(57)【要約】【課題】藻類が細胞内で生産し内部に含有する油脂類を、低コスト・低環境負荷でかつ効率よく抽出する方法を提供する。【解決手段】油脂類を内部に含有する藻類が培養された培養液にある藻類を回収し濃縮するための回収・濃縮工程と、前記回収・濃縮（凝集）された藻類の細胞壁を破壊する細胞破壊工程と、を含む藻類から油脂を抽出する方法であって、前記細胞破壊工程が、流動バレル装置によって行われることを特徴とする藻類からの油脂抽出方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
藻類が培養された培養液にある藻類を回収し濃縮するための回収・濃縮工程と、
前記凝集された藻類の細胞壁を破壊する細胞破壊工程と、
を含む藻類から油脂を抽出する方法であって、
前記細胞破壊工程が、流動バレル装置によって行われることを特徴とする藻類からの油脂抽出方法。
【請求項２】
前記回収・濃縮工程が、
強カチオン・高重合の高分子凝集剤を用いることを特徴とする請求項１記載の藻類からの油脂抽出方法。
【請求項３】
前記高分子凝集剤が、前記培養液中の藻類の乾燥重量に対して０．１〜０．５重量％であることを特徴とする請求項２記載の藻類からの油脂抽出方法。
【請求項４】
前記培養液が、ｐＨ７．０〜９．１であることを特徴とする請求項２記載の藻類からの油脂抽出方法。
【請求項５】
前記細胞破壊工程が、前記流動バレル装置内に固定されたバレル槽の壁面に対して、該バレル槽の底部に設けられたバレル槽底部回転盤を回転させることによって流動状態を作り出し、該流動状態の遠心力と、粉砕媒体の荷重によって行われることを特徴とする請求項１記載の藻類からの油脂抽出方法。
【請求項６】
前記粉砕媒体の直径が、３〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項５記載の藻類からの油脂抽出方法。
【請求項７】
前記バレル槽底部回転盤の回転条件は、２００〜２５０ｒｐｍ、５〜６０ｍｉｎであることを特徴とする請求項５記載の藻類からの油脂抽出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は藻類が生産する油脂類を低コスト・低環境負荷で効率よく抽出する方法に関するものである。さらに詳しくは、培養されて油脂類を細胞内に蓄えた藻類から、有機溶媒などで該油脂類を抽出されるまでの中間工程に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、化石資源の利用は、地球温暖化や環境汚染に象徴されるような深刻な問題の要因となっている。さらに、グローバルな産業の拡大によって、化石資源の枯渇という問題が懸念されている。このような中、植物などの生物資源を原料として製造される、バイオ燃料への関心が高まっている。しかし、従来のバイオ燃料は食料を原料としているなどの問題があった。そこで、新たなバイオ燃料の原料として、食料と競合せず、光合成を行うことで油脂類を蓄える藻類が注目されており、この油脂類を蓄えた藻類から効率良く油脂類を抽出するプロセスの開発が行われてきた。
【０００３】
藻類から油脂類を抽出させる方法はいくつか報告されているが、最適な条件・工程ごとの組み合わせについては報告されていない。下記に工程ごとの内容を示す。
【０００４】
藻類から油脂類を抽出するには、まず、培養した藻類を回収する必要がある。その方法として遠心分離による方法と、特許文献１に開示されるような凝集による方法とがある。
【０００５】
次に、藻類が蓄えた油脂類は硬い細胞壁に囲まれているため、細胞の破壊などの油脂類の抽出効率化を目的とした処理を行う必要がある。機械的な方法としては、ホモジナイザー・ビーズミル・ボールミルなどを用いた細胞破壊方法（特許文献２〜５）が報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２１２６２４号公報
【特許文献２】特開２０１１−０６８７４１号公報
【特許文献３】特開２０１１−０６８７３８号公報
【特許文献４】特開２０１０−２４６４０７号公報
【特許文献５】特表２０１１−５２９６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、培養された培養液にある藻類を回収・濃縮を行うために遠心分離操作のみを用いる方法は、対象となる藻類の細胞径が５〜１０μｍと小さく、また、比重も軽いため、分離効率が悪い。そこで、分離効率を上げるために遠心分離操作を行う前処理として凝集剤を用いることが行われるが、特許文献１に開示されている凝集の方法は、無機凝集剤を併用しているため、培養液に金属類が混入してしまい、上澄み液である培養液を再利用するのに弊害が生じる。
【０００８】
ホモジナイザーは、ラボレベルの少量処理に適しており、藻類をエネルギーとして生産する大量処理に適用することは難しい。ホモジナイザーの粉砕原理は、固定外刃と回転内刃からなっているジェネレータ（シャフトの先端部分）の内刃の高速回転による遠心力により、液体が対流し、内刃と外刃の間で粉砕される。大量処理をするためには、膨大なシャフトが必要であり、また、多くのエネルギーが必要となるため、現実的ではない。さらに、藻類は自然な状態でもフロックを形成するため、フロック状態の粗大な藻類の塊はジェネレータの内刃と外刃の間を通ることができないため、ある程度時間をかけて内刃のみの粗砕を行わなければならず、粉砕効率が良くない。
【０００９】
ビーズミルは、粉砕効率は高いが、設備コスト・運転コストの点で実用化を行うにあたり、現実的ではない。
【００１０】
ボールミルは、運転コスト・設備コストの安価な方法であるが、粉砕効率が低い。ボールミルの粉砕原理は、円筒容器内に粉砕媒体であるボールを一定量投入して、水平軸を中心に回転させたときの、ボールと内壁・ボールとボール間の摩砕力およびボールが転がり落ちるときの衝撃力によるものである。細胞壁に覆われている藻類を粉砕するには、粉砕媒体が小径のボールの場合では上記の力が弱いため、粉砕効率が低い。また、ボール径が大きいものを使用した場合では、衝突回数が減少するため細胞径が５〜１０μｍほどの藻類を粉砕するには適した方法とは言えない。
【００１１】
藻類から油脂類を抽出するために重要なことは、ただ単に細胞を微細に粉砕すれば良いのではなく、実用化を踏まえてコストとのバランスを考えた効率的な細胞破壊方法を選定することである。
しかしながら、上述した文献には、コストとのバランスを考えた効率的な細胞破壊方法についての具体的な最適条件の検討はされておらず、そのような記載もない。
【００１２】
そこで、本発明は、叙上の事情に鑑み、藻類が生産する油脂類を、低コスト・低環境負荷で効率よく抽出する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明では、上記目的を実現するために、請求項１に記載の藻類からの油脂抽出方法は、藻類が培養された培養液にある藻類を回収し濃縮するための回収・濃縮工程と、前記回収・濃縮された藻類の細胞壁を破壊する細胞破壊工程と、を含み、前記細胞破壊工程が、流動バレル装置によって行われることを特徴としている。
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、藻類が培養された培養液にある藻類を回収・濃縮し、回収・濃縮された藻類の細胞壁を破壊する工程において、流動バレル装置を用いて行っている。これにより、従来の藻類からの油脂の抽出方法に比べ、低エネルギーかつ効率的に藻類から油脂を抽出することができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の藻類からの油脂抽出方法において、前記回収・濃縮工程が、強カチオン・高重合の高分子凝集剤を用いることを特徴としている。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、培養液にある藻類を回収・濃縮させるために用いる凝集剤として、強カチオン・高重合の高分子凝集剤を使用することによって、少量の凝集剤で藻類を回収し濃縮することが可能である。
【００１７】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の藻類からの油脂抽出方法において、前記高分子凝集剤が、前記培養液中の藻類の乾燥重量に対して０．１〜０．５重量％であることを特徴としている。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、培養液中の藻類の乾燥重量に対して、０．１〜０．５重量％という少量の高分子凝集剤の利用であるため、低コストで効率的に凝集でき、さらに、培養液の上澄み液を再利用できる。
【００１９】
請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の藻類からの油脂抽出方法において、前記培養液が、ｐＨ７．０〜９．１であることを特徴としている。
【００２０】
請求項５に記載の発明では、請求項１に記載の藻類からの油脂抽出方法において、前記細胞破壊工程が、該流動バレル装置内に固定されたバレル槽の壁面に対して、該バレル槽の底部に設けられたバレル槽底部回転盤を回転させることによって流動状態を作り出し、該流動状態の遠心力と、粉砕媒体の荷重によって行われることを特徴としている。
【００２１】
請求項５に記載の発明によれば、藻類の細胞壁の破壊が、流動バレル装置内に固定されたバレル槽の壁面に対して、該バレル槽の底部に設けられたバレル槽底部回転盤を回転させることによって流動状態を作り出し、該流動状態の遠心力と粉砕媒体の荷重によって行われる。これにより、藻類の細胞壁の破壊が、低エネルギーかつ効率的に行うことができる。
【００２２】
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の藻類からの油脂抽出方法において、前記粉砕媒体の直径が、３〜１０ｍｍであることを特徴としている。
【００２３】
請求項７に記載の発明では、請求項５に記載の藻類からの油脂抽出方法において、前記バレル槽底部回転盤の回転条件は、２００〜２５０ｒｐｍ、５〜６０ｍｉｎであることを特徴としている
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、藻類が培養された培養液にある藻類を回収し濃縮するための回収・濃縮工程と、前記凝集された藻類の細胞壁を破壊する細胞破壊工程と、を含む藻類から油脂を抽出する方法であって、前記細胞破壊工程が、流動バレル装置によって行われることにより、藻類が生産する油脂を低コスト・低環境負荷で効率よく抽出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明にかかわる藻類からの油脂抽出方法を示すフロー図である。
【図２】本発明にかかわる流動バレルの概略図である。
【図３】未処理の藻類と、本発明によって細胞壁を破壊された藻類との細胞観察画像である。
【図４】本発明にかかわる流動バレルで細胞を破壊処理している槽内の状態を示す模式図である。
【図５】本発明にかかわる藻類の細胞壁を破壊する細胞破壊工程を示す画像である。
【図６】本発明にかかわる粉砕媒体の画像である。
【図７】本発明にかかわる上澄み液を用いた藻類の培養における溶存酸素の経日変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１に示すのは本発明にかかわる、藻類からの油脂抽出方法を示すフロー図である。図１に示されるように、本発明は、藻類が培養された培養液から、藻類を回収・濃縮する工程と、藻類の細胞壁を破壊する細胞破壊工程に関するものである。
【００２７】
以下、添付図面に基づいて本発明の藻類からの油脂抽出方法を説明する。
本発明において「藻類」とは、光合成により酸素を発生する生物の中で、主に陸上植物であるコケ植物やシダ植物、種子植物を除いたものを指す。すなわち、淡水や海水などの水圏に棲む、一般的に藻類と呼称されるものを指す。
【００２８】
（回収・濃縮工程）
本発明の方法では、まず藻類が培養された培養液中に、強カチオン・高重合の高分子凝集剤を添加し、藻類を凝集させることで沈降させる。
本発明に限らず、有機物の凝集で用いられる高分子凝集剤としては、表面電荷の違いによるカチオン・アニオン・ノニオンなどのイオン性と重合度が異なる種々の高分子凝集剤が挙げられる。
本発明者らは、藻類を凝集させるための凝集剤を検討した結果、強カチオン・高重合の高分子凝集剤がもっとも良い結果（沈降具合、凝集）を見せた。
なお、アニオンの高分子凝集剤では、藻類の沈降（凝集）が見られなかった。また、強カチオン・低重合の高分子凝集剤では藻類の沈降は見られたが、強カチオン・高重合の高分子凝集剤（メタクリル酸エステル系）と比較すると、沈降具合は良くなかった。
また、藻類が培養された培養液のｐＨを測定してみると、およそｐＨ７．０〜９．１を示していた。このことから、藻類の培養液が負の電荷を帯びているため、カチオンの高分子凝集剤が良い結果をもたらしたのではないかと考察し、様々な検討を行ったところ、強カチオン・高重合の高分子凝集剤が好適であることを見出しました。
本発明で用いることができる強カチオン・高重合の高分子凝集剤としては、特に、強カチオン・高重合のメタクリル酸エステル系および、アクリル酸エステル系の高分子凝集剤が好適である。
また、本発明において、藻類が培養された培養液は、ｐＨ７．０〜９．１が好適である。
【００２９】
なお、高分子凝集剤の添加量は任意に決定することができる。ただし、高分子凝集剤の使用量は多くても回収率はほとんど変わらないので、コストの観点より、本発明における高分子凝集剤の添加量は、培養液中の藻類の乾燥重量に対して０．１〜０．５重量％が適量である。
【００３０】
表１に強カチオン・高重合のメタクリル酸エステル系の高分子凝集剤を用いた凝集試験の結果を示す。
ここで、凝集剤添加量は、培養液中の藻類の乾燥重量に対する数値である。また、原液（攪拌直後）のＳＳは、１．０１８［ｇ／Ｌ］、原液（攪拌直後）のＣＯＤＭｎは、３２０［ｍｇ／Ｌ］であった。また、回収率は、下記の式で算出した。
回収率［％］＝（（原液ＳＳ−３０ｍｉｎ静置後の上澄み液ＳＳ）／原液ＳＳ）×１００
また、ＳＳとは、水質指標の一つで、水中に浮遊する粒径２ｍｍ以下の不溶解性物質の総称であり、浮遊物質（Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ  ｓｏｌｉｄｓ）または懸濁物質（ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ  ｓｕｂｓｔａｎｃｅ）と呼ばれるものである。
比較のために行った遠心分離装置による回収・濃縮は、遠心力２０００Ｇ、時間１０ｍｉｎの条件にて行った。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
ＳＶ３０を見ると分かるように、凝集剤を入れることで、３０分静置後の見掛け体積は、どれも良好な結果になっている。さらに、ＣＯＤＭｎおよび電気伝導度が、強カチオン・高重合のメタクリル酸エステル系の高分子凝集剤の添加量を多くしても大きく変化しないことから、高分子凝集剤の培養液への影響が少なく、上澄み液の再利用が可能であると考えられ、検証を行った。その検証は後述する。また、沈降速度は、凝集剤添加量０．１〜０．５重量％のものが高い数値を示している。
表１から強カチオン・高重合のメタクリル酸エステル系の高分子凝集剤を適量添加することで遠心分離と同等回収率で藻類を回収できることがわかる。さらに、培養液中の藻類の乾燥重量に対して０．１〜０．５重量％が適量であることがわかる。
【００３３】
（細胞破壊工程）
次に、沈降させて濃縮した藻類のスラリーに対して、流動バレル装置で細胞（細胞壁）破壊処理を行う。
本発明で用いられた流動バレル装置を図２に示す。この流動バレル装置Ａは、新東工業株式会社製の流動バレル研磨機（ＥＶＦ−０４型）である。バレル槽１の容量は４０［Ｌ］、藻類のスラリーおよび粉砕媒体の投入容量は１５［Ｌ］である。なお、前記バレル槽１には、その底部に排水用ボールバルブ２が設けられ、さらにバレル槽反転用レバー３が設けられている。前記バレル槽１内の内壁の材質はポリウレタンである。前記バレル槽１内部には、ジャマ板４が設けられている（図４参照）。
藻類のスラリーと粉砕媒体は、直接バレル槽１内に投入する。また、細胞壁を破壊された藻類の回収は、前記排水用ボールバルブ２から排出し、粉砕媒体の回収は、バレル槽反転用レバー３を倒してバレル槽１を反転させて行う。
【００３４】
表２に、ボールミルと流動バレルとの処理条件を示す。凝集剤（メタクリル酸エステル系高分子凝集剤）によって凝集・回収された藻類を、ボールミルおよび流動バレルによって細胞破壊処理を行ったときのそれぞれの処理条件を示したものである。なお、ここでは検体である藻類のスラリーと粉砕媒体の割合は、体積あたりで１：１とした。回転数は複数回の検討した中での最適条件である。
【００３５】
【表２】
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【００３６】
表２から分るように、ボールミルでは１回あたりの処理量が少ないことが分かる。細胞破壊処理を行ったあとに油脂を抽出するには、まとまった量が必要となるが、ボールミルでは流動バレルに比べより多くの回数を必要とするので、効率が良くない。流動バレルとボールミルではボールミルの方が、コスト面では優位ではあるが、コストと効率を考慮すると、流動バレルの方が良い。
また、使用したボールミルの容器は低容量であるが、大容量の容器を使用した場合、流動バレルと比べて回数は変わらなくなるが細胞破壊の効率が悪いと考えられる。
【００３７】
コストの点では、流動バレルとビーズミルとを比較すると、ビーズミルは、流動バレルと比べて、設備コストでおよそ５倍、運転コストでおよそ３．５倍、それらをあわせた細胞破壊処理コストではおよそ４．５倍となった。よってビーズミルで処理するより、流動バレルで処理した方がコスト面でも有利である。
【００３８】
図３に、細胞画像を示す。図３（ａ）が未処理の細胞であり、図３（ｂ）が流動バレルによって、破壊処理した細胞である。図３に示されるように、細胞破壊処理したもののほうが、細かい粒子や、透明な細胞が多数確認できる。これは、細胞から押し出された葉緑素成分や破壊された細胞である。
【００３９】
図４に、流動バレルによって細胞を破壊処理している槽内の状態の模式図を示す。図５に流動バレルで処理している様子の画像を示す。流動バレル装置Ａは、バレル槽底部回転盤５が回転することにより、バレル槽内に投入された藻類のスラリーと粉砕媒体とが固定されたバレル槽１の壁面６に、流動状態を作り出す。この時に、該流動状態の遠心力と粉砕媒体の加重によって、細胞（細胞壁）が破壊される。渦を巻くような流動状態Ｂが、様々な方向に力を作用させている。また、図５からも、バレル槽内部の前記ジャマ板４によって流動状態が、他方向に力を発生させていることがわかる。
【００４０】
表４に、細胞破壊における油脂類抽出物量の比較を示す。図６に使用粉砕媒体の画像を示す。
ここで、凝集剤は、表２で示した処理条件で行ったものと同じものを使用した。粉砕媒体のＶ−３は直径３ｍｍの球形、Ｖ−１０は直径１０ｍｍの球形、Ｖ−３−Ｔ６×５は一辺が３ｍｍ、高さが５ｍｍの三角柱であり、材質は全てアルミナである。
【００４１】
【表３】
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【００４２】
表３に示すように、流動バレルを用いて細胞の破壊処理を行うと、ボールミルを用いて行った場合より、油脂類抽出物量が約３倍高くなった。
また、小径の粉砕媒体を用いた方が、油脂類抽出物量が高くなることがわかる。すなわち、粉砕媒体の直径が３〜１０ｍｍの間のとき抽出量が多く、特に、粉砕媒体の直径を３〜５ｍｍとするとより抽出量が増加している。
また、種々の条件で処理を行った結果、流動バレルの粉砕時間は、５〜６０ｍｉｎで、回転数が２００〜２５０ｒｐｍが最適であった。
【００４３】
流動バレルは、槽内が流動状態になり強い遠心力が起こり、粉砕媒体と内壁や粉砕媒体間の摩砕力が高くなるため、検体と粉砕媒体の衝突回数が多い高効率の細胞破壊が行われる。一方、ボールミルで強い遠心力を生み出そうとすると、臨界回転数を越えてしまい、粉砕媒体が内壁を滑るだけになり、粉砕が起きなくなる。
【００４４】
また、ボールミルは、粉砕媒体の転がり落ちる衝撃力でも粉砕を行うが、藻類のスラリーの場合では、ほとんどが水分であるため細胞との接触が少なく、粉砕効率が低くなったと考えられる（比較例５に示すように、４８０ｍｉｎ処理しても抽出物量が高くなっていないことからもわかる）。さらに、流動バレルでも大径の粉砕媒体を用いた場合でも、大径の粉砕媒体と小さい細胞では接触が少なく、効率が低くなったと考えられる。よって、小径の粉砕媒体を用いた流動バレル処理が細胞破壊工程に適した方法であると言える。
【００４５】
なお、本発明で使用した流動バレルは、ボールミルと比較して連続処理が行える点や、バレル槽内の反転による粉砕媒体の取出しなど作業性にも優れている。
【００４６】
上述した高分子凝集剤の培養液への影響を検証するために、以下に、凝集工程で藻類を凝集したあとの上澄み液の再利用についての試験を示す。
表５に、本発明にかかわる、１種類の強カチオン・高重合の高分子凝集剤によって凝集し残った上澄み液によって培養した藻類と、一般的な培養液によって培養した藻類との乾燥重量による比較を示す。
また、図７に、本発明にかかわる上澄み液を用いた藻類の培養における溶存酸素の経日変化を示す。
【００４７】
【表４】
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【００４８】
表４では、本発明にかかわる上澄み液を用いて培養され得られた藻類と、一般的な培養液を用いて培養され得られた藻類とは同等の値を示していることがわかる。また、図７では、本発明にかかわる上澄み液でも一般的な培養液と比べても遜色のない溶存酸素が含まれていることがわかる。
【００４９】
これらのことから、本発明にかかわる１種類の強カチオン・高重合の高分子凝集剤による凝集後の上澄み液は、藻類の培養に再利用が可能である。よって、藻類を培養する際の水や培養液のコスト削減が可能である。さらに、培養液を余分に使用しなくて済み、環境への負荷を低減できる。
【符号の説明】
【００５０】
１    バレル槽
２    排水用ボールバルブ
３    バレル槽反転用レバー
４    ジャマ板
５    バレル槽底部回転盤
６    壁面
Ａ    流動バレル装置
Ｂ    流動状態
【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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【図７】
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