(57)【要約】【課題】少ないエネルギー消費で、炭化水素を生産可能な微生物からオイルを製造する技術を提供する。【解決手段】炭化水素を生産可能な微生物からオイルを製造する方法であって、微生物を培地で培養する培養工程と、培養工程で培養された、培地を含む微生物を脱水して濃縮する濃縮工程と、濃縮工程で濃縮された微生物の細胞が過冷却になる所定の冷凍温度帯に所定時間維持する緩速冷凍により微生物の細胞を破壊する細胞破壊工程と、細胞破壊工程で破壊された微生物からオイルを分離回収するオイル分離回収工程と、を備える。【選択図】図１
2014033639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を生産可能な微生物からオイルを製造する方法であって、
前記微生物を培地で培養する培養工程と、
前記培養工程で培養された、培地を含む微生物を脱水して濃縮する濃縮工程と、
前記濃縮工程で濃縮された微生物の細胞が過冷却になる所定の冷凍温度帯に所定時間維持する緩速冷凍により微生物の細胞を破壊する細胞破壊工程と、
前記細胞破壊工程で破壊された微生物からオイルを分離回収するオイル分離回収工程と、を備える炭化水素を生産可能な微生物からのオイルの製造方法。
【請求項２】
前記濃縮工程では、前記微生物を減圧下で加熱し脱水する、請求項１に記載の炭化水素を生産可能な微生物からのオイルの製造方法。
【請求項３】
前記濃縮工程は、前記培地を含む微生物を加圧濾過して脱水する一次濃縮工程と、前記一次濃縮工程で脱水された前記培地を含む微生物を減圧下で加熱し脱水する二次濃縮工程とを含む、請求項１又は２に記載の炭化水素を生産可能な微生物からのオイルの製造方法。
【請求項４】
前記細胞破壊工程では、−２℃から−５℃の冷凍温度帯で少なくとも２時間維持して緩速冷凍する、請求項１から３の何れか１項に記載の炭化水素を生産可能な微生物からのオイルの製造方法。
【請求項５】
前記一次濃縮工程では、前記培地を含む微生物の含水率を７０％まで脱水し、前記二次濃縮工程では、前記培地を含む微生物の含水率を４０％まで更に脱水する、請求項３に記載の炭化水素を生産可能な微生物からのオイルの製造方法。
【請求項６】
炭化水素を生産可能な微生物からオイルを製造する製造システムであって、
前記微生物を培地で培養する培養手段と、
前記培養手段で培養された、培地を含む微生物を脱水して濃縮する濃縮手段と、
前記濃縮手段で濃縮された微生物の細胞が過冷却になる所定の冷凍温度帯に所定時間維持する緩速冷凍により微生物の細胞を破壊する細胞破壊手段と、
前記細胞破壊手段で破壊された微生物からオイルを分離回収するオイル分離回収手段と、を備える炭化水素を生産可能な微生物からのオイルの製造システム。
【請求項７】
前記濃縮手段は、前記微生物を減圧下で加熱し脱水する、請求項６に記載の炭化水素を生産可能な微生物からのオイルの製造システム。
【請求項８】
前記濃縮手段は、前記培地を含む微生物を加圧濾過して脱水する一次濃縮手段と、前記一次濃縮手段で脱水された前記培地を含む微生物を減圧下で加熱し脱水する二次濃縮手段とを含む、請求項６又は７に記載の炭化水素を生産可能な微生物からのオイルの製造システム。
【請求項９】
前記細胞破壊手段は、−２℃から−５℃の冷凍温度帯で少なくとも２時間維持して緩速冷凍する、請求項６から８の何れか１項に記載の炭化水素を生産可能な微生物からのオイルの製造システム。
【請求項１０】
前記一次濃縮手段は、前記培地を含む微生物の含水率を７０％まで脱水し、前記二次濃縮手段は、前記培地を含む微生物の含水率を４０％まで更に脱水する、請求項８に記載の炭化水素を生産可能な微生物からのオイルの製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素を生産可能な微生物からのオイル製造方法、及び製造システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオ燃料は、石油燃料の代替物として期待され、開発・研究が進められている。例えば、特許文献１には、炭化水素の製造方法として、炭化水素生産性微生物の水性スラリーを加熱して４５℃以上、１５０℃未満の温度で保持する加熱処理工程と、水性スラリーから、炭化水素生産性微生物により生産された炭化水素を含有する油状物質を回収する回収工程と、を行うことが開示されている。また、特許文献２には、生物を分解する分解装置と、分解された微生物を栄養源として、従属栄養性藻類を培養する培養装置と、従属栄養性藻類から油脂を抽出する抽出装置と、を備える、油脂製造システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１１１８６５号公報
【特許文献２】特開２０１０−２４６４０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
バイオ燃料の生産は、まず廃食油、動物性脂肪・油脂からバイオジーゼルオイルを回収することから始まった。陸上植物は、多くの水資源と広大な耕作地を必要とするが、その種子にオイルを蓄積することから、オイル抽出効率を高めることができる反面、食糧・飼料と燃料の原料としての競合関係から、燃料製造としては衰退し始めている。一方、廃木材・パルプを出発原料として発酵操作を用いるバイオエタノールは、燃料としての認知が進んでいる。これらに対して、少ない水資源と荒地でも栽培ができ、成長が早い微細藻類を燃料の原料とする試みが今日盛んである。
【０００５】
微細藻類の単位面積当たりのオイル産生能は、陸上植物と比較しても高い。淡水に生息する微細藻類中でも、例えば、ボトリオコッカス・ブラウニーは、乾燥重量当たりのオイル含有量が特段に高い。また、ボトリオコッカス・ブラウニーは、細胞外にオイルを放出する唯一の微細藻としても知られている。そのため、ボトリオコッカス・ブラウニーは、精製すること無くそのまま燃料として使用できるDrop-in Fuelとして直接的に炭化水素系オイルを産生することが検証されている。
【０００６】
しかしながら、微細藻類については、オイルの一貫生産技術は未だに確立されていないのが実情である。特に、培養藻の収穫から脱水・濃縮、オイル抽出に至る製造プロセスの各単位操作で技術課題が山積している。例えば、微細藻類を濃縮して収穫する工程（培養藻の収穫から脱水・濃縮）では、従来、培地で培養した微細藻類を遠心分離装置で遠心分離する手法が採用されていた。微細藻類の収穫時の密度は、例えば０．５ｋｇ／ｍ3程度
（９９．５％含水率）であり、実験室規模では遠心分離装置よりも高速回転する超遠心分離装置が使われてきた。また、産業用途では、高付加価値材料等を抽出する目的で機構的に同一の遠心型固液分離装置やスクリューデカンタが使用されている。希薄である微細藻類を含む培地全量を遠心分離するためには、従来、非常に大きな動力が必要とされていた。また、微細藻類が産生するオイルの大部分は細胞内にあるため、抽出効率を高めるために、細胞（細胞壁や細胞膜）を破壊してオイルを含む細胞を細胞外に抽出する工程が必要である。細胞壁や細胞膜の破壊について、実験室規模では、例えばフレンチプレスが使用
され、約３００気圧級の応力を加えて破壊しているが、実用上は細胞破壊に膨大な動力が必要となる。一方、水とオイルの両極性物質を溶解するＤＭＥ(dimethyl ether)を用いた吸水とオイル抽出の両作用を実証した試験規模の装置が開発されている。しかし物性上、吸水に必要な液化ＤＭＥ量は吸水量の約１０倍を必要とするため、大量のＤＭＥの貯留が必要となる。可燃性の気相・液相の取り扱いに伴う防爆対策、高圧ガス取扱所の認定等手続き等が、装置規模拡大と装置運用上の最大の障壁になっている。
【０００７】
本発明は、上記の問題に鑑み、少ないエネルギー消費で、炭化水素を生産可能な微生物からオイルを製造する技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述した課題を解決するため、微細藻類を脱水・濃縮し、濃縮された微細藻類の細胞が過冷却になる所定の冷凍温度帯に所定時間維持する緩速冷凍し、細胞（細胞壁や細胞膜）を破壊することとした。
【０００９】
詳細には、本発明は、炭化水素を生産可能な微生物からオイルを製造する方法であって、前記微生物を培地で培養する培養工程と、前記培養工程で培養された、培地を含む微生物を脱水して濃縮する濃縮工程と、前記濃縮工程で濃縮された微生物の細胞が過冷却になる所定の冷凍温度帯に所定時間維持する緩速冷凍により微生物の細胞を破壊する細胞破壊工程と、前記細胞破壊工程で破壊された微生物からオイルを分離回収するオイル分離回収工程と、を備える。
【００１０】
炭化水素を生産可能な微生物は、光合成により炭化水素を生産する微生物であればよい。微生物炭化水素を生産可能な微生物には、微細藻類が例示される。微細藻類には、ボトリオコッカス・ブラウニー、オーランチオキトリウムなどが例示される。本発明によれば、細胞破壊工程において、緩速冷凍が行われ、微生物に含まれる水、細胞質、培地などの凝固点の差により、最初に水が凍り、次に、培地を含む水分が凍り、微生物の細胞質が最後に凍る。一方で、微生物内のオイルは凍らない。水透過性の低い細胞膜は、凍結に伴う水分移動が十分に行われず、細胞膜の存在によって細胞内外にそれぞれ氷を形成する。その結果、細胞内に形成した粗粒の氷結晶で細胞の堆積膨張が生じ、細胞（細胞壁や細胞膜）も破壊される。これにより、微生物が対数増殖期に光合成により細胞内で生産したオイルを、細胞外に効率よく抽出することが可能となる。緩速冷凍と異なる冷凍方式として、細胞が過冷却になる冷凍温度帯をできる限り短時間に通過させ、例えば−２０℃から−３０℃に温度を維持する急速冷凍が知られているが、緩速冷凍は、急速冷凍と比較して、細胞内の氷が大きく成長する。そのため、より効率よく微生物からオイルを分離することができる。本発明では、従来のように、例えばフレンチプレスを用いる必要もないことから、微生物からオイルを分離する際の消費エネルギーを抑制することができる。また、細胞破壊工程を行う前に濃縮工程を行い、微生物を十分に脱水しておくことで、緩速冷凍における冷凍負荷をより軽減することができる。
【００１１】
ここで、前記濃縮工程では、前記微生物を減圧下で加熱し脱水するようにしてもよい。常圧よりも減圧された状態で加熱することで、より効率よく脱水することができる。その結果、緩速冷凍における冷凍負荷をより軽減することができる。
【００１２】
また、前記濃縮工程は、前記培地を含む微生物を加圧濾過して脱水する一次濃縮工程と、前記一次濃縮工程で脱水された前記培地を含む微生物を減圧下で加熱し脱水する二次濃縮工程とを含むものでもよい。このように段階的に脱水・濃縮を行うことで、培地を含む微生物の含水率を効率よく低下させることができる。
【００１３】
また、前記細胞破壊工程では、−２℃から−５℃の冷凍温度帯で少なくとも２時間維持
して緩速冷凍してもよい。細胞破壊工程の条件は上記に限定される者ではないが、例えば上記条件で緩速冷凍することで、微生物の細胞壁や細胞膜をより効果的に破壊することができる。
【００１４】
また、前記一次濃縮工程では、前記培地を含む微生物の含水率を７０％まで脱水し、前記二次濃縮工程では、前記培地を含む微生物の含水率を４０％まで更に脱水してもよい。上記のように段階的に脱水することで、培地を含む微生物の含水率を効率よく低下させることができる。なお、含水率は上記に限定されるものではない。
【００１５】
ここで、本発明は、炭化水素を生産可能な微生物からオイルを製造するシステムとして特定することができる。例えば、本発明は、炭化水素を生産可能な微生物からオイルを製造する製造システムであって、前記微生物を培地で培養する培養手段と、前記培養手段で培養された、培地を含む微生物を脱水して濃縮する濃縮手段と、前記濃縮手段で濃縮された微生物の細胞が過冷却になる所定の冷凍温度帯に所定時間維持する緩速冷凍により微生物の細胞を破壊する細胞破壊手段と、前記細胞破壊手段で破壊された微生物からオイルを分離回収するオイル分離回収手段と、を備える。
【００１６】
本発明によれば、細胞破壊手段により、緩速冷凍が行われ、微生物内のオイルを凍らせず、微生物の細胞膜の水透過性の低下に起因する細胞内外の氷形成を誘発する。微生物の細胞内外に氷を形成することで、細胞壁や細胞膜を破壊することができ、微生物が対数増殖期に光合成により細胞内で生産したオイルを、細胞外に抽出することが可能となる。上述したように、緩速冷凍は、急速冷凍と比較して、細胞内の氷が大きく成長する。そのため、より効率よく微生物からオイルを分離することができる。本発明では、従来のように、例えばフレンチプレスを用いる必要もないことから、微生物からオイルを分離する際の消費エネルギーを抑制することができる。また、細胞破壊手段には、濃縮手段によって十分に脱水された微生物が供給されるため、緩速冷凍における冷凍負荷をより軽減することができる。
【００１７】
ここで、前記濃縮手段は、前記微生物を減圧下で加熱し脱水してもよい。常圧よりも減圧された状態で加熱することで、より効率よく脱水することができる。その結果、緩速冷凍における冷凍負荷をより軽減することができる。
【００１８】
また、前記濃縮手段は、前記培地を含む微生物を加圧濾過して脱水する一次濃縮手段と、前記一次濃縮手段で脱水された前記培地を含む微生物を減圧下で加熱し脱水する二次濃縮手段とを含む構成としてもよい。このように段階的に脱水・濃縮を行うことで、培地を含む微生物の含水率を効率よく低下させることができる。
【００１９】
また、前記細胞破壊手段は、−２℃から−５℃の冷凍温度帯で少なくとも２時間維持して緩速冷凍してもよい。上記条件で緩速冷凍することで、微生物の細胞壁や細胞膜をより効果的に破壊することができる。
【００２０】
また、前記一次濃縮手段は、前記培地を含む微生物の含水率を７０％まで脱水し、前記二次濃縮手段は、前記培地を含む微生物の含水率を４０％まで更に脱水してもよい。上記のように段階的に脱水することで、培地を含む微生物の含水率を効率よく低下させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、少ないエネルギー消費で、炭化水素を生産可能な微生物からオイルを製造する技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施形態に係る微細藻類由来のオイル製造工程を示す。
【図２】微細藻類由来のオイル製造システムの一例を示す。
【図３】オイル製造システムのうちの光培養装置の一例を示す。
【図４】オイル製造システムのうちの光培養装置以外の構成の一例を示す。
【図５】急速冷凍と緩速冷凍による品温降下パターンの一例を示す。
【図６】オイル製造システムのうちの光培養装置以外の構成の他の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
次に、本発明の実施形態の一例として、炭化水素を生産可能な微生物の一例である微細藻類からオイルを製造する場合について、図面に基づいて説明する。以下に説明する実施形態は例示にすぎず、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
【００２４】
＜オイル製造方法＞
図１は、実施形態に係る微細藻類由来のオイル製造工程（以下、単にオイル製造工程ともいう）を示す。実施形態に係るオイル製造工程は、光培養工程（Ｓ０１）、一次濃縮工程（Ｓ０２）、二次濃縮工程（Ｓ０３）、細胞破壊工程（Ｓ０４）、オイル分離工程（Ｓ０５）を含む。これらの工程を経ることで、微細藻類から炭化水素系オイルが抽出（製造）される。
【００２５】
本実施形態では、炭化水素を生産可能な微生物として微細藻類を用いるが、炭化水素を生産可能な微生物は、光合成により炭化水素を生産する微生物であればよい。微細藻類には、ボトリオコッカス・ブラウニー、オーランチオキトリウム、クロレラ、シアノバクテリア、スピルリナ、アオコなどが例示される。
【００２６】
光培養工程（Ｓ０１）では、微細藻類が培養される。具体的には、培地（培養液）中に微細藻類の株を分散させた状態で、光が照射される。培養液の種類、光の照射時間、培養中の温度や雰囲気の状態は、微細藻類の種類によって適宜設定される。光が照射されると、微細藻類は光合成を行い、炭化水素を生成する。生成された炭化水素が微細藻類の細胞内に蓄積される。また、微細藻類が集合してコロニーを形成する場合には、コロニーを形成する微細藻類の細胞同士の間の空間に炭化水素が蓄積される。光培養工程が終了すると、一次濃縮工程（Ｓ０２）へ進む。
【００２７】
一次濃縮工程（Ｓ０２）では、培地を含む微細藻類が加圧濾過され、脱水・濃縮される。一次濃縮工程では、例えば、培地を含む微細藻類の含水率が７０％まで脱水・濃縮される。一次濃縮工程で排出される濾過液は、回収し、光培養工程で用いることができる。一次濃縮工程が終了すると、二次濃縮工程（Ｓ０３）へ進む。
【００２８】
二次濃縮工程（Ｓ０３）では、一次濃縮工程で脱水・濃縮された微細藻類が減圧下で加熱、脱水される。二次濃縮工程では、例えば、培地を含む微細藻類の含水率が４０％まで更に脱水・濃縮される。二次濃縮工程で排出される濾過液は、回収し、光培養工程で用いることができる。一次濃縮工程、二次濃縮工程を行い、培地を含む微細藻類段階的に脱水・濃縮することで、培地を含む微細藻類の含水率を効率よく低下させることができる。また、一次濃縮工程、二次濃縮工程を行うことで、次工程である細胞破壊工程で行う緩速冷凍における冷凍負荷をより軽減することができる。二次濃縮工程が終了すると、細胞破壊工程（Ｓ０４）へ進む。
【００２９】
細胞破壊工程（Ｓ０４）では、二次濃縮工程で脱水・濃縮された微細藻類が緩速冷凍され、微細藻類の細胞（細胞壁や細胞膜）が破壊される。緩速冷凍は、例えば、微細藻類を−２℃から−５℃の冷凍温度帯で少なくとも２時間維持することで行われる。これにより
、光培養工程を行うことで微細藻類が生産したオイルを、細胞壁や細胞膜の破壊により、細胞外に抽出することができる。細胞破壊工程が終了すると、オイル分離工程（Ｓ０５）へ進む。
【００３０】
オイル分離工程（Ｓ０５）では、細胞破壊工程で破壊された微細藻類からオイルが分離回収される。例えば、培地を含む微細藻類の凝固温度差、および密度差を利用した重力分離操作により、オイル、培地、及び細胞の混合物から、オイルを分離回収することができる。以上説明した工程を経ることで、微細藻類から炭化水素系オイルが抽出（製造）される。
【００３１】
＜オイル製造システム＞
次に、上述したオイル製造方法で使用可能な装置について説明する。図２は、微細藻類からオイルを製造するオイル製造システム（以下、単にオイル製造システムともいう）の一例を示す。図２に示すオイル製造システム１０は、微細藻類を培養する光培養装置１、培地を含む微細藻類を加圧濾過して脱水する一次濃縮装置２、一次濃縮装置で脱水された培地を含む微細藻類を減圧下で加熱し脱水する二次濃縮装置３、濃縮された微細藻類を緩速冷凍して細胞を破壊する細胞破壊装置４、破壊された微生物からオイルを分離回収するオイル分離装置５を含む。
【００３２】
図３は、オイル製造システムのうちの光培養装置の一例を示す。図３に示す光培養装置１は、本発明の培養手段の一例であり、上述した光培養工程（Ｓ０１）に用いることができる。図３に示す光培養装置１は、微細藻類を培養する光培養槽、二酸化炭素を貯蔵し光培養槽へ供給する二酸化炭素源、培地を滅菌して貯蔵し、滅菌された培地を培地調整槽へ供給する培地滅菌槽、培地を貯蔵し光培養槽へ供給する培地調整槽、培養された、培地を含む微細藻類を貯蔵する貯蔵層、培養された微細藻類に対して更に培地を加えて微細藻類を培養するチューブ型流加式光培養槽を含む。
【００３３】
培地滅菌槽には、一次濃縮装置２及び二次濃縮装置３で回収された培地を利用することができる。チューブ型流加式光培養槽には、培地を含む微細藻類が循環するよう、培地を含む微細藻が流れるチューブが接続され、チューブには培地を含む微細藻類を循環させるポンプが設けられている。また、図３に示す例ではチューブ型流加式光培養槽が４層設けられている。チューブ型流加式光培養槽の設置数は、例示であり、これに限定されない。各槽には、計測器として、温度計（Ｔ）、吸光度計（ＯＤ）、電気伝導度計（ＥＣ）、溶存酸素計（ＤＯ）が設けられ、チューブ型流加式光培養槽に供給される培養された微細藻類の供給量、追加される培地の供給量、照射する光の量や時間、二酸化炭素の供給量、雰囲気の状態（温度など）が適宜調整される。チューブ型流加式光培養槽で培養された微細藻類は、一次濃縮装置２へ供給される。なお、図３の矢印は、二酸化炭素、培地、微細藻類の流れを示す。図３の矢印で示す、各槽同士や、二酸化炭素源と各槽は、配管で接続することができる。なお、図３に示す光培養システムは、一例であり、微細藻類の培養には、公知の技術を適宜用いることができる。
【００３４】
図４は、オイル製造システムのうちの光培養装置以外の構成の一例を示す。一次濃縮装置２は、本発明の一次濃縮手段に相当し、フィルタプレスによって構成されている。一次濃縮装置２は、上述した一次濃縮工程で用いることができる。二次濃縮装置３は、本発明の二次濃縮手段に相当し、減圧式低温加熱濃縮装置によって構成されている。二次濃縮装置３は、上述した二次濃縮工程で用いることができる。細胞破壊装置４は、本発明の細胞破壊手段に相当し、緩速冷凍装置によって構成されている。細胞破壊装置４は、上述した細胞破壊工程で用いることができる。オイル分離装置５は、本発明のオイル分離回収手段に相当し、分離槽によって構成されている。オイル分離装置５は、上述したオイル分離工程で用いることができる。
【００３５】
フィルタプレスには、膜洗浄用の空気圧縮機動力のみを必要とする浸水型ＭＦ(Micro-filter)平膜が設けられており、浸水型ＭＦ平膜とフィルタプレスとによって、培地を含む微細藻類が脱水・濃縮される。フィルタプレスは、光培養装置１と配管によって接続されている（図４では、図示せず）。フィルタプレスと光培養装置１とを接続する配管には電磁弁が設けられており、開度を調整することで、フィルタプレスへ供給される培地を含む微細藻類の供給量が調整可能である。
【００３６】
浸水型ＭＦ平膜の処理量は濃縮率を定めるパラメータであり、適宜設定することができる。ここで、例えば汚泥処理技術分野における処理量の範囲は、５〜１５ｋｇ／ｍ3であ
り、平均コロニー径が３０〜５０μｍ級の単一種微細藻類として培養さるため、微細藻類に適合した浸水型ＭＦ平膜の目標処理量は、汚泥より大きい値として、２０ｋｇ／ｍ3す
ることができる。流束は、ＭＦ膜の所要面積を決めるパラメータであり、例えば汚泥処理技術分野では、０．５０ｍ3／ｍ2／日が適用されている。そこで、浸水型ＭＦ膜の流束は汚泥よりも大きな値として、０．７５ｍ3／ｍ2／日とすることができる。他方、フィルタプレスの濾過流束は、処理速度からフィルタの所要面積を決めるパラメータであり、例えば、汚泥処理技術分野において、０．５〜１．０ｋｇ／ｍ2・ｈが適用されている。そこ
で、流束は、例えば０．７５ｋｇ／ｍ2・ｈとすることができる。このように微細藻類の
一次濃縮工程や二次濃縮工程では、一例として、汚泥処理分野の経験則に基づき、一種類からなる微細藻類に適合したパラメータを用いて装置を設計するようにしてもよい。
【００３７】
図４に示す減圧式低温加熱濃縮装置は、加熱槽、コンデンサ、ベンチュリー管、ヒートポンプ型ブラインチラー（凝縮器、蒸発器、キャプラリー、圧縮機）を含む構成である。加熱槽は、フィルタプレスと接続され、含水率が７０％の培地を含む微細藻類を収容する。加熱槽には、加熱装置が設けられており、加熱槽に収容された培地を含む微細藻類を加熱可能である。加熱槽を加熱する加熱装置とブラインチラーの凝縮器とは、熱媒（例えば、温水）が流れる配管によって接続されており、加熱槽の加熱には、ブラインチラーの凝縮器から供給される熱媒が用いられる。熱媒が流れる配管には、ポンプが設けられており、加熱装置へ供給される熱媒の供給量は調整可能である。加熱槽内の培地を含む微細藻類が加熱されると、水蒸気が発生し、発生した水蒸気が主に加熱槽の頂部に溜まる。
【００３８】
コンデンサは、加熱槽及びベンチュリー管の下方に設けられた下部水槽と、夫々配管によって接続されている。加熱槽の頂部に溜まった水蒸気はコンデンサに導かれ、コンデンサを冷却する冷却装置によって冷却され、水に凝縮され、下部水槽に貯留される。コンデンサを冷却するための冷却装置と蒸発器とが配管を介して接続されており、コンデンサの冷却には、蒸発器から排出された冷媒（例えば、冷却水）が用いられる。蒸発器に接続された配管にはポンプが設けられており、コンデンサを冷却するための冷却装置へ供給する冷媒の供給量が調整可能である。
【００３９】
下部水槽は、コンデンサを介して供給される水を貯留する。下部水槽は、もぐり堰が設けられ、２槽構造になっている。具体的には、上流側の槽は、コンデンサからの落水、及びベンチュリー管からの空気を含む排水が貯留し、下流側の槽は、もぐり堰を乗り越え静水された水を貯留する。ベンチュリー管には、下流側の槽に貯留された、水面の乱れが抑制された水が供給される。
【００４０】
ベンチュリー管は、加熱槽に接続されており、加熱槽を減圧する。具体的には、ベンチュリー管と下流側の槽が配管を介して接続され、この配管にはポンプが設けられており、下流側の槽に貯留された水がベンチュリー管の作動流体として汲み上げられる。ベンチュリー管の縮流部を作動流体としての水が高速で通過すると、加熱槽内の空気が引き込まれ、加熱槽内が減圧される。加圧槽には、圧力計（Ｐ）が設けられており、この圧力計で計
測される圧力に基づいて、ベンチュリー管のポンプの圧力が調整可能である。加熱槽が加熱され、減圧されることで、加熱槽に収容された培地を含む微細藻類は、含水率が４０％に脱水・濃縮される。
【００４１】
緩速冷凍装置は、加熱槽に直列に接続された、半バッチ形の緩速冷凍装置によって構成され、含水率が７０％の培地を含む微細藻類を収容し、緩速冷凍する。緩速冷凍装置に収容された微細藻類を冷却するための冷却装置と蒸発器とが配管を介して接続されており、緩速冷凍装置の冷却には、蒸発器から排出された冷媒が用いられる。蒸発器に接続された配管にはポンプが設けられており、緩速冷凍装置を冷却するための冷却装置へ供給する冷媒の供給量が調整可能である。緩速冷凍装置には、温度計（Ｔ）が設けられており、この温度計で計測される温度に基づいて、蒸発器に接続された配管のポンプの圧力が調整可能である。また、加熱槽と緩速冷凍装置とを接続する配管には払出弁が設けられ、緩速冷凍装置へ供給する培地を含む微細藻類の供給量を調整可能である。また、緩速冷凍装置と分離槽とを接続する配管にも払出弁が設けられており、分離槽へ供給する培地を含む微細藻類の供給量を調整可能である。
【００４２】
緩速冷凍装置では、収容された培地を含む微細藻類が、−２℃から−５℃の温度範囲で少なくとも２時間維持される。緩速冷凍の温度及び時間は、急速冷凍と比較して、細胞内の氷が大きく成長でき、微細藻類の細胞壁や細胞膜をより効果的に破壊できることを確認するための実験を微細藻類の種類毎に実験を行い、実験データに基づいて決定することができる。
【００４３】
ここで、図５は、急速冷凍と緩速冷凍による品温降下パターンの一例を示す。図５は微細藻類として、ボトリオコッカス・ブラウニーを急速冷凍、緩速冷凍した場合の品温降下パターンである。図５より、急速冷凍と比較して、成長する細胞内の氷が大きくなる最大氷結晶成長温度帯は−２℃から−５℃であり、冷凍経過時間が少なくとも２時間であることが確認できる。なお、「急速冷凍」とは、例えば、食品冷凍保存・冷凍食品製造分野で従来から実施されている方法であり、「急速冷凍」は、細胞内の細胞の凍結により成長する氷を細かく分散する。「急速冷凍」は、細胞が過冷却になる−５℃の冷凍温度帯をできる限り短時間に通過させ、−２０度から−３０℃に食品温度を維持する。一方、「緩速冷凍」は、−２℃から−５℃の冷凍温度帯に対象物温度を維持することで、成長する細胞内の氷が大きく成長させるもので、食品冷凍保存分野では忌避すべき方法とされていたものである。本実施形態では、利用温度範囲において、入力電力に対して熱出力が２(成績係
数：２)であるヒートポンプ型ブラインチラーを用いて、−２℃から−５℃の範囲に微細
藻類を少なくとも２時間維持することで、ボトリオコッカス・ブラウニーの細胞壁や細胞膜を破壊する。細胞壁や細胞膜を破壊することで、細胞外に抽出されるオイル分と細胞と培地を含む水分を、その凝固温度で大まかに分離することが可能となる。すなわち、緩速冷凍装置では、微細藻類の細胞壁や細胞膜の破壊に加えて、オイル分と細胞と培地を含む水分を大まかに分離することも可能となっている。
【００４４】
分離槽は、緩速冷凍装置によって大まかに分離したオイルを、凝固温度差、および密度差を利用した重力分離を利用して、分離回収する。
【００４５】
＜効果＞
実施形態に係るオイル製造方法及びオイル製造システムによれば、細胞破壊工程において、緩速冷凍が行われ、微細藻類に含まれる水、細胞、培地などの凝固点の差により、最初に水が凍り、次に、培地などの不純物が凍り、微細藻類の細胞が最後に凍る。一方で、微細藻類内のオイルは凍らない。微細藻類の細胞が凍ることで、微細藻類の細胞壁や細胞膜を破壊することでき、微細藻類が光合成により細胞内で生産したオイルを、細胞外に抽出することが可能となる。緩速冷凍は、急速冷凍と比較して、細胞内の氷が大きく成長す
る。そのため、より効率よく微生物からオイルを分離することができる。実施形態に係るオイル製造方法では、従来のように、例えばフレンチプレスを用いる必要もないことから、微細藻類からオイルを分離する際の消費エネルギーを抑制することができる。また、細胞破壊工程を行う前に一次濃縮工程、及び二次濃縮工程を段階的に行い、微細藻類を十分に脱水しておくことで、緩速冷凍における冷凍負荷をより軽減することができる。
【００４６】
微細藻類からオイルを製造するに際しては、細胞破壊工程及びその直前の工程である二次濃縮工程でのエネルギー消費量の増加が特に課題となる。しかしながら、上述した実施形態によれば、細胞破壊工程だけでなく、その直前の工程である二次濃縮において、より脱水・濃縮が行われることで、緩速冷凍の負荷を軽減することができる。高効率熱生産能を有するヒートポンプ型ブラインチラーを加熱源として低温加熱し、凝縮水を作動流体としたベンチュリー管の減圧作用を利用することで、減圧下で水分の蒸発が促進される。また、水の蒸発で気化熱を奪うため、微細藻類の温度が常温近くに維持される。水蒸気はコンデンサで凝縮し、蒸留水として排出されるため、これをベンチュリー管のための作動流体としてポンプアップして減圧を行う。ブラインチラーの冷熱・温排熱の両方を利活用することで、高効率の濃縮操作と緩速冷凍操作が実現する。
【００４７】
＜産業上の利用可能性＞
例えばオイルピークを越えて２０年が経過する２０３０年以降は、新興国の更なる経済的進展により、化石燃料の価格は今日の１２１＄／Ｂから２４０＄／Ｂにもなると予測される。一方、対ドルの為替レートは、今日の８０円／＄水準から１００円／＄水準に回復するものとすると、製油所出荷価格は、今日の７０円／Ｌ級から１６０円／Ｌ級に上昇すると予測される。この期間に、微細藻類の研究が進展して、東南アジア圏の安価な電力量単価と夜間電力需要を創生する産業としての認知が進むことが予想されるため、この分野の開発技術移転に伴い、微細藻類からのオイル製造単価は、４０円／Ｌ級になることも予想される。
【００４８】
微細藻類由来するオイルは、日本国内においては、運輸部門において代替燃料としての安全性、燃費性能の検証が終了し、認知され普及期に入っている。このような社会経済的環境の変化により、微細藻類由来するオイルは、化石燃料に比べて圧倒的に安価な４０円／Ｌ級の価格から、まずは運輸部門、産業部門で普及することが予想される。現在の石油換算一次エネルギー消費量は５００百万トン／年であり、運輸部門で２４％(うち９５％
が化石燃料)、産業部門で４３％(うち６０％が化石燃料)を消費している。また、エネル
ギー消費量はＧＤＰにほぼ比例し、ＧＤＰは人口に比例するため、ＧＤＰを維持しても人口の減少により、エネルギー消費量は今日よりも９０％に減少すると予想される。この時期の電気自動車の普及を見込んでも、運輸部門と産業部門で２０％の化石燃料代替市場が創生されるものと予想される。したがって、市場規模は、石油換算一次エネルギーで４９百万トン／年級になるものと予想される。微細藻類は、生産に必要なエネルギー量に対して１，０００〜３，０００倍の二酸化炭素を吸収して光合成でオイルを生産するため、温室効果ガスのうちカーボンニュートラル効果が非常に高く、二酸化炭素排出クレジット権も国連から獲得することができるものと予想される。
【００４９】
＜変形例＞
上述した実施形態では、培地を含む微細藻類を脱水・濃縮するため、一次濃縮工程及び二次濃縮工程を行ったが、変形例ではフィルタプレスによる脱水・濃縮のみ実施される。
【００５０】
図６は、オイル製造システムのうちの光培養装置以外の構成の他の例を示す。図６に示す例では、一次濃縮装置２としてのフィルタプレスの下流側に、細胞破壊装置４としての緩速冷凍装置が２機並列に配置されている。フィルタプレスには、膜洗浄用の空気圧縮機動力のみを必要とする浸水型ＭＦ(Micro-filter)平膜が設けられており、浸水型ＭＦ平膜
とフィルタプレスとによって、培地を含む微細藻類が脱水・濃縮される。各緩速冷凍装置には、ヒートポンプ式ブラインチラーの蒸発器からの−１５℃以下の冷媒（例えば、冷却水）を冷凍用熱源とする冷却装置が設けられ、緩速冷凍装置に収容された微細藻類の緩速冷凍が可能である。また、緩速冷凍槽の上流の近傍には緩速冷凍槽へ供給される培地を含む微細藻類の供給量を制御する電磁弁、及び培地を含む微細藻類の水分量を計測する水分計（Ｍ）が設けられている。なお、ヒートポンプ式ブラインチラーの凝縮器からの熱媒（例えば、温水）の温度は例えば３２℃である。蒸発器と凝縮器の夫々には配管が接続され、更に各配管に温度計（Ｔ）が設けられている。また、緩速冷凍装置にも温度計（Ｔ）が設けられており、冷媒の温度等を適宜調整することで、緩速冷凍温度を調整することができる。
【００５１】
また、図６に示す例では、緩速冷凍装置の下流側にフィルタプレスが設けられており、フィルタプレスで更に脱水・濃縮された微細藻類がオイル分離装置５としての分離槽で分離される。分離槽から排出される炭化水素が流れる配管には、排出される炭化水素の密度を計測する密度計が設けられている。緩速冷凍装置とフィルタプレスとを接続する配管には払出弁が設けられ、緩速冷凍装置の下流側のフィルタプレスへ供給される微細藻類の供給量の調整が可能である。
【００５２】
図６に示す変形例においても、微細藻類を緩速冷凍して微細藻類の細胞壁や細胞膜を破壊することで、微細藻類からオイルを分離することができる。従来のように、例えばフレンチプレスを用いる必要もないことから、微細藻類からオイルを分離する際の消費エネルギーを抑制することができる。また、細胞破壊工程を行う前に脱水・濃縮を行い、微細藻類を脱水しておくことで、緩速冷凍における冷凍負荷を軽減することができる。
【００５３】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明に係る炭化水素を生産可能な微生物からのオイルの製造方法や炭化水素を生産可能な微生物からのオイルの製造システムはこれらに限らず、可能な限りこれらの組合せを含むことができる。
【符号の説明】
【００５４】
１・・・光培養装置
２・・・一次濃縮装置
３・・・二次濃縮装置
４・・・細胞破壊装置
５・・・オイル分離装置
６・・・オイル製造システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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