油ヤシや菜種などのエネルギー作物とは異なり、藻類は耕作可能な土地をめぐって作物と競合せず、過酷な環境に適応する能力があるため、農業に適さない荒れ地を利用することができます。さらに、この適応性により、産業、都市、農業の廃水、および埋立地での生存が可能になり、窒素（N）やリン（P）などの栄養素を除去することで廃水処理が容易になり、コミュニティがきれいな水にアクセスできるようになります。^[6]

水生生態系において、藻類は光合成を利用して水と二酸化炭素を糖に変換し、同時に副産物として酸素を放出することで極めて重要な役割を果たしています。しかし、不適切な管理は重大な環境影響を引き起こす可能性があります。その結果の 1 つは、主に陸地からの流出によって引き起こされる藻類の大量発生または富栄養化です。これにより過剰な栄養流入が起こり、藻類の過剰増殖が促進されます。これらの藻類の大量発生が減少すると、細菌が大量の溶存酸素を消費し、水中の酸素レベルが低下します。この現象により、酸素が最小限またはまったくないデッドゾーンまたは低酸素症が形成され、水生生物にとって適さなくなります。^[6]

オープンポンドは藻類の栽培に使用できますが、生産量が少なく、年間を通じて開発が必要になる場合があります。^[5] PBRは生産性が高いにもかかわらず、主に小規模で使用されます。制限は、生産段階と運用段階の両方で高いエネルギーとコストが必要になることにも起因します。代替インフラストラクチャとは異なり、PBRは藻類培養液の量に対して大幅に大きな表面積を必要とするため、材料の量が増え、資本エネルギーの投入が急増します。これらの要因により、実装に関連する環境への影響が高まります。^[5]

様々な分野でマクロ藻類と微細藻類の両方が大きな可能性を秘めているにもかかわらず、藻類燃料の生産コストは化石燃料に比べて依然として高いままです。廃水や排気ガスを利用することで栄養コストの削減は大きく前進しましたが、機械設備や技術に関連する費用は依然として高額です。本質的に、藻類バイオ燃料の生産と商業化に関わる基礎プロセスは、依然として大きな障壁となっています。同様に、微細藻類バイオ燃料の生産に化学物質、技術、電気、労働力を効果的に活用することは、かなりの課題となります。最適な pH、温度、光の条件下で、密閉型と開放型の両方の反応器で微細藻類を培養することは、バイオマスの急速な倍増と高い生産性を達成するために不可欠です。^[7]

藻類細胞を処理する複雑な手順は、バイオディーゼル生産の原料として藻類を使用する上で制限となる。そのため、研究者はこれらの課題に対処し、生産効率を高めることを優先しなければならない。藻類の発育には、太陽光、二酸化炭素、水、窒素、硫黄、リン、鉄などのさまざまな栄養素が不可欠である。しかし、これらの栄養源の入手可能性を確保し、変化する気候パターンの中で適切な環境条件を維持することは、持続可能性の課題である。藻類の栽培と収穫に関連する費用は相当な額であるため、コストも大きなハードルである。藻類の栽培に廃水を利用することは、費用対効果の高い戦略の 1 つとして浮上している。^[7]

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