JPH0787986A - 微細藻からのエタノールの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 微細藻が蓄積するデンプンを原料とし、燃料
や化学工業原料等として有用なエタノールを製造する方
法に関する。 【構成】 細胞内にデンプンを蓄積する微細藻を培養
し、培養した藻体を含む培養液を濃縮して得られるスラ
リーを、ｐＨを６．０〜９．０の範囲に保ちながら暗黒
かつ嫌気性雰囲気に保持してエタノールを生成させ、生
成したエタノールを分離するエタノールの製造方法にお
いて、エタノール含有液を分離した後の微細藻体を培養
装置に戻し、光合成によりデンプンを再蓄積させた後、
エタノール生成工程に供給することを特徴とする微細藻
からのエタノールの製造方法。 【効果】 高濃度の有機性成分を含む廃液の排出量を減
少させ、廃液処理の負担を大幅に削減することができ、
また、微細藻を種株として再利用することにより、培養
槽中での他種生物による汚染の防止が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微細藻が蓄積するデン
プンを原料とし、燃料や化学工業原料等として有用なエ
タノールを製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来エタノールは、石炭、石油などの化
石資源を原料とし、エチレンを経由して化学合成する方
法、あるいはサトウキビの糖やトウモロコシのデンプン
などのバイオマス資源を原料として、カビ、酵母などの
微生物による発酵方法などにより製造されている。バイ
オマス原料の中でクロレラ、ドナリエラ、クラミドモナ
ス、セネデスムス、スピルリーナなどで代表される微細
な光合成生物である微細藻の中にはアルコールの原料と
なるデンプンやグリコーゲンを多量に（乾重量の５０％
以上）含有するものが知られており、これらの微細藻デ
ンプンを原料としてエタノールを製造する方法がある。

【０００３】これらの微細藻デンプンを原料とするエタ
ノールの製造は従来次のような方法により行われてい
る。 （１）微細藻を、光独立栄養的に明所で光合成により炭
酸同化させ増殖させるかあるいは従属栄養的に糖や有機
酸などの有機物を与えて暗所で増殖させるなどの方法に
より培養して増殖させる。 （２）増殖した微細藻は主として細胞内にデンプンを貯
蔵しているため、機械的な手段（超音波破砕、爆砕な
ど）あるいは細胞壁を溶解させる酵素等を用いてデンプ
ンを細胞より露出させ、水や有機溶剤を用いて抽出分離
する。 （３）抽出分離したデンプンは次に、酵素糖化方法など
によりブドウ糖に分解し、更にブドウ糖にアルコール酵
母を加えて発酵させ、エタノールに変換させる。

【０００４】前記の従来方法においては次のような問題
点があった。 （１）細胞内のデンプンを一旦抽出分離する必要がある
が、微細藻の細胞壁は強固なものが多く、機械的な破砕
に多くの動力を消費したり、高価な細胞壁溶解酵素を必
要とする。また、デンプン抽出の過程では多量の有機溶
剤や遠心分離の動力が必要である。 （２）抽出分離したデンプンは生の状態であるため、糖
化酵素等によりブドウ糖までに分解する前に加熱処理
（糊化、あるいはαデンプン化と称する）を行う工程を
要することから、この加熱エネルギが大きく（通常この
加熱エネルギはエタノール製造工程全体でのエネルギの
２〜３割を占めるとされている）、また高価な糖化酵素
を必要とするなどの問題がある。

【０００５】本発明者らは、微細藻細胞からのデンプン
の抽出分離及び生デンプンの加熱に要する多量のエネル
ギーコストを削減する手段について種々検討し、デンプ
ンを蓄積する微細藻を培養し、培養した藻体を含む培養
液を濃縮して得られるスラリーを、ｐＨを中性乃至弱ア
ルカリ性領域に保ちながら暗黒かつ嫌気的な雰囲気に保
持してエタノールを生成させる方法により、デンプンを
蓄積する微細藻を原料としてエタノールを製造できるこ
とを見出し、別途出願した。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記の微細藻特有の細
胞内デンプン−アルコール化反応を利用したエタノール
の製造方法は、デンプンを蓄積する微細藻を原料として
多量のエネルギや糖化酵素などの薬剤を必要とせず、簡
単なプロセスにより効率よくエタノールを製造すること
ができる優れた方法であるが、生成したエタノールを分
離した後の微細藻含有スラリーにはデンプン以外の細胞
成分が多量に含まれており、大規模な廃液処理装置が必
要となっていた。本発明の目的は、このような問題点を
解決し、高濃度の有機性成分を含む廃液の排出量が少な
く、廃液処理の負担が少ない微細藻からのエタノールの
製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、デンプン
含有微細藻からのエタノール製造方法を検討する中にお
いて、デンプン含有微細藻の濃縮スラリーを暗黒かつ嫌
気性雰囲気下に保持してエタノールへの転換反応を行わ
せ、生成したエタノールを分離した後の微細藻含有スラ
リー中の微細藻は、デンプンの含有量は少なくなってい
るものの、再度培養装置内で光合成を行わせるこにより
再増殖しデンプンが蓄積され、エタノール製造の原料と
して再使用が可能であり、多量の廃液を副生することな
くアルコールが製造できることを見出した。

【０００８】すなわち本発明は細胞内にデンプンを蓄積
する微細藻を培養し、培養した藻体を含む培養液を濃縮
して得られるスラリーを、ｐＨを６．０〜９．０の範囲
に保ちながら暗黒かつ嫌気性雰囲気に保持してエタノー
ルを生成させ、生成したエタノールを分離するエタノー
ルの製造方法において、エタノール含有液を分離した後
の微細藻体を培養装置に戻し、光合成によりデンプンを
再蓄積させた後、エタノール生成工程に供給することを
特徴とする微細藻からのエタノールの製造方法である。

【０００９】本発明の方法によるエタノール製造プロセ
スの１例を図１に示す。微細藻培養手段１は、光独立栄
養の場合、水深１０〜３０ｃｍ程の流水路型の培養槽で
上面が開放され、窒素、リンなどの無機栄養を与えなが
ら太陽光を受光して培養する方式を用いることができ
る。従属栄養培養の場合、光の照射は不要であり、従来
からの一般的微生物発酵槽を用いて、槽内、及び有機栄
養培地を１２０℃１５分間程度滅菌した上で培養するこ
とができる。

【００１０】微細藻濃縮手段２については沈殿性の高い
微細藻においては一旦自然沈殿により固形分１％前後に
濃縮した後、遠心分離、ベルトフィルタなどにより更に
固形分１０〜２０％に濃縮できる。本プロセスにおいて
は、流動性を有する範囲で可能な限り高固形分（１０〜
２０％）に濃縮するとスラリーとしての取扱いや後段で
の緩速攪拌が可能でかつエタノール濃度が高くでき、後
段のエタノール濃縮が有利になる。

【００１１】暗黒かつ嫌気性雰囲気での保持手段３はス
ラリーポンプあるいは攪拌機などの緩速攪拌手段を備え
たｐＨモニター付密閉型容器からなる。ここではエタノ
ール生成反応に伴い多量の炭酸ガスが生成するため、気
相部の炭酸ガスを移送して、光独立栄養の微細藻培養手
段１に導入し栄養として再利用することができる。この
ような暗黒かつ嫌気性雰囲気下でのエタノール生成反応
においては、反応の進行に伴い液のｐＨが徐々に低下
し、エタノールの生成反応の進行が遅くなるので反応中
の液のｐＨは６．０〜９．０、好ましくは６．５〜８．
０の範囲に保持するのが望ましい。

【００１２】ｐＨ調整手段４は、ＮａＯＨなどのアルカ
リ溶液とＨＣｌなどの酸溶液の供給手段を備え、暗黒か
つ嫌気性雰囲気での保持手段３のｐＨモニターに連動し
て作用し、連続的に槽内のｐＨを調整することができ
る。また、固液分離手段５は、暗黒かつ嫌気性雰囲気で
の処理により体積が減少した藻体とエタノールとを遠心
分離や膜分離によって分離するものである。なお、この
工程では、必要に応じて加水、洗浄し細胞に残存するエ
タノールを最小限にすることが可能である。

【００１３】固液分離手段５においてケーキ状又はスラ
リー状でエタノール含有液から分離されたエタノール生
成後の微細藻体は、ベルトコンベヤーなどの運搬手段を
備えた微細藻体返送手段６により微細藻培養手段１へ返
送する。この分離されたエタノール生成後の微細藻体
は、培養槽中で培養することにより再増殖し、デンプン
の蓄積が行われる。このようにすることにより、廃棄物
の再利用が図られ有機性廃棄物の量を大幅に減少させる
ことができ、全体として生産性のよいプロセスとなる。

【００１４】エタノール濃縮手段７は、エタノール生成
後の微細藻体を分離したエタノール含有液からエタノー
ルを濃縮分離するものであり、蒸留の他、エタノールま
たは水分離膜による濃縮方法あるいは、プロパンなどの
溶媒を用いた超臨界抽出方法などにより、最高は無水エ
タノールまで適宜の濃度に濃縮することができる。

【００１５】

【実施例】以下実施例により本発明の方法をさらに具体
的に説明する。 （実施例１） 緑藻クラミドモナスからのアルコール生
産 クラミドモナス・ラインハルディ（Chlamydomonas rein
hardtii ）ＵＴＥＸ２２４７を、表１に示す組成のＡ乃
至Ｅの培地をＡ：１ミリリットル、Ｂ：１０ミリリット
ル、Ｃ：１０マイクロリットル、Ｄ：１００ミリリット
ル、Ｅ：６ミリリットルの割合で混合し水を加えて全量
１リットルとし、ＮａＯＨでｐＨを８．０に調整した培
養液を用いて培養した。この培養液５０リットルと、前
記クラミドモナスの培養種（乾燥藻体として１．０ｇ相
当量）を偏平透明容器に入れ、白色蛍光灯で約１５００
０ルックス（ｌｕｘ）の連続照射を行い、空気（５％Ｃ
Ｏ₂ 添加）を通気しながら２５℃で４日間培養し、５０
リットル中に３８ｇ（乾燥藻体として）の藻体を含む培
養液を得た。

【００１６】

【表１】

【００１７】次にこの液を遠心沈殿法により濃縮し、３
００ミリリットルの液中にクラミドモナスＵＴＥＸ２２
４７の藻体３８ｇを含む藻体スラリー液とし、これを５
００ミリリットルの三角フラスコに移し、窒素ガスを短
時間スラリー液に注入して容器内の酸素を除去した後、
密閉し暗黒条件下で振とう（６５往復／分）し、エタノ
ールの生成を行わせた。この間、０．１Ｎ−ＮａＯＨ及
び０．１Ｎ−ＨＣｌを添加してスラリー液のｐＨを６．
５〜８．０の範囲に保持した。一方、別途調製した藻体
スラリー液を使用し、暗黒かつ嫌気性雰囲気での振とう
の間にｐＨ調整を行わなかったほかは全く同一の条件で
エタノールの生成を行わせた。両者のエタノール生成工
程中におけるスラリー液中のエタノール濃度の経時変化
の状況を図２に示す。図２中、実線はスラリー液のｐＨ
を６．５〜８．０の範囲内に制御した場合、破線はｐＨ
の調整を行わない場合の結果を示す。これより、ｐＨを
調整しない場合は６００ｍｇ／リットル程度のエタノー
ル濃度にとどまるが、これは反応初期の段階から液中に
有機酸（本実施例のクラミドモナスＵＴＥＸ２２４７の
場合は主として乳酸）が生成し、ｐＨが５．５まで低下
し、これにより以後のエタノール生産が鈍化するためと
考えられる。

【００１８】一方、ｐＨ調整を行った場合はエタノール
濃度は７５００ｍｇ／リットルに達し、ｐＨ調整によっ
て著しくエタノールの生産を高められることがわかっ
た。また、エタノール生成後の微細藻を表１に示す培地
で培養した結果を図３に示すが濁度指標（ＯＤ₆₈₀ ）が
増加し、エタノール生成後の微細藻が再増殖することが
わかった、次に，この微細藻を再度暗黒かつ嫌気性雰囲
気下で保持した場合のエタノール生産結果を図４に示
す。図４は前記１回目のエタノール生産時と同様にｐＨ
を６．５〜８．０に制御した際の結果であるが、約７０
００ｍｇ／ｌのエタノールが得られ、エタノール生成後
の微細藻はエタノール製造用の原料として十分使用でき
ることがわかった。

【００１９】

【発明の効果】本発明の方法によれば、デンプンを蓄積
する微細藻を培養し、培養した藻体を含む培養液を濃縮
して得られるスラリーを、ｐＨを中性乃至弱アルカリ性
領域に保ちながら暗黒かつ嫌気的な雰囲気に保持してエ
タノールを生成させるエタノールの製造方法において、
高濃度の有機性成分を含む廃液の排出量を減少させ、廃
液処理の負担を大幅に削減することができる。また、微
細藻を種株として再利用することにより、培養槽中での
藻体の優占度が保たれ、微細藻培養で懸念される他種生
物による汚染の防止が可能となるなどの副次的効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアルコール製造方法の１実施態様を示
すプロセスフロー図。

【図２】本発明の実施例におけるスラリー液中のエタノ
ール濃度の経時変化を示すグラフ。

【図３】エタノール生成後の微細藻を再度培養した際の
培養液の濁度指標（ＯＤ₆₈₀ ）の変化を示すグラフ。

【図４】エタノール生成後の微細藻を再度培養して得ら
れた微細藻からのエタノール生成量の変化を示すグラ
フ。

フロントページの続き (72)発明者 平山 伸 神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１ 三菱重工業株式会社基盤技術研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 細胞内にデンプンを蓄積する微細藻を培
   養し、培養した藻体を含む培養液を濃縮して得られるス
   ラリーを、ｐＨを６．０〜９．０の範囲に保ちながら暗
   黒かつ嫌気性雰囲気に保持してエタノールを生成させ、
   生成したエタノールを分離するエタノールの製造方法に
   おいて、エタノール含有液を分離した後の微細藻体を培
   養装置に戻し、光合成によりデンプンを再蓄積させた
   後、エタノール生成工程に供給することを特徴とする微
   細藻からのエタノールの製造方法。