ラン藻による脱化石燃料技術開発

明治大学

農学部

農芸化学科

専任准教授

小山内崇

２０２１年１０月１９日

1

想定される用途• SDGs, 低炭素, 持続社会などを標榜することを目指す企業との協業• プラ原料生産などを目指すが、高付加価値な製品やサービスとの組み合わせを協業企業と考える

2

自己紹介

小山内崇（おさないたかし） 明大農学部農芸化学科 准教授
環境バイオテクノロジー研究室

専門分野
出身は埼玉県川口市○学部
国際基督教大学教養学部 2002年卒○大学院
東京大学院分生研 2007年にPhD（農学）分子生物学、生物工学、代謝工学、生化学
科学技術振興機構（JST）の低炭素プロジェクトALCA代表（2013~2022年度）
他に現在、科研費基盤Bと挑戦的研究（萌芽）代表

ブログやツイッターなどもブログランキング⼤学教育部⾨１位（2020年後半〜現在）

農学部は川崎市多摩区

今年度のメンバー
総勢31名

研究者としての目標
資源枯渇、地球温暖化、ゴミ問題の解決
3

ラン藻による脱化石燃料技術開発
Synechocystis sp.
PCC 6803

ラン藻 （シアノバクテリア、アオコ） シアノバクテリア＆テクノロジー→「シアノロジー」
光合成をする最も単純な生物

二酸化炭素でものづくり
発酵（酸素を除く）貝の旨味成分

特許出願10件
特許登録8件（国内7、米国１）
特許出願準備中1件「コハク酸」を作った

コハク酸は旨味成分、プラ原料など汎用化学原料
4

ビジョンと課題解決目指す社会は、化成品の地産地消
採掘、輸送、貯蔵など、石油製品の長い道のり

採掘

輸送

ラン藻培養で石油製品（化成品）を“地産”製造までを１箇所でとはいえ、簡単そうに⾒えて難しいのが培養製造

貯蔵

培養ノウハ
ウや特許で、CO2資源化！
（株）シアノロジー※仮称5従来技術とその問題点
環境問題の観点から、藻類培養に大きな注目が集まっている。しかし・・・○成功例は、健康食品と色素のみ○他の例は、コストに見合わなそう。環境への効果も不明○培養には大規模投資が必要などの問題があり、多くの企業が参入を迷っている。

6コア技術①濁度(OD730)
⼀般的な実験：OD730 = ~1
BG-11の最⾼記録： OD730 = ~13
BG-11HC: OD730 = ~30(乾燥重量4.5 g/L)
３０倍！
グリコーゲン蓄積量 31%

1. シアノバクテリアの高密度培養
培養法や培地を改良して、⾼密度培養を可能にした
BG-11HC（High Concentration）培地

乾燥重量4.5 g/L
40

開発した⾼密度培地(BG-11HC)

OD73030

BG-11HC
14⽇⽬の写真2010
通常の培地(BG-11)

002

468

10 12 14

培養⽇数(⽇)Q. BG-11培地を試薬で買うといくら?

A. 9,500 円/L!
(Thermo BG-11 medium)
7⽶国エネルギー省が選定した、バイオで作るべき１２化合物の１つ

コア技術②

2. 発酵によるC4ジカルボン酸（コハク酸、フマル酸、リンゴ酸）生産
200 nm

シアノの発酵（嫌気培養）
で、細胞外にコハク酸などのカルボン酸が放出

光合成の糖が発酵で“カルボン酸”に全カルボン酸 19.2 g/L（細胞は40 g/L）
コハク酸
4.2 g/L

フマル酸
2.7 g/L

乳酸
0.6 g/L

酢酸
7.0 g/L

リンゴ酸
4.6 g/L

Iijima et al. 2021

Metab. Eng.
クエン酸
0.1 g/L

⼩⼭内ら 特願2020-058792

8コア技術②

実は価値の高いカルボン酸「フマル酸」と「D-乳酸」

1. バイオ生産が難しいフマル酸

2. 値段の高いD-乳酸

フマル酸はプラ原料、食品添加物、医薬品（国内市場2万トン）。

シネコシスティスは、光学純度100%でD-乳酸を作る

研究グルー
プ

生物細胞量

外部からの炭素源投入

フマル酸力価

フマル酸生産効率

Song et al.
2013

大腸菌

10 g/L80 g/L glucose

28.2 g/L

448 mg/L/h

Wu et al.
2018

クモノスカ
ビ

9 g/L

125 g/L sugarfrom corncob
hydrolytes

49.1 g/L

409 mg/L/h

Xu et al.
2013

酵母

5.8 g/L

50 g/L glucose,0.1 g/L Urea

5.6 g/L

197 mg/L/h

This study(CitHox)

シアノバクテリア

40 g/Lなし

3.0 g/L

31 mg/L/h(0-96 h)試薬の価格は、5 gで2万円(和光純薬)

発酵なしのフマル酸生産法を開発中。特許出願準備中
9

コア技術③

培養系の立ち上げや培養セットのOEMで事業化

3. 培養技術
シアノバクテリア密閉培養（小山内ら 特願2019-184680）
長所 炭素が漏れない、コンタミしにくい短所 培地がアルカリ化する

培養のスケールアップに関しては、コラボが必要

ガラス器具の設計さまざまなフラスコで培養
10コア技術①〜③を組み合わせた持続的バイオ事業
コハク酸やフマル酸と顧客企業に合わせた高付加価値物質の組み合わせを提供
1. 培地（研究者、エネルギー＆⼯業関連）CO2

2. 培養装置
（研究者、エネルギー＆⼯業関連）
3. 藻類の受託⽣産（全企業）

ラン藻（シアノバクテリア）
シネコシスティス Synechocystis sp.
PCC 6803

4. コハク酸, 乳酸, ポ
リヒドロキシ酪酸（化学、⾷品）

CmFUM

8. 飼料・肥料(⼀般、農業畜産)

5. ⾷⽤⾊素フィコシア
ニン（⾷品、化粧品）
6. ⽔素（エネルギー・⽯油関連）"  !# "
$

⾰新性・優位性○培養ノウハウ○特許（出願１０件、登録８件）○研究基盤（ラボ＆⼈材）○企業共同研究実績

まもなく抗体販
売開始！

スピルリナ

ユーグレナ
7. 酵素・抗体（研究者、分析、⾷品メーカー）

9. ⾷⽤藻類（⾷品メーカー）

11

実用化に向けた課題• ターゲットによって、製品化までの年数が異なる• 成長ターゲットについては、研究開発をしながらの製品化が必須• 実用化に向けて、スケールアップが必須（ただし、スケールアップ技術そのものも事業化できる可能性あり）

12

新技術の特徴・従来技術との比較• 初期ターゲットと成長ターゲットを分けた事業プランである• 藻類の中で、最も育てやすいラン藻（シアノバクテリア）を使う• バイオ系であるが、スモールスタートが可能

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初期ターゲットと成長ターゲット
初期ターゲット︓⾼付加価値物質
培地︓1万円/L
培養器具︓数千円〜数万円/個
ラン藻酸加⽔分解物
酵素︓数万円/mg
抗体:数万円〜数⼗万円/mL
フィコシアニン（⾊素）︓1万円/g
培養技術コンサルテーション
研究開発などを⾏っている企業や⼤学、研究機関が顧客
市場規模は⼩さい。
成⻑ターゲット︓環境問題に貢献する物質
バイオプラ原料（コハク酸など）︓数百円/kg
化学・⾷品メーカー
市場規模は10万t/年以上で、今後も成⻑「環境問題に取り組まない企業は、資⾦繰りやブランド⼒で⼤きな機会損失」- 14 -

初期ターゲットの例

ラン藻酸加水分解物

初期ターゲットと成長ターゲット
プロセスが少ないラン藻加水分解物
好気培養→回収→3.5%硫酸(100℃, 3時間) →Ca(OH)2で中和→遠心、上清→8倍量のエタノール→遠心、上清→エタノールで洗う→沈殿（ラン藻酸加水分解物）

15

50 mLの培養液（OD730=~8）から約30 mgのラン藻酸加水分解物※現時点では、まだ収率を上げる検討はしていない。

ラン藻酸加水分解物は、グルコース
66.7%、残りは不明（アミノ酸？）

大腸菌や発酵微生物の栄養分として使う （一部は特願2019-184680）- 15 -

成長ターゲットの中で価値の高い「フマル酸」と「D-乳酸」

初期ターゲットと成長ターゲット
1. バイオ生産が難しいフマル酸
フマル酸はプラ原料、食品添加物、医薬品（国内市場2万トン）。

2. 値段の高いD-乳酸
シネコシスティスは、光学純度100%でD-乳酸を作る

研究グルー
プ

生物

細胞量

外部からの炭素源投入フマル酸力価

フマル酸生
産効率

Song et al.
2013

大腸菌

10 g/L80 g/L glucose

28.2g/L

448 mg/L/h

Wu et al.
2018

クモノスカ
ビ

9 g/L

125 g/L sugar fromcorncob hydrolytes

49.1g/L

409 mg/L/h

Xu et al.
2013

酵母

5.8 g/L

50 g/L glucose,0.1 g/L Urea

5.6g/L

197 mg/L/h

This study(CitHox)

シアノ
バクテ
リア

40 g/Lなし

3.0g/L

31 mg/L/h(0-96 h)試薬の価格は、5 gで2万円(和光純薬)

発酵なしのフマル酸生産法を開発中。特許出願準備中- 16 -

協業、共同研究へのワークフロー
初期導入コスト
協業企業（株）シアノロジー ※仮称

最低20~30万円
顧客

環境技術の導入を考える企業

提供価値

通常80~100万円

藻類を培養し、二酸化炭素を原料とする製品を開発

贅沢200~300万円

シアノロジーと協業するメリット

1. 事業のスモールスタートが可能
2. 長年蓄積された培養ノウハウと特許（出願１０件、登録８件）
3. 若手人材が豊富
4. 大学ブランド
5. 研究室基盤

必要な物品例
試薬
培養ガラス器具
培養インキュベータ
光源
CO2ボンベ,エアポンプ
滅菌装置

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製品・サービスの内容
コハク酸と顧客企業に合わせた高付加価値物質の組み合わせを提供

初期ターゲット（高付加価値物質）を一緒に考える！
1. 培地（研究者、エネルギー＆⼯業関連）CO2

2. 培養装置
（研究者、エネルギー＆⼯業関連）
3. 藻類の受託⽣産（全企業）

ラン藻（シアノバクテリア）
シネコシスティス Synechocystis sp.
PCC 6803

4. コハク酸, 乳酸, ポ
リヒドロキシ酪酸（化学、⾷品）

CmFUM

8. 飼料・肥料(⼀般、農業畜産)

5. ⾷⽤⾊素フィコシア
ニン（⾷品、化粧品）
6. ⽔素（エネルギー・⽯油関連）"  
!# "
$

スピルリナ

ユーグレナ
7. 酵素・抗体（研究者、分析、⾷品メーカー）

9. ⾷⽤藻類（⾷品メーカー）- 18 -

本技術に関する知的財産権①• 発明の名称 ：有機酸の製造方法• 出願番号 ：特願2020-058792• 出願人：学校法人明治大学• 発明者：小 山 内 崇 、飯 嶋 寛 子、
渡邊敦子
19200 nm光合成で蓄積したグリコーゲンが、発酵によって“カルボン酸”に変換

3,000

野生株
CitHox株

シネコシスティス細胞

生産量(mg/L)

2,500
2,000
1,500
1,000

**
500**

**

*
**

0

コハク酸

リンゴ酸
フマル酸

酢酸
乳酸

20
全カルボン酸本技術に関する知的財産権②• 発明の名称 ：食品、食品の加熱処理方法、フィコシアニン含有物の製造方法、及び食品の製造方法• 特許番号 ：特許第6681065号• 出願人：学校法人明治大学• 発明者：小 山 内 崇 、飯 嶋 寛 子
21

温泉紅藻シゾンを用いた有用物質生産
イタリアの酸性温泉から単離された単細胞性の紅藻。至適生育条件は温度42℃、pH2.5。
直径は1.5~2マイクロメートル。
ゲノムサイズは16.5 Mbp。イントロンを持つ遺伝子が極めて少ない。

これまでに、有機酸の細胞外生産、水素生産などの応用例はない。

http://www.bioportal.jp/ja/column/679
22シゾンフィコシアニンの細胞外への放出
水だけでフィコシアニンタンパク質を抽出
フィコシアニンは、純度によって、500~100,000ドル/kg!
Borowitzka, 2013 J. Appl. Phycol）。

120

従来のフィコシアニンは、40~50℃で失活するが、シゾンフィコシアニンは60~70℃でも失活しない
耐熱性！
また、耐酸性もある。

100CR (%)

80604020030405060708090

Temperatures (℃)
Water

23温泉紅藻シゾンを用いた有機酸の生産
嫌気発酵培養（生産フェーズ）
OD730 = 20となるように、20 mM
Hepes-KOH (pH7.8)に懸濁。
40℃、暗条件で振盪３日間好気培養（増殖フェーズ）
M-Allen培地（pH2.5）で培養（N-replete）。
M-Allen培地から窒素を除いた培地を作製し、１週間培養（N-depleted）

上清の有機酸をHPLCで測定
LactateSuccinate
18mg/L culture

1614Acetate

1200

4.01000

3.5
3.08001210

2.56008

2.0
1.5400

6

1.0

4200

20.5

00
N-repleteN-depleted

0.0
N-repleteN-depleted

N-repleteN-depleted

窒素欠乏培養をすることで、コハク酸量が約４倍に増加。また、乳酸が1 g/Lを超える高濃度で生産される。
24

本技術に関する知的財産権③• 発明の名称 ：有機酸の製造方法• 特許番号 ：特許第6688497号• 出願人：学校法人明治大学• 発明者：小 山 内 崇 、飯 嶋 寛 子

25有機酸生産量（mg/L）

ラン藻の水素生産を抑えると、コハク酸・乳酸生産が増大
450400350300
250200150100500

HoxH: 水素生産に必要なタンパク質対照株
hoxH変異株

コハク酸

乳酸対照株

酢酸

hoxH変異株生産された有機酸の割合
青：コハク酸
赤：乳酸
緑：酢酸
26

グリコーゲン

炭素の貯蔵源であるグリコーゲンの分解が促進されている可能性

糖リン酸
糖代謝下流の有機酸が増加

hoxH変異水素生産を改変することで、炭素の流れを変化させることに成功

乳酸、コハク酸などの有機酸27

２つのアクセレレータープログラムに採択
川崎市主催、Kawasaki Deep Tech Accelerator
2021採択！
○ビジネススクール通い（隔週土曜日10~17時）○起業メンターと相談○2022年１月に最終ピッチ

リバネス主催、アグリテッ
クGP2021ファイナリスト
Real Tech Fund賞と視聴者投票第１位獲得○ビジネスコンテストと継続的なメンタリング 28

実用技術化に向けた企業との共同研究
2021年秋現在、５社と小山内研で研究契約などを締結
会社名（略称）

基礎研究

ユーグレナ（2015-）

論文３報

いであ（2017-）

A社（2019-）

B社（2021-）
C社（2021-予定)

応用研究

製品開発・販売

特許出願３件、登録２件

ALCAチーム参画
製品販売に向けて開発試験・顧客テスト中

環境技術導入を目指して、製品開発を模索
抗体の製造・受託販売

その他、さまざまな企業と研究相談を随時行っています29企業への期待• スモールスタートで、培養を始めてみて、初期ターゲットが思いつくかを議論• 現代では、環境技術の導入が必須なので、企業のブランド価値の向上への寄与も含めて考える• 同様の問い合わせが多いので、早めに決断していただいた企業の方を優先に共同研究を進める30

お問い合わせ先
学校法人明治大学 生田研究知財部ＴＥＬ 044−934−7639
ＦＡＸ 044−934−7917
e-mail ma19012@mics.meiji.ac.jp

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