フォトバイオリアクター

フォトバイオリアクター（英語：Photobioreactor）は、光合成生物を培養するするバイオリアクターである。

培養する生物は、植物、コケ、大型藻類、微細藻類、シアノバクテリア、紅色細菌などが挙げられる。フォトバイオリアクター内で培養される生物は、光合成によって、光と二酸化炭素からバイオマスを生成する。フォトバイオリアクターの人工培養環境内では培養環境が制御されているため、自然界に比べて培養速度が速く、高濃度の培養が可能となる。培養の際の栄養塩は排水を、二酸化炭素は煙道ガスから供給することもある。

培養中の藻類がリアクターの反応器の表面に膜状に成長したものをバイオフィルムと呼ぶ。バイオフィルムが形成されると、フォトバイオリアクターの方式によっては、反応器内に光が供給されにくくなり光合成量を抑制してしまう。超音波振動などでバイオフィルムを破壊し反応器の表面から取り除く技術なども開発されている。

オープンポンド方式 
自然のオープンポンドや、人工のレースウェイ池がある。池内の必要な栄養や二酸化炭素を含む培養懸濁液の水面は太陽光で直接照らされ、周期的にポンプで循環する。最もシンプルな培養方法ではあるが、面積生産率は低い。また培養懸濁液中の生物の濃度も低いため、回収にかかるエネルギーは比較的大きい。また開放系であるため蒸発による水の損失も大きい。

レースウェイ型
流れるプールのような形状の池で循環をさせる。傾斜はなく、流れを作るための水車を併設している。大きな気候の変化や嵐のない地域に向く、低コストな方式。10-100haの広いエリアに使用可能。

日本国内では、デンソーが熊本県に微細藻類のシュードコリシスティスの培養の実証実験で用いている。

カスケードレースウェイ型
循環する池で培養を行うが、反対の傾斜をもつ２対のレーンで構成される。傾斜を流れていった培養液はタンクに流入し、ポンプで反対側の傾斜路に戻される。傾斜がついているためレーンは浅くても流れるため、水や栄養塩の必要量を少なくすることが可能。

閉鎖系 
閉鎖系は、理論的には光合成生物の密度が高く、回収のためにかかるエネルギーはオープンポンドに比べると少ない。さらに、閉鎖構造であるため、水の損失や、水鳥の糞や埃など外部からのコンタミネーションを防ぐことができる。

近年のフォトバイオリアクターは、培養懸濁液の薄層化、光の最適化、ポンピングエネルギー消費の低減、設備投資金額、および微生物の純度の間でバランスをとろうとしている。

装置が大規模になると、光の減衰およびCO2需要の増加が生産性を大幅に制限することとなる。多くの試験は行われているが、産業規模での培養装置の事例はごく僅かにとどまっている。

管状フォトバイオリアクター 

培養を、ガラスやプラスチックのチューブで行う方式。生産規模で成功を収めている。チューブは、水平方向または垂直方向に設置されており、ポンプ、センサー、ヒーター、栄養素およびCO 2を、制御装置から供給する。本方式は、培養懸濁液中のバイオマス濃度が高いため、回収エネルギーが少なくて済む。

緑藻ヘマトコッカスプルビアリスを培養し、カロテノイドアスタキサンチンの生産する場合や、緑藻クロレラブルガリスからの栄養補助食品を生産する際に、この方式で商業生産がされている。

食品サプリメントや化粧品などの高価値市場でのみ採算が達成されている。

実験室においても、従来のガラス容器と細いチューブコイルの組み合わせによりも、適切なバイオマス生産率が可能になる。また、環境条件にあわせて複雑な制御を行うこともできる。

日本国内の事例 
 三菱化工機が神奈川県内に汽水性微細藻類と下水を用いた実験設備を設置している。
 オーピーバイオファクトリーがハプト藻の１種であるPavlovaの商用培養に成功し、健康食品として販売をしている。

クリスマスツリーフォトバイオリアクター 

クリスマスツリーリアクターは、螺旋状に取り付けられた半透明のダブルホース構造を持っている。その形状は、クリスマスツリーに似ているため、クリスマスツリーリアクターと呼ばれる。

乱流と閉鎖系システムの組み合わせにより、クリーンな操作と高い操作の可用性が実現されている。

プレートフォトバイオリアクター 

プレートフォトバイオリアクター（またはフラットパネルフォトバイオリアクター）は、管状フォトバイオリアクターに比べて単純な構造であり、ガラスの他、安価なLDPEなどのプラスチック材料の使用も可能となる。

ただし、装置寿命やバイオフィルムの形成など未解決の問題ものこされている。まだこの方式では産業規模での採用には課題が残っている 。

2013年4月、ドイツのハンブルクにあるIBAでは、ガラス板のフォトバイオリアクターファサードが統合された建物の稼働を開始している。

水平フォトバイオリアクター 

水平型フォトバイオリアクターは、ジグザグの板状の形状をしている。これにより表面積が大きくなり、入射光が取り入れやすくなる。培養液の撹拌はロータリーポンプによって行われ、培養液が円筒状に回転する。撹拌するエネルギが小さくて済むメリットが有る。

薄膜型フォトバイオリアクター 
安価なPVCまたはPE膜で藻類の懸濁液を包んだ、光にさらす容器を形成する。薄膜は交換が必要であるため、ランニングコストは高い。

多孔質基質バイオリアクター 
多孔質基質バイオリアクター（PSBR）は、ツインレイヤーシステムとも呼ばれ、微細藻類がバイオフィルムに閉じ込められている多孔質リアクター表面によって、藻類を栄養溶液から分離する新しい原理を使用している。ケルン大学で開発されている 。この新しい培養法は、懸濁液で藻類を培養する現在の技術と比較して、操作に必要な懸濁液の量を最大100分の1に削減することができ、必要なエネルギーを大幅に削減する。

脚注

参考文献

外部リンク 
 Bioreactors

生化学
再生可能エネルギー
養殖
藻類