令和２年１１月１９日

メタン発酵消化液の栄養塩分離による微細藻類の培養技術
北海道大学 大学院工学研究院
環境工学部門佐藤 昌宏
1

技術開発の背景～消化液利用～
新たな消化液利用（N循環ルート）

N含有物の生産

家畜
糞尿
メタン発酵

飼料 食料

大気土壌

化学
肥料

液肥（消化液）散布不可な場合、要水処理
利用期間限定＝貯めて一定期間に散布

地下水・水域

過剰散布により、循環できない消化液を微細藻類培養に用いることに着目
2

技術開発の背景～藻類培養～
これまでも・オイル生産、食料品など微細藻類の大量培養技術が確立
大量培養には栄養塩の確保がコスト削減のために必要→下水を用いた実証試験
消化液を用いる場合の問題• 窒素が高濃度• pHが高いと遊離アンモニアの影響• 色成分による光の透過疎外

栄養塩と色成分の分離・pH制御が重要

3

本技術のシステム概略
膜による栄養塩分離

養塩類

色成分（光阻害）

土着微細 MF膜 発酵残渣藻類
栄培養

CO2ガス供給によるpH制御
メタン発酵のバイオ
ガス発電排ガスの供給

気液平衡

土着微細藻類培養
充填後(発酵残渣・培養液)

充填前＜横型レースウェイ式培養槽＞
4

従来の技術との相違点
色成分による光の阻害

濃縮回収＋培養槽へ添加・希釈

培養器の改善

従 凝集剤
来 の添加

UFやOR膜等、加圧、目詰まり・洗浄が必要

光の強度大担持体（ろ布）の利用

本 日常的技 な操作は不要
術

無加圧
培養槽の深さ次第
希釈は最小限・頻度は で回収量大低い

色成分の除去5

開発スキーム
1. 消化液を用いた土着微細藻類の培養～CO2ガス気液供給によるpH制御と炭酸供給～
2. 消化液中の光の阻害要因の解明
3. 消化液中の栄養塩膜分離挙動

6消化液を用いた土着微細藻類の培養（CO2ガス気液平衡によるpH制御と炭酸供給）
CO2ガスと空気を混合し、CO2濃度を約10％, 5％,0%に調整した気体を封入

3日毎に入替

大気開放

ガスバッグ
400mL

通気性スポンジチューブチューブ継手

全明条件
液面で206µmol/m2/d

気相容量大気相108mL

培養液P濃度培地
培地
50 mg/L
実験
実験日
100mL
100mL
培地の光透過率 植種液 日数：数：量
植種液
6日
3日
20mL
量28％（684nm）
20mL
培養温度
振とう
静置
23℃
CO2供給量 [mmol-CO2/m2-Culture/d]＝封入CO2濃度×封入気相量 / 培養面積 / 日数

培地
100mL
量
植種液
20mL

7

消化液を用いた土着微細藻類の培養（CO2ガス気液平衡によるpH制御と炭酸供給）
専用培地を用いた土着微細藻類培
養既往研究1)の最大値：0.086g/L/d
0.074g/L/d

160

0.08

120
800.0640011 0

培養後pH [-]

10.5

IC増大
200400

pH抑制0.04
大気開放系平均10%
5%0%
10%（気相容量大）5%（気相容量大）

0.02

109.5

098.5

藻類増殖速度向上

藻類増殖速度 [g/L-Culture/d]

培養後IC [mg/L]

200

0200400
CO2供給量 [mmol-CO2/m2-Culture/d]

0200400
CO2供給量 [mmol-CO2/m2-Culture/d]1)出村幹英ら：Biomass productivity of native algal communities in Minamisoma city,
Fukushima Prefecture, Japan, Algal Research Vol 29, pp22-35, 20188消化液中の光の阻害要因の解明

9消化液中の光の阻害要因の解明
サンプルの透過率（％）

原液
1μmろ液
0.45μmろ液

活性炭添加なし

活性炭添加あり

0%

0%

0%

粒
子
除去40%

0%

80%

粒
子
除去＋吸着液内
粒径
大1.00㎛0.45㎛

小0.45μm以上の粒子除去
及び0.45μm未満の着色物質の除去により、光の透過阻害は改善
10
ただし、懸濁粒子のほうが支配的消化液中の栄養塩膜分離挙動
目的：
MF膜を通過する色成分の挙動の把握
浸透圧差による水分移動の栄養塩分離への影響の把握

フランジ
消化液槽

培養液槽

H

実験条件
液量：どちらも600mL
ポンプ流量：400mL/min
期間：7日間採水：毎回5.0mL

Φ40 測定項目
栄養塩ポンプポンプ
同一槽内を循環させ、濃度を均一化

・液面高さ（水頭差）→液量の算出・イオン濃度・光の透過率

有効波長：藻類培養に有効とされる赤色光域の684nm
11色成分（着色物質）の挙動

透過率（％）

100

実験1回目
実験2回目

時間経過で低下→最低値68.78%

80
等倍希釈の時の光の透過率60

サンプルの写真）

34.9

4020020406080
100 120
経過時間（h）

140160180

土着微細藻類培養に最適とされた50倍希釈消化液培地の透過率1)消化液を用いた土着微細藻類の培養条件に関する基礎的研究、三宅琢、2017（34.9%）1)より良好→藻類培養に支障をきたすほど、透過率は低下しない12NH4+の挙動
1.61.4

消化液側

1.2

NH4+量(g)

1.0

実験1回目
実験2回目
実験1回目
実験2回目

0.80.60.4

培養液側0.20.00

20406080
100
経過時間(h)120140160180

消化液から培養液へのNH4+流入が確認された（他の種類の栄養塩（K+など）も同様の傾向）

13⇒移動速度・膜面積よりNH4+フラックスを算出

1415土着微細藻類培養（試算）
培養試験から得られたパラメータを用いて、ワンユニット（1m3)における膜分離による培養可能性を試算
CO ガス培養2排水 Qd

培養後の土着微細藻類濃度[mg/L]
平均増殖速度[g/m3/d]
増殖微細藻類当たりのNH4消費量[g/g]

培養液 Qc

生物回収フィルター

250
730.062

𝑟𝑟𝑥𝑥 𝑌𝑌𝑥𝑥𝑥𝑥 𝑉𝑉𝑐𝑐
𝑖𝑖𝑖𝑖
𝐶𝐶𝑠𝑠𝑠𝑠 = 𝐶𝐶𝑠𝑠𝑠𝑠 −
⋯ (5)
𝑄𝑄𝑑𝑑
𝑖𝑖𝑖𝑖
𝐶𝐶𝑠𝑠𝑠𝑠 = 𝐶𝐶𝑠𝑠𝑠𝑠−

𝑟𝑟𝑥𝑥 𝑌𝑌𝑥𝑥𝑥𝑥 𝑉𝑉𝑐𝑐 𝑟𝑟𝑥𝑥 𝑌𝑌𝑥𝑥𝑥𝑥 𝑉𝑉𝑐𝑐−
⋯ (6)𝑄𝑄𝑑𝑑𝑘𝑘𝑘𝑘𝑓𝑓

𝑟𝑟𝑥𝑥 𝑉𝑉𝑐𝑐
𝐶𝐶𝑥𝑥 =⋯ (7)𝑄𝑄𝑐𝑐

ここで、V：槽の容積、Cs：栄養塩濃度、Cx：微細藻類濃度、Q：槽への流水量、添え字
d：排水液槽、添え字c：培養槽、rx：微細藻類の増殖速度、Yxs：微細藻類当りの栄養塩消費量、F：栄養塩分離フラックス、Af：フィルター面積、k：膜の移動速度係数

16土着微細藻類培養（試算結果）
乳牛100頭規模の消化液*の1%
初期濃度 2,500 g/mg/m3

流量0.055 m3/d

NH4濃度

2,400 g/m3

CO2ガス気液平衡供給排水 Qd

培養液 Qc生物
回収ユニット当たりフィル
ター面積0.03 m2/m3

フィルター
栄養塩濃度

0.29 m3/d( < 1m3）

排水側

栄養塩移動
培養側

387 g/m3

1ユニットの回収量21g/m3/d*以下の値を用いて推計
糞尿発生量：58.9 kg/day/頭、消化液発生率：１kg-消化液/kg-糞尿、消化液の含水率：93.24 %、消化液の単位体積重量 1,000 kg/m3

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本技術の適用（想定）1. 排水中の栄養塩を利用したパッシブ栄養塩供給による微細藻類の生産
2. 排水中の窒素除去（微細藻類の生産よりも濃度低減を最適化）
3. メタン発酵槽からのアンモニア性窒素の除去（発酵の安定運転）

18実用化に向けた課題
1. 着色物質（0.45μm未満を通過する色成分）の微細藻類培養への影響
2. フィルターへの微細藻類付着による挙動への影響
3. 運転の最適化（微細藻類の増殖速度・培養槽の深さ）

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産学連携の経緯
2015～2018年
北海道大学大学院寄附分野 循環・エネルギー技術システム分野
2019～現在 同 バイオマスコミュニティプランニング
分野
にて寄附会社とともに実施
特に、土着微細藻類培養に関して、いであ（株）の助力のもと実施
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称• 出願番号• 出願人• 発明者：藻類の培養方法および藻類培養システム：特願2020-153276：北海道大学：佐藤 昌宏、中島 拓海、
石井 一英、落合 知

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本技術に関する問い合わせ先北海道大学 大学院工学研究院
循環共生システム研究室 佐藤 昌宏
又は 石井 一英ＴＥＬ 011-706-7284
ＦＡＸ 011-706-7287
satomasahiro＠eng.hokuudai.ac.jp
e-mail又は k-ishii@eng.hokudai.ac.jp22