(57)【要約】【課題】有機溶剤、超音波あるいは機械的方法を用いることなく、藻油を抽出可能な藻油抽出方法を提案すること。【解決手段】藻油抽出方法はソフト水熱プロセスを用いて藻類から油を抽出する。ソフト水熱プロセス（ステップＳＴ７、ＳＴ８）においては、リアクタ内に満杯とならない状態に入れた藻類を加圧熱水の状態とし、リアクタ内における藻類の上部空間に、蒸気飽和度が１００％の飽和水蒸気の相と蒸気飽和度が１００％を下回る乾燥水蒸気の相とが併存する状態を形成する。藻油を変性、変質させることなく抽出できることが確認された。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
藻類から油を抽出するソフト水熱プロセスを含み、
前記ソフト水熱プロセスにおいては、
反応室内に満杯とならない状態に入れた藻類を加圧熱水の状態とし、
前記反応室内における藻類の上部空間に、蒸気飽和度が１００％の飽和水蒸気の相と蒸気飽和度が１００％を下回る乾燥水蒸気の相とが併存する状態を形成することを特徴とする藻油抽出方法。
【請求項２】
前記藻類を直接に加熱すると共に前記反応室の外側から前記藻類を間接的に加熱し、
前記藻類の含水分を蒸発させて前記反応室内の上部空間から残留空気を前記反応室外に排出させると共に、当該上部空間からの水蒸気の排出を制御して当該上部空間の圧力を制御して、
前記藻類を前記加圧熱水の状態にすると共に、前記上部空間に、前記飽和水蒸気の相および前記乾燥水蒸気の相が併存する状態を形成する請求項１に記載の藻油抽出方法。
【請求項３】
前記ソフト水熱プロセスの温度範囲を、１３０℃〜１８４．１℃の範囲内に維持する請求項１または２に記載の藻油抽出方法。
【請求項４】
前記ソフト水熱プロセスを、３０分間〜６０分間の範囲内の時間に亘って行う請求項１、２または３に記載の藻油抽出方法。
【請求項５】
処理対象の藻類を前記反応室に供給する供給プロセスと、
前記反応室の室内温度および室内圧力を高めて、当該反応室内に前記加圧熱水の状態と、前記飽和水蒸気の相および前記乾燥水蒸気の相の併存状態とを形成可能にする昇温昇圧プロセスと、
前記ソフト水熱プロセスと、
前記反応室の前記室内温度を所定の温度に下げると共に前記室内圧力を大気圧に戻す降温降圧プロセスと、
前記圧力室から処理済の前記藻類を取り出す排出プロセスと、
を含み、
前記昇温昇圧プロセスおよび前記ソフト水熱プロセスでは、
前記藻類を直接に加熱すると共に前記反応室の外側から前記藻類を間接的に加熱し、前記藻類の含水分を蒸発させて前記反応室内の上部空間から残留空気を前記反応室外に排出させると共に、当該上部空間からの水蒸気の排出を制御して当該上部空間の圧力を制御する請求項１、３または４に記載の藻油抽出方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法を用いて藻類から油を抽出する藻油抽出装置であって、
圧力容器からなる反応室と、
前記反応室に処理対象の藻類を供給する藻類供給部と、
前記反応室に供給した処理対象の藻類を加熱する加熱部と、
前記反応室内の室内圧力を調整する圧力調節部と、
前記反応室に供給された藻類を撹拌する撹拌部と、
前記反応室から処理済の前記藻類を排出する藻類排出部と、
を有していることを特徴とする藻油抽出装置。
【請求項７】
前記藻類供給部は、処理対象の前記藻類を貯留する供給タンクと、前記供給タンクから前記藻類を前記反応室に供給する供給ポンプとを備えており、
前記加熱部は、前記反応室内の藻類を加熱する内部ヒーターと、前記反応室を外側から加熱する外部ヒーターと、前記反応室の温度を検出する温度計と、前記温度計による計測
温度に基づき、前記内部ヒーターおよび前記外部ヒーターによる加熱状態を調節する温度指示調節計とを備えており、
前記圧力調節部は、前記反応室から水蒸気を排出する排気管と、前記排気管に取り付けた圧力調整弁と、前記反応室の内部圧力を検出する圧力計と、前記圧力計による計測圧力に基づき、前記圧力調整弁を制御して前記室内圧力を調節する圧力指示調節計とを備えている、
請求項６に記載の藻油抽出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水蒸気を用いて藻類から油を抽出可能な環境負荷の少ない藻油抽出方法および藻油抽出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石資源の枯渇、化石燃料に起因する地球温暖化・環境汚染等の環境負荷の低減等のために、植物等の生物資源を原料として製造されるバイオ燃料が注目されている。特に、バイオ燃料の原料として、食料に代わって、光合成により油脂類を蓄える藻類が注目されている。
【０００３】
藻類は、その細胞内に油脂類が蓄えられているので、その細胞壁を破壊した後に、有機溶剤等を用いて藻油を抽出する必要がある。特許文献１には、藻類からバイオディーゼル燃料を得るためのシステムが提案されており、その抽出セクションにおいては、超音波照射領域に藻類を通過させることで、藻類の内壁、外壁および油嚢を破壊する方法が採用されている。また、特許文献２には、藻類の細胞壁をボールミル、流動バレル装置を用いて機械的に破壊する方法が記載されている。
【０００４】
一方、本発明者等は、基礎的研究例が殆ど無いソフト水熱プロセス（２００℃以下の高温高圧の水および水蒸気）の化学特性を応用して、既存のオートクレーブでは不可能とされた高温耐性の蛋白質あるいは酵素、および細菌内毒素の不活性化が可能であることを見出している（特許文献３、４、５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−４０６１１号公報
【特許文献２】特開２０１４−１８１０１号公報
【特許文献３】特開２０１１−０８３２０６号公報
【特許文献４】特開２０１０−０７５６１９号公報
【特許文献５】特開２００９−２４０２０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者等は、ソフト水熱プロセスの化学特性に着目して、当該ソフト水熱プロセスを適用したところ、藻油を抽出可能なことを見出した。
【０００７】
本発明の課題は、かかるソフト水熱プロセスの新たな用途の発見に基づき、有機溶剤、超音波あるいは機械的方法を用いることなく、効率良く藻油を抽出可能な新たな藻油抽出方法を提案することにある。
【０００８】
また、本発明の課題は、かかる新たな藻油抽出方法を用いて藻油を抽出するのに適した藻油抽出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明の藻油抽出方法は、藻類から油を抽出するソフト水熱プロセスを含んでいる。ソフト水熱プロセスにおいては、反応室内に満杯とならない状態に入れた藻類を加圧熱水の状態とし、反応室内における藻類の上部空間に、蒸気飽和度が１００％の飽和水蒸気の相と蒸気飽和度が１００％を下回る乾燥水蒸気の相とが併存
する状態を形成することを特徴としている。
【００１０】
本発明において用いる、高温高圧水蒸気を反応媒体とした化学反応である「ソフト水熱プロセス」の反応領域は、水蒸気温度が１０６℃〜１８４．１℃の範囲内の領域である。蒸気飽和度（％）は次式により表される。
｛蒸気密度（ｋｇ／ｍ３）／飽和水蒸気密度（ｋｇ／ｍ３）｝×１００
【００１１】
本発明の方法において、藻類を直接に加熱すると共に反応室の外側から藻類を間接的に加熱し、藻類の含水分を蒸発させて反応室内の上部空間から残留空気を反応室外に排出すると共に、当該上部空間からの水蒸気の排出を制御して当該上部空間の圧力を制御することで、藻類を加圧熱水の状態にすることができ、上部空間に、飽和水蒸気の相および乾燥水蒸気の相が併存する状態を形成することができる。
【００１２】
本発明の方法におけるソフト水熱プロセスでは、密閉容器である反応室内において、藻類は加圧熱水の状態になる。液相である加圧熱水は高いイオン積、誘電率を備え、この状態の藻類においては、藻類の細胞のタンパク質および藻類の細胞外部の多糖類が加水分解され、藻類の細胞の中に閉じ込められている藻油の抽出が促進される。
【００１３】
また、反応室内には、意図的に、処理対象の藻類が満杯とならないように入れてある。よって、反応室内には藻類の上側に上部空間ができる。藻類を直接に加熱することで、この上部空間に藻類の含水分が蒸発する。また、当該上部空間からの水蒸気の排出を調整することで当該上部空間の圧力を制御する（換言すると、流通式による圧力制御を行う）。これにより、上部空間には、飽和水蒸気の相が形成される。したがって、上部空間に形成される飽和水蒸気の抽出反応によっても藻油の抽出が期待できる。
【００１４】
さらに、反応室の外側から、その内部の上部空間の飽和水蒸気温度以上となるように加熱することにより、反応室の上部空間における反応室内周面側の部分には、蒸気飽和度が１００％を下回る乾燥水蒸気が形成される。したがって、この乾燥水蒸気の抽出反応によっても、藻油の抽出が期待できる。
【００１５】
このように、本発明の方法によれば、反応室内での藻類の直接加熱に加え、流通式による圧力制御および外部加熱を行うことで、反応室内の空間の蒸気飽和度を様々な藻油の最適抽出条件に制御できる。この結果、反応室内には、藻類で満たされた加圧熱水の部分と、上部空間の飽和水蒸気の部分および乾燥水蒸気の部分との３つの相状態が形成され、これらによる３つの化学的反応によって、藻油を効率良く抽出することが可能になる。
【００１６】
本発明者等の実験によれば、藻油抽出のためのソフト水熱プロセスにおける温度を、１３０℃〜１８４．１℃の範囲内にすれば望ましいことが確認された。また、ソフト水熱プロセスによる藻類の処理時間を、３０分間から６０分間の範囲内にすれば望ましいことが確認された。
【００１７】
本発明の藻油抽出方法は、具体的には、処理対象の藻類を反応室に供給する供給プロセスと、反応室の室内温度および室内圧力を高めて、当該反応室内に加圧熱水の状態と、飽和水蒸気の相および乾燥水蒸気の相の併存状態とを形成可能にする昇温昇圧プロセスと、前記のソフト水熱プロセスと、反応室の室内温度を所定の温度に下げると共に室内圧力を大気圧に戻す降温降圧プロセスと、反応室から処理済の藻類を取り出す排出プロセスとを含む。昇温昇圧プロセスおよびソフト水熱プロセスでは、藻類を直接に加熱すると共に反応室の外側から藻類を間接的に加熱し、藻類の含水分を蒸発させて反応室内の上部空間から残留空気を反応室外に排出させると共に、当該上部空間からの水蒸気の排出を制御して当該上部空間の圧力を制御する。
【００１８】
次に、本発明はソフト水熱プロセスを用いて藻類から油を抽出する藻油抽出装置であって、圧力容器からなる反応室と、反応室に処理対象の藻類を供給する藻類供給部と、反応室に供給した処理対象の藻類を加熱する加熱部と、反応室内の室内圧力を調整する圧力調節部と、反応室に供給された藻類を撹拌する撹拌部と、反応室から処理済の藻類を排出する藻類排出部とを有していることを特徴としている。
【００１９】
さらに具体的には、藻類供給部は、処理対象の藻類を貯留する供給タンクと、供給タンクから藻類を反応室に供給する供給ポンプとを備えている。加熱部は、反応室内の藻類を加熱する内部ヒーターと、圧力室を外側から加熱する外部ヒーターと、反応室の温度を検出する温度計と、温度計による計測温度に基づき、内部ヒーターおよび外部ヒーターによる加熱状態を調節する温度指示調節計とを備えている。圧力調節部は、反応室から水蒸気を排出する排気管と、排気管に取り付けた圧力調整弁と、反応室の内部圧力を検出する圧力計と、圧力計による計測圧力に基づき、圧力調整弁を制御して室内圧力を調節する圧力指示調節計とを備えている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明を適用した藻油抽出装置を示す平面図および側面図である。
【図２】図１の藻油抽出装置の配管系統図である。
【図３】図１の藻油抽出装置の設計条件例の一覧表を示す説明図である。
【図４】図１の藻油抽出装置の機器仕様例の一覧表を示す説明図である。
【図５】図１の藻油抽出装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】ソフト水熱プロセスによって抽出された藻油の脂肪酸組成を、抽出前における脂肪酸組成と比較して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した藻油抽出装置の実施の形態を説明する。
【００２２】
（装置構成）
図１（ａ）は、本発明のソフト水熱プロセスによる藻油抽出方法を用いて藻油を抽出する藻油抽出装置の平面図であり、図１（ｂ）は藻油抽出装置を図１（ａ）の矢印ｂの方向から見た場合の側面図である。また、図２は藻油抽出装置の配管系統図である。
【００２３】
これらの図を参照して説明すると、藻油抽出装置１はバッチ式の装置であり、装置架台２を備え、装置架台２の上に各装置構成部が搭載されている。装置構成部には、各部の駆動制御を司る制御盤３、藻類にソフト水熱プロセスを施す縦置きの圧力容器からなるリアクタ（反応室）Ｒ１、リアクタＲ１に処理対象の藻類を供給する藻類供給部４、リアクタＲ１を加熱する加熱部５、リアクタＲ１内の圧力を調整する圧力調節部６、および、リアクタＲ１から処理済の藻類を排出する藻類排出部７が含まれている。
【００２４】
藻類供給部４は、処理対象の藻類が投入される供給タンクＴ１と、供給タンクＴ１から藻類をリアクタＲ１に圧送する供給ポンプＰ１とを備えている。供給タンクＴ１からリアクタＲ１に藻類を供給する供給管１１には、藻類の供給開始、供給停止の切り替えを行う手動弁ＨＶ１および供給電動弁ＭＶ１が配置されている。
【００２５】
縦置きのリアクタＲ１にはレベル計ＬＧ１が取り付けられている。供給される藻類の量を、異なる高さ位置に配置した複数個のレベルスイッチＬＳ２〜ＬＳ５によって検出可能である。レベル計ＬＧ１に基づき供給電動弁ＭＶ１の開閉が制御される。
【００２６】
リアクタＲ１を加熱する加熱部５は、図２に示すように、リアクタＲ１の内部の下側部
分に配置した複数、例えば３つの内部ヒーターＨ１〜Ｈ３と、リアクタＲ１の外周面に取り付けた複数、例えば８つの外部ヒーターＨ４〜Ｈ１１とを備えている。内部ヒーターＨ１〜Ｈ３によって、リアクタＲ１内に供給された藻類が加熱され、外部ヒーターＨ４〜Ｈ１１によってリアクタＲ１が外側から加熱される。
【００２７】
リアクタＲ１の外周面における複数の部位には温度測定用の熱電対ＴＥ１〜ＴＥ６が配置されている。これらの熱電対ＴＥ１〜ＴＥ６による測定温度に基づき、温度指示調節計ＴＩＣＡ１〜ＴＩＣＡ４は内部ヒーターＨ１〜Ｈ３および外部ヒーターＨ４〜Ｈ１１による加熱を調節してリアクタＲ１内が規定温度となるように調整する。
【００２８】
リアクタＲ１の内部には攪拌機ＭＸＩが配置されている。リアクタＲ１の内部に供給された藻類は、ソフト水熱プロセス時に藻類が撹拌される。攪拌機ＭＸＩの動作は、その駆動モータＭ３を駆動制御することによって行われる。
【００２９】
リアクタＲ１の圧力調節部６は、リアクタＲ１から水蒸気を排出する排気管１２、１３を備えている。これらの排気管１２、１３は復水器ＣＤ−１を介して、復水タンクＴ２に繋がっている。排気管１３には圧力調整弁ＣＶ１が取り付けられており、圧力調整弁ＣＶ１は圧力指示調節計ＰＩＣ１によって開閉量が制御される。圧力指示調節計ＰＩＣ１は、圧力トランスミッタＰＴ１によって検出されるリアクタＲ１の内圧が規定の内圧となるように、圧力調整弁ＣＶ１の開度を調整する。また、リアクタＲ１には安全弁ＳＶ１を介して大気開放され、内圧の異常な上昇が回避される。
【００３０】
リアクタＲ１から処理済の藻類を排出する藻類排出部７は、リアクタＲ１の底部に接続された排出管１４と、排出管１４を経由して処理済の藻類を次工程に送り出すための排出ポンプＰ２とを備えている。排出管１４には排出電動弁ＭＶ２が取り付けられており、これを開閉することで、藻類の排出動作が制御される。
【００３１】
なお、図２の各符号の意味を以下に列記する。
ＧＩ１：開度指示計
ＧＴ１：開度発信器
ＧＳ１〜ＧＳ６：リミットスイッチ
ＬＧ１：レベル計
ＬＳ１〜ＬＳ５：レベルスイッチ
ＴＩＣＡ１〜ＴＩＣＡ４：温度指示調節計
ＴＩ１〜ＴＩ３：温度指示計
ＴＥ１〜ＴＥ６：熱電対
ＰＩＣ１:圧力指示調節計
ＰＴ１：圧力トランスミッタ
ＰＩ１、ＰＩ４〜ＰＩ６：圧力計
ＰＩ２、ＰＩ３：連成計
ＳＴ１〜ＳＴ４：ストレーナ
ＧＶ１〜ＧＶ３：手動弁（圧力計用）
ＨＶ１〜ＨＶ９：手動弁
ＣＨＶ１、ＣＨＶ２：逆止弁
ＴＣＶ１：温度調整弁
ＰＲＶ１：減圧弁
ＳＶ１：安全弁
ＣＶ１：調節弁
ＭＶ１、ＭＶ２：電動弁
ＣＤ１：復水器
Ｔ１：供給タンク
Ｔ２：復水タンク
Ｐ１：供給ポンプ
Ｐ２：排出ポンプ
ＭＸ１：攪拌機
Ｈ１〜Ｈ３：内部ヒーター
Ｈ４〜Ｈ１１：外部ヒーター
Ｍ１〜Ｍ３：モータ
ＳＩＣ１、ＳＩＣ２：インバータ
【００３２】
図３は、本例の藻油抽出装置１の設計条件例の一覧表を示す説明図であり、図４は藻油抽出装置１の機器仕様例の一覧表を示す説明図である。本例では、図３に示すように、１バッチ処理の想定処理時間が１３０分間に設定されている。処理時間の内訳は次の通りである。なお、これらの処理時間は処理条件（圧力、温度、設定時間）に応じて変化する。
【００３３】
供給プロセス（図３の「供給」：処理対象の藻類をリアクタＲ１に供給する）：１０分間
昇温昇圧プロセス（図３の「昇温」：リアクタＲ１を密閉して内部温度および内部圧力を規定温度および規定圧力まで高めて、リアクタＲ１内の藻類を高飽和水蒸気の状態にする）：３０分間
ソフト水熱プロセス（図３の「抽出」）：６０分間
降温降圧プロセス（図３の「降温」：リアクタＲ１の内部温度を所定の温度に下げると共に内圧を大気圧に戻す）：２０分間
排出プロセス（図３の「排出」：リアクタＲ１から処理済の藻類を取り出す）：１０分間
【００３４】
（藻油抽出動作）
図５は、藻油抽出装置１を用いた藻油抽出動作を示すフローチャートである。この図を参照して、藻油の抽出動作を説明する。まず、ステップＳＴ１に示すように、処理対象の藻類を供給タンクＴ１に投入する。次に、ステップＳＴ２、ＳＴ３に示すように、処理対象の藻類を規定量だけリアクタＲ１に供給する（供給プロセス）。藻類が供給された後の状態は、図２に示すように、リアクタＲ１内に藻類が満杯に充填されずに、その上端部分に上部空間８が残る。
【００３５】
藻類を供給し終えた後は、ステップＳＴ４、ＳＴ５に示すように、リアクタＲ１を内部および外側から加熱する。これにより、リアクタＲ１内の藻類が直接に加熱されて水蒸気が発生し、温度の上昇に伴って内圧が上昇する。圧力調整弁ＣＶ１を調整して排出される水蒸気量を制御することで、リアクタＲ１内の圧力を規定圧力まで上げると共に、内部温度を規定温度まで上げる（昇温昇圧プロセス）。
【００３６】
このように、藻類が直接に加熱されると共に、リアクタＲ１の外側から藻類が間接的に加熱される。藻類の含水分が蒸発して上部空間８から残留空気が排出される。また、上部空間８からの水蒸気の排出が制御されて、当該上部空間の圧力が制御される。この結果、リアクタＲ１の内部の藻類は加圧熱水の状態になり、上部空間には、飽和水蒸気の相および乾燥水蒸気の相が併存する複合状態が形成される。
【００３７】
この後は、ステップＳＴ６、ＳＴ７に示すように、この状態を規定時間（本例では６０分間）に亘って維持する制御を行う（ソフト水熱プロセス）。この場合においても、藻類の直接加熱制御、リアクタＲ１の外部加熱制御、流通式による圧力制御が行われて、藻類が加圧熱水の状態に維持され、上部空間は、飽和水蒸気の相と乾燥水蒸気の相が併存する
状態に維持される。このように、各相の化学的反応特性が利用されて、藻類の細胞膜が破壊されて、内部から藻油が抽出されて分離する。このような各相の水蒸気の化学的反応特性を利用して藻油を抽出する技術は他に例のない斬新なものである。
【００３８】
この後は、ステップＳＴ８、ＳＴ９に示すように、リアクタＲ１の温度および圧力を下げて、圧力を大気圧まで戻す（降温降圧プロセス）。そして、ステップＳＴ１０に示すように、処理済の藻類をリアクタＲ１から排出して次工程に向けて送り出す（排出プロセス）。
【００３９】
（実施例）
本発明者等は、上記構成の藻油抽出装置１を用いて藻類の抽出処理を行った。処理条件は、ソフト水熱プロセスにおける温度を１５０℃とし、処理時間を６０分間とした。
【００４０】
処理後の藻類を光学顕微鏡により確認したところ、処理後の藻類の細胞の形状が変化し、細胞内から脂質が溶出し、溶出した脂質が分散していることが確認された。
【００４１】
また、抽出した藻油の変性、変質の有無を確認するために、抽出した藻油の組成を処理前の藻油の組成と比較した。
【００４２】
図６は、抽出した（処理後の）藻油の脂肪酸組成と抽出前（処理前）の藻油の脂肪酸組成の分析結果を示すグラフである。このグラフに示すように、本例のソフト水熱プロセスによって抽出された藻油に変性、変質が生じていないことが確認された。なお、グラフにおける脂肪酸の命名法はＩＵＰＡＣ生化学命名法（Ｒｕｌｅ  Ｌｉｐ．  Ａｐｐｅｎｄｉｘ  Ａ，  Ａｐｐｅｎｄｉｘ  Ｂ）に従った表記である。
【符号の説明】
【００４３】
１    藻油抽出装置
２    装置架台
３    制御盤
４    藻類供給部
５    加熱部
６    圧力調節部
７    藻類排出部
８    上部空間
１１  供給管
１２、１３  排気管
１４  排出管
Ｒ１  リアクタ（反応室）
Ｐ１  供給ポンプ
ＭＶ１  供給電動弁
ＭＶ２  排出電磁弁
ＬＧ１  レベル計
ＬＳ２〜ＬＳ５  レベルスイッチ
Ｈ１〜Ｈ３  内部ヒーター
Ｈ４〜Ｈ１１  外部ヒーター
ＴＥ１〜ＴＥ６  熱電対
ＴＩＣＡ１〜ＴＩＣＡ４  温度指示調節計
ＭＸＩ  攪拌機
ＣＤ−１  復水器
ＣＶ１  圧力調整弁
Ｔ１  供給タンク
Ｔ２  復水タンク
ＰＩＣ１  圧力指示調節計
【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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