藻類のミルキング培養法による省エネ型バイオ燃料生産プロセスの開発

SCFTRCRCSCFTOHOKU University

東北大学大学院環境科学研究科 准教授 大田昌樹**otam@tohoku.ac.jp,■ Introduction
 緑藻：Botryococcus braunii (B. braunii) BOT-22

 ミルキング（湿式抽出＋藻体循環利用）プロセス[7, 8]
せん断応力

特徴
• 高いオイル含有率[1]• 重油相当の炭化水素（C34H58）を産生[2]n-heptane

Fig. Colony of B. braunii [3]課題• 抽出溶媒との接触効率が悪い• 他の微細藻類と比較して増殖速度が低い（右表）

コロニー解砕培養

B. braunii
Dunaliella sp.
Aurantiochytrium sp.

オイル生産性の向上が必須

乾燥工程の省略と培養期間の短縮を実現

Biomass production [1, 4-6]
[g/dm3/day]

オイル精製

湿式抽出

藻体循環利用Table

Oil

本研究の目的• 連続式コロニー解砕および湿式抽出プロセスの検討• ミルキング培養法の至適条件に関する検討

0.13
0.75
1.63

■ Experimental(A) コロニー解砕(A)(B), (C)Pebaa : 培養液b : 処理後培養液
c : n-heptane
d : 抽出後培養液
e : キャピラリーチューブc 連続式湿式抽出(B) ミルキング培養(C)B. braunii BOT-22 培養液

B. braunii BOT-22 培養液

B. braunii BOT-22 培養液

コロニー解砕（キャピラリーチューブ）
I.D 175 ~ 400 μm, L = 2, 3 cm
U = 5 ~ 120 cm3/min, 20 °C(0.150 ~ 16.5 MPaG)

コロニー解砕（キャピラリーチューブ）
I.D 175 μm, L = 3 cm
U = 120 cm3/min, 20 °C(16.5 MPaG)

コロニー解砕（キャピラリーチューブ）
I.D 175 μm, L = 3 cm
U = 50 cm3/min, 20 °C(3.66 MPaG)

湿式抽出（回分）
粒径分布測定20 min, 300 rpm, 20 °C
0.5 ~ 200 μm
培養液:n-heptane = 1:5 [v/v]

湿式抽出（連続式）
20 °C，60 cm3/min (Total Flow rate)
培養液:n-heptane = 1:5～5:1 [v/v]

湿式抽出（連続式）
20 °C，15 cm3/min (Total Flow rate)
培養液:n-heptane = 1:2 [v/v]

5 days

※
再培養dFig. 装置図《オイル分析（GC-FID）》
Extract [ g/g-dry algae ]Oil Yield [%] =×100
Content [ g/g-dry algae ]※ 培養液：培地 = 3:1 [v/v]Air: CO2 = 100 :1 (cm3/min, SATP)
100 μmol-photon m-2･s-1, 100 rpm, 20 °C

コロニー解砕・連続湿式抽出により各々の効果を確認後，ミルキング培養法による再培養の可否を検討■ Results and Discussion
 コロニー解砕(A)1001.080

0.80.6400.4

200.20

未処理
002,000 4,000 6,000 8,000 10,000

800

40400
200
1.02.0

3.0

4.00233380

ARD [%]

600 2
1040103

104

20Overall18.5< 20 %

16.8> 20 %

20.2

ARD [%] = (100 N )∑ (Yield calc, i − Yield exp, i ) Yield exp, iN0102

2,000 4,000 6,000 8,000 10,000103

i =1

104

Reynolds number, Re [-] 高Reでオイル収率が飽和する挙動
Fig. オイル回収率相関結果（Eq. (1)）αlim Oil yield = = 81.8 %ρDuαRe →∞
βOil yield [%] =Re =(1)

Fig. レイノルズ数Reとオイル回収率の関係(キャピラリーチューブ内径 = 175～400 μm)

Oil concentration[ppm-(g/oil/g-heptane)]

Oil yields [%]

1000

6000

未処理

175
175
220400

Table ARDs for correlation by Eq.(1)20

β + exp(− γ Re )α = 2.20

β = 2.69 ×10 −2η

γ = 1.12 ×10 −3オイル抽出挙動予測の可能性

 ミルキング培養(C)600400 連続式湿式抽出(B)2060

コロニーの解砕によるオイル抽出を確認

Re大 ： 粒径小・収率大80

内径 長さ[μm] [cm]Reynolds number, Re [-]Fig. レイノルズ数Reとオイル回収率，コロニー径比の関係(キャピラリーチューブ内径 = 175 μm)

フラッフ層形成[9]とオイル内包

80

20Reynolds number, Re [-]

100

100

05.0

Flow rate ratio (cell broth / n-heptane) [v/v]Fig. 培養液・n-heptane流量比とオイル回収率，オイル濃度の関係（総流量60 cm3/min）・ Control （ ）通常の継代培養・ No treatment （ ）コロニー解砕なし
抽出は各サイクル・ Milking 1 （ ）コロニー解砕1回
抽出は各サイクル・ Milking 2 （ ）コロニー解砕2回
抽出は各サイクル

 抽出のみ（No treatment）：問題なく増殖・ 細胞増殖への影響は小さい

1.0

Cell concentration[g-dry algae/dm3]

60

100

Oil yields (exp) [%]1.2

Oil yields [%]Oil yields [%]120

Diameter ratio (d/d0) [-] 全Re領域に関して良好に相関可能

0.8

 抽出＋解砕（Milking 1）
・ 初期細胞濃度の低下を確認
・ オイル収率：8.1 %(day5)→18 %(day10)
 増殖はできるが，細胞の一部が破壊

0.6
0.40.2
1st cycle
00123

2nd cycle
456789 10

Cultivation days [day]Fig. ミルキングにおける細胞濃度の時間依存性

ミルキング条件（体積流量比） 1:2

ミルキングにより，おおむね良好に再培養可能
今後の検討課題
ミルキング条件（特に培養期間）の最適化■ Conclusion■ Acknowledgment

 コロニー解砕・連続式湿式抽出プロセスの有用性を確認
 スケールアップを目的とするオイル収率推算式の構築を達成
 ミルキングによる再培養が可能であることを確認

本研究は，公益財団法人発酵研究所および東北復興次世代エネルギー研究開発プロジェクト（NET: Next-generation Energies for Tohoku Recovery) の助成を受けて行われました．
本研究の遂行にあたり，筑波大学 渡邉信先生，鈴木石根先生，田辺雄彦先生，吉田昌樹先生
をはじめとする諸先生方には，培養液・培地提供および培養方法等に関しまして，多くのご協力をいただきました．心より御礼申し上げます．

（今後の展望） ミルキング条件の最適化に向けた条件探索

Nomenclature: α, β, γ:fitting parameters [-], Re:Reynolds number [-], p:gauge pressure [Pa], ρ:density of cell broth [kg/m3], u:velocity of cell broth [m/s], D:diameter of capillary tubes [m], η:viscosity of cell broth [Pa s], N:number of experimental datas [-],
References: [1]Y. Chisti, Biotecnol. Adv., 25, 294 (2007), [2]A. Ishimatsu et al., Procedia Environmental Sciences, 15, 56 (2012), [3]National Institute for Environmental Studies, Algae Resource Database, [4]M. J. Griffiths et al., J. Appl. Phycol., 21, 493 (2009),[5]P. Spolaore et al., J. Biosci. Bioeng., 101, 87 (2006), [6]K. G. Satyanarayana et al., Int. J. Energy. Res., 35, 291 (2011), [7]N. R. Moheimani et al., J. Appl. Phycol., 26, 1453 (2014), [8]J. Frenz et al., Biotechnol. Bioeng., 34, 755 (1989),[9]S. Atobe et al., Algal Research, 10, 172 (2015)