微細藻類：二酸化炭素を食べてバイオオイルを吐き出す

科技日報記者のヨン・リーとインターンのシャン・チアンラン

過剰な二酸化炭素排出は地球温暖化の主な原因の一つです。二酸化炭素を減らすにはどうすればいいでしょうか？例えば、「食べられる」のでしょうか？小さな微細藻類がこんなにも「食欲旺盛」だなんて驚きです。二酸化炭素を「食べる」だけでなく、「炭素」を「石油」に変えることもできます。

重慶大学エネルギー・電力工学学院、教育部低級エネルギー利用技術・システム重点研究室の黄雲准教授は、二酸化炭素の有効利用をいかに実現するかが世界中の科学者にとって重要な関心事となっており、微細藻類という古代の小さな生物は「炭素」を「石油」に変える能力により、炭素を固定し排出量を削減する上で我々にとって良い助けとなっていると指摘した。

微細藻類は「炭素」を「石油」に変えることができる

微細藻類は「炭素」を「油」に変えることができますが、これは微細藻類に含まれる成分に関係しています。 「微細藻類に豊富に含まれるエステルや糖は、液体燃料を調製するための優れた原料です。」重慶大学エネルギー・電力工学学院長で、教育部低級エネルギー利用技術・システム重点実験室長の廖強氏は、微細藻類は太陽エネルギーを利用して二酸化炭素を高エネルギー密度のトリグリセリドに合成することができ、この油分子はバイオディーゼルを製造できるだけでなく、EPAやDHAなど栄養価の高い不飽和脂肪酸を抽出するための重要な原料でもあると紹介した。

「微細藻類の光合成効率は地球上のあらゆる生物の中で最も高く、陸上植物の10～50倍です。」廖強氏は、地球上の微細藻類は毎年、光合成を通じて約900億トンの炭素と13兆8000億キロジュールのエネルギーを固定していると推定されると述べた。採掘可能なエネルギーは世界の年間エネルギー消費量の約4～5倍に相当し、その資源量は膨大です。

我が国は毎年約110億トンの二酸化炭素を排出しており、その半分以上が石炭燃焼排ガスからの二酸化炭素であると理解されています。石炭火力産業における光合成炭素固定に微細藻類を使用すると、二酸化炭素排出量を大幅に削減できます。従来の石炭火力発電所の排ガス排出削減技術と比較して、微細藻類の炭素固定および排出削減技術は、プロセス設備がシンプルで、操作が簡単で、環境に優しいなどの利点があります。さらに、微細藻類は、個体数が多く、栽培が容易で、海洋、湖沼、塩性アルカリ性土壌、沼地などの場所でも生育できるなどの利点があります。

廖強氏は、微細藻類は二酸化炭素排出量を削減し、クリーンエネルギーを生産する能力があるため、国内外で広く注目を集めていると述べた。

しかし、自然界で自由に生育する微細藻類を、工業生産ラインにおける炭素固定の「いい従業員」にすることは容易ではありません。藻類を人工的に栽培するには？どの微細藻類が炭素固定に優れているでしょうか?微細藻類の炭素固定効率を向上させるにはどうすればよいでしょうか?これらは科学者が解決しなければならない難しい問題です。

炭素隔離を「赤字事業」にしない

昨年12月、深セン・汕頭特別協力区にある中国資源集団海豊発電所で、石炭火力発電所の排ガスから二酸化炭素を削減・変換する中国初となる柱型微細藻類光合成反応器が完成した。このプロジェクトは、石炭火力発電所の排ガスからの二酸化炭素排出量を微細藻類で削減するという最先端のコア技術を習得し、従来の滑走路プールの占有面積の大きさや二酸化炭素利用効率の低さなどの技術的ボトルネックを打破し、大規模で効率的かつ低コストの微細藻類炭素固定プロセスルートを実現しました。従来の滑走路プール微細藻類リアクターと比較して、カラム型微細藻類光合成リアクターは、1ムーあたりの微細藻類収量と二酸化炭素固定量が5倍に増加したと計算されています。カラム型リアクターはコンパクトな構造と優れた照明条件を備えており、微細藻類炭素固定装置の設置面積を大幅に削減します。

「このプロジェクトは、我が国における排ガス二酸化炭素排出削減の大規模な工業化に向けた、経済的に実現可能な技術的ルートを提供します。」国家重点研究開発計画「石炭のクリーンかつ効率的な利用と新省エネ技術」の「二酸化炭素排ガス微細藻類排出削減技術」プロジェクトの責任者として、重慶大学エネルギー・電力工学学院の程軍教授が計算を行った。石炭化学工場の排ガスから99%の二酸化炭素を回収して液化するコストは100元/トン未満であり、石炭火力発電所の排ガスから15%の二酸化炭素を精製、回収して圧縮するコストは約250元/トンです。活用できない場合は封印するのに費用がかかります。企業にとって、これは赤字の「取引」ですが、微細藻類による炭素固定は炭素利用を実現し、経済的価値を生み出すことができます。現在、市場では、食品用藻類粉末1トンが4万元で販売されており、飼料用藻類粉末の価格は1トンあたり1万～2万元です。当社の技術により、石炭化学企業の隣に微細藻類生産加工工場を建設すれば、二酸化炭素を多く含んだ微細藻類は貴重な藻類粉末となり、健康食品、化粧品、動物飼料などに活用することができます。

内モンゴル自治区オルドス市のオトグバナー工業団地には、国内最大規模の微細藻類二酸化炭素固定産業の実証プロジェクトが建設されており、排気ガスから精製された食品グレードの二酸化炭素（食品産業で使用される二酸化炭素製品を指す）を毎年1万トン固定することができる。炭素固定微細藻類の年間経済生産額は2億元以上に達する。エジンバナーのスピルリナは国家地理的表示農産物として申請されています。現在、この微細藻類の炭素固定の成果は山東省、江蘇省、広西チワン族自治区、海南省などで産業化され、推進されています。

微細藻類油の生産には、依然として技術研究の加速が必要

「微細藻類の炭素固定は産業化されているが、微細藻類が油を生産するにはまだ長い道のりがある。」廖強氏によると、微細藻類を利用してバイオ燃料を生産する主な方法には、直接エステル交換、微生物発酵、熱分解、ガス化、水熱液化などがある。熱分解やガス化などの方法を使用する場合、藻類を完全に乾燥させる必要があり、多くのエネルギーを消費する。湿潤藻類を直接原料とするエステル交換法では、多量の水が存在するため、油を抽出するために大量のメタノール、エタノールなどの有機溶剤を添加する必要があり、環境への二次汚染を引き起こしやすい。その後の分離と油の品質向上も必要です。技術やシステムが複雑で、コストが高く、安全性も低く、産業化が難しい。

しかし、我が国の微細藻類バイオマスエネルギーに関する研究は決して止まりませんでした。現在、我が国は微細藻類バイオマスエネルギーの基礎研究において強力な研究開発能力を有しており、微細藻類の高密度培養、脱水・濃縮からエネルギー変換技術に至るまで、多くの革新的な研究を行ってきました。

重慶大学エネルギー・電力工学学院の教育部低級エネルギー利用技術・システム重点実験室に建設された微細藻類光合成炭素固定およびマルチエネルギー補完バイオ燃料生産実験プラットフォームでは、微細藻類が光合成を通じて排ガス中の二酸化炭素や廃水中の窒素やリンをバイオマスに変換することができる。研究者らは微細藻類の細胞を破壊し、細胞内の油や糖などの有機成分を抽出した。これはバイオオイルやバイオガスなどのクリーン燃料の生産にさらに利用できる。

微細藻類産業には独自の利点がいくつかあります。大きな藻類は海で育てなければなりませんが、微細藻類はどこでも育てることができます。ガラスのタンクや反応器に海水を入れるだけです。太陽光、二酸化炭素、窒素、リン、カリウムがあれば、植物は成長し続けることができます。成熟した微細藻類を遠心分離機で除去した後、水をリサイクルすることができます。砂漠には太陽の光がたっぷりと降り注ぎ、とても良い状態です。

「我が国の海域の5％、あるいは我が国の砂漠、半砂漠、塩性アルカリ性土壌のすべてを微細藻類の栽培に利用できれば、理論的には我が国の石炭燃焼によって排出される70億トン以上の二酸化炭素を固定し、38億トンのバイオマスを生産できる。」廖強氏は、微細藻類は非常に有望なバイオエネルギー源だが、規模とコストが微細藻類油生産の産業化を制限する2つの大きな問題であると述べた。微細藻類を真のバイオエネルギー源にするためには、一方では、バイオ燃料生産の主要技術の飛躍的進歩を達成するための研究開発への投資を増やすことが必要である。一方、微細藻類エネルギーとその資源利用技術の開発は長期的な取り組みとして捉える必要があります。最先端の基礎研究を重視し、重要な技術的ボトルネックの打開に注力する必要があります。微細藻類に含まれるDHA、EPA、ルテインなどの高付加価値成分を有効活用すること、つまり、まず高付加価値成分を抽出し、健康食品、化粧品、飼料などの製造に活用し、その後エネルギーとして活用して製品価値を高めることが必要です。