2008/11/04 エネルギー研究会藻類からのバイオ燃料生産 SCE・Net 山﨑博バイオ燃料生産に有望なバイオマス種として藻類に期待が寄せられている。この分野は、米国を中心に実用に向けて相当額のファンドが投入され急速に研究・実証プロジェクトが立ち上がっている。研究も国の研究機関と民間が組織的に連携しおこなわれており、多くの関連特許の網が張られつつある。一方、日本ではこの分野は部分的な研究が幾つかおこなわれているが、国としての方向も定まっておらず、このままではますます差が開いていくことが心配される。ここでは、秘密のベールに隠されている部分が多いが、藻からバイオ燃料を生産する研究開発の現状についての情報を整理し理解の助けにするために纏める。１．最近の開発状況 (1) 米国エネルギー省(U.S. Department of Energy)が、藻について研究を始めたのは米国がピークオイルを迎えた 1970 年代である。その中で、米国 NREL(National Renewable Energy Labs)は、1978 年から 1996 年にかけて藻から再生可能な輸送用燃料をうる研究 (Aquatic Species Program)を実施したが、3000 種の緑色藻と珪藻植物を採取し選考して燃料生産に適した藻 300 種を探す研究がおこなった。ニューメキシコ州のロスウェルにある 1000 ㎡の野外試験施設での実験では、オーバーオールで 10ｇ/㎡/day、ピークで 50ｇ/㎡/day という藻の成長データが得られている。実験データをもとに、藻から生産される油は、陸生の油の採れる植物と比べて面積当たりの採油量が 30 倍にもなることを見出した。NREL はケーススタディにより、20 万ヘクタールの不毛地帯において、藻からバイオジーゼル 75 億ガロンを生産できる可能性をしめした。ここ数年、NREL は藻の遺伝子操作に関する研究と商業化技術の研究に力を入れている。NREL を始めとする藻について研究成果は下記のサイトで検索により調べることができる。 http://www.osti.gov/bridge/advancedsearch.jsp (2) 米国のアルジェノール・バイオフーエル社(Algenol Biofuels, Inc.)は、メキシコのバイオフィールズ社から 8 億 5000 万ドル（約 850 億円）の投資を受け、メキシコのソノラン砂漠で塩水を使い年産 100 万ガロンのエタノールを生産する事業を計画しており、 2012 年までに生産を全体で 10 億ガロン、1 エーカー当たり 6000 ガロンに増大するとしている。アルジェノール・バイオフーエル社は、藻類の細胞からエタノールを取り出す技術を活用する。（NEDO 海外レポート No.1026、2008.7.23） (3) 石油メジャー-のシェブロン(Chevron Corp.)と NREL(National Renewable Energy Labs)は、藻類を原料とするジェット燃料の 5 年間の共同研究を 2006 年からスタートしている。すでに、バイオオイル・リフォーミングの共同研究に着手している。シェブロンの元 CTO の Don Paul は、施設として十分な商業規模のプラント建設には 30 億ド 1 2008/11/04 エネルギー研究会ル（約 3000 億円）と 10 年以上の期間を要するであろうと語っており、プロトタイププラント（日産１０００バレルの設備、これは８５００万バレル／日から見るとバケツの１滴だが）に、３億ドル（約３００億円）かかるであろうとしている。 (4) 米国のグリーンフーエル社(Green Fuel Corp.)は、藻類の培養設備を発電プラントに隣接して設置し、発電プラントの排ガスの CO２を吸収させながらバイオ燃料の原料となる藻を生産し、温室効果ガスの削減に繋げる一石二鳥のシステム開発を進めている。グリーンフーエル社は、米国アリゾナ州最大の電力会社アリゾナ・パブリック・サービス社と共同で、同州フェニックスの西にあるレッドホーク発電所では泡立つ緑色の藻の液体を入れたビニール袋を吊り下げ、実証実験おこなっている。グリーンフーエル社は、同様にマサチューセッツ工科大学(MIT)のコジェネ発電プラント(20MW)においても藻生産パイロットプラントを試運転中であり、発電プラントからの炭酸ガスの排出量を 82%、窒素酸化物の排出量を 85%も削減できるとしている。写真１．発電所が排出する CO2 で藻類を育てる実証実験 (5) 米国のソラジン社(Solazyme)は、2003 年に設立された会社であるが、すでに藻からのオイルを数千ガロン生産しており、それらは ASTM のバイオジーゼル規格 D6751 や欧州規格 EN14214 の満している。最近、同社の藻からのバイオジーゼルをそのまま用いて自動車(メルセデスベンツ C320 ジーゼル)のデモンストレーション・ロード走行テストがおこなわれた。ソラジン社は、楽観的かもしれないが、3 年以内にコスト競争力のある藻からのバイオジーゼル燃料の大量生産を開始したいとしている。 (6) 米国のオーロラ・バイオフューエルズ社(Aurora BioFuels Inc.)は、カリフォルニア大学バークレー校のタシオス・メリス教授が開発した開放池型システムによる藻類の培養技術を用い、総費用 2000 万ドル（約 20 億円）でバイオ燃料生産プロジュクトを立ち上げると発表した。このプロジュクトでは、バイオ燃料の生産コストを従来の生産手法に比べて半減できるとしている。（NEDO 海外レポート No.1026、2008.7.23） 2 2008/11/04 エネルギー研究会 (7) 米国のペトロサン社（PetroSun Inc.）は、2008 年 4 月に藻からバイオ燃料を生産する始めての商業プラントをテキサス州 RioHond に建設した。藻生産ファームは、1100 エーカーに及ぶ塩水池を連ね、毎年、440 万ガロンの藻油と１億１千万ポンドのバイオマスを生産する。その内、20 エーカーは再生可能な JP8jet-fuel の実験生産に使われる。 http://gas2.org/2008/03/29/first-algae-biodiesel-plant-goes-online-april-1-2008/ なお、ペトロサン社は、建設費 4 千万ドル（約 40 億円）を資金調達し、藻からバイオ燃料を生産する初の商用プラントのパイロットシステムを中国に建設することで、 Shanghai Jun Ya Yan Technology Development Co., Ltd.と調印(2008 年 9 月)した。合弁の PetroSunChina はペトロサン社から技術ライセンスを付与され、バイオジーゼル、エタノールなどのバイオ燃料を生産する。写真：ペトロサン社のテキサス州 RioHond の藻生産ファーム（Google Earth による） (8) 日本では、慶應義塾大学先端生命科学研究所（山形県鶴岡市、所長：冨田勝、研究員：伊藤卓朗博士）が、微細藻のオイルを蓄積する代謝の仕組み（代謝機構）を明らかにし、効率よくオイルを産生させるための培養条件を決定する研究をおこなっている。オイル産生微細藻の品種改良によりオイル産生能力を高めることを目指している。軽油産生微細藻は、光と CO2、それに窒素栄養を取り込んで光合成をおこなうが、窒素栄養を与えるのをやめると、藻はオイルをたくさん作り始める。栄養がなくなって生存が脅かされると防衛反応としてオイルをため込み、休眠のような状態になるのではないではないかと考えられる。さらに、同研究所と株式会社デンソーとの共同研究では、株式会社デ 3 2008/11/04 エネルギー研究会ンソーがオイル産生微細藻を利用して二酸化炭素を吸収するための高効率な培養槽の研究と、細胞内に蓄積したオイル抽出法の研究をおこなう。 (9) （独）産業技術総合研究所のエネルギー技術研究部門では、微細藻類を利用した液体燃料生産の研究で、植物よりも増殖が早く CO2 の固定化の能力も高い微細藻類を研究している。炭化水素を蓄積する Botryococcus braunii と、グリセリンを細胞内に蓄積する Dunaliella tertiolecta を検討し、Botryococcus braunii は培養に下水処理水を使用することで液体燃料を生産すると同時に処理水中の窒素やリンを除去することが可能で、炭化水素含有率が高い Botryococcus braunii が有利であることを見出した。(塚原建一郎、澤山茂樹 Journal of Japan Petroleum Institute, 48, (5), 251-259 (2005)) (10) 農水省所管の財団法人、東京水産振興会の研究委員会（座長・酒匂敏次東海大名誉教授）は、大量養殖した海藻で代替できるとの報告書をまとめた。日本の領海と排他的経済水域（ＥＥＺ）を合わせた海域約４４７万平方キロの１－２％を使って年間１・５億トンの海藻を養殖すれば、現在のガソリン使用量の１割弱に当たる約５００万キロリットルのエタノール生産も可能と試算している。養殖する海藻は、日本の沿岸のほぼ全域に生息し成長が早いホンダワラ類アカモクやコンブを想定。海中に浮かせた巨大な網に種や苗を植えて養殖するのが最適という。「平成１９年度水産バイオマス経済水域総合利活用事業可能性の検討」 Ⅰ 持続可能な海洋バイオマス資源の利活用 Ⅱ 海藻バイオ燃料生産技術の課題検討 Ⅲ 海洋バイオマス利活用に求められる事業評価技術２．バイオ燃料の土地面積収量バイオ燃料の生産は、土地面積あたりの収量の多い原料種の栽培が望ましい。表１はバイオ燃料の生産における原料種ごとの面積収率を纏めたものである。表中で、年間、1ヘクタール当たりのバイオ燃料生産量のキロリットルは、１前後のものが多いが、｢とうもろこし｣は2.1、｢さとうきび｣は5.2と大きく、これらの値が大きい原料種が注目される。なお、米は新潟県の「バイオ燃料地域利用モデル実証事業」におけ面積収量目標値は3.6となっており、表1の値の約2倍となっている。藻は11から90と、在来の原料種に比べて数十倍の値となることがNRELの研究結果から推定されている。 4 2008/11/04 エネルギー研究会表1 バイオ原料種と面積収量面積収量 (kl/ha/yr) 原料の種類大豆小麦大麦ひまわり菜種グレインソルガム米サツマイモジャトロパとうもろこしジャガイモテンサイさとうきびオイルパーム藻 (10 g/m2/day at 15% TAG) 藻 (50 g/m2/day at 50% TAG) 0.4 0.7 0.9 1.0 1.2 1.3 1.6 1.8 1.9 2.1 2.8 3.9 5.2 5.9 11.2 93.5 出典 1) 1) 1) 2) 2) 1) 1) 1) 2) 1) 1) 1) 1) 2) 2) 2) 1) U.S. Department of Agriculture(2002), “USDA’s 1998 Ethanol Cost-of-Production 2) National Renewable Energy Laboratory (John Sheehan et al July 1998) NREL/TP-580-24190 “A Look Back at the U.S. Department of Energy’s Aquatic Species Program: Biodiesel from Algae” (TAGs)：藻のオイル分はtriacylglycerolsの形態をなし、重量比60%の高TAGの藻がNRELの研究で見出されている。３．藻の代表的な生産法１）開放池方式：NRELの研究の多くはこのタイプ、欠点はコンタミネーション Macro Algaeの開放池方式開放池方式の全体イメージ図（GGASS社のHPより） GGASS社は、イスラエルにおいて塩水池でのMacro algaeの生産を数年に渡りおこなってきた。同社のMacro algaeの生産技術は、NoriTechTMと呼ばれる。 5 2008/11/04 エネルギー研究会２）閉パイプ方式：光バイオリアクター、欠点はコストが高いグリーンフーエル社の光バイオリアクターは、直径10～20cm、長さ2～3ｍのポリカーボネイト管からなる直角三角形構造になっており、その斜面に当たる面に日光に当たる。藻の成長には、温度が重要な因子であり、温度変化は10℃以下に制御される。また、導入されるコジェネ発電プラントの排ガス中のCO2濃度は13%である。写真：MIT の閉パイプ方式の藻培養実験設備閉パイプ方式の全体イメージ図３）培養タンク方式：米国のソラジン社（米カリフォルニア）が開発中、４）野生方式：海洋、河川、沼などの野生地を利用する。ニージーランドのアクアフロー社（Aquaflow Bionomic Corp.）は、排水処理の沈殿池や富栄養河川水を利用してダイレクトに藻を生育させ収穫するシステムを開発中である。写真は同社がマールボローの排水処理施設に設置された、数トンの藻を連続的に収穫する商用規模の設備である。同社は、次の段階として、数ヶ月後にはバイオ燃料を生産することが可能と考えている。このようなシステムがバイオ燃料のより経済的な生産プロセスになるとしており、成功すれば、一石三鳥のシステムといえる。写真：アクアフロー社の藻収穫システム（アクアフロー社の HP より） 6 2008/11/04 エネルギー研究会４．原料の藻からバイオ燃料へのルート微細藻（Micro Algae）と大型藻(Mcro Algae)からバイオジーゼル、エタノール、 FT(Fisher-Tropish)リキッド様々なバイオ燃料が生産される。微細藻には水素を発生する水素水素飽和炭化水素微細藻 MicroAlgae 油分又は炭化水素バイオジーゼル炭水化物エタノール大型藻 MacroAlgae バイオマス合成ガスメタン FTリキッドメタン種もある。５．藻のオイル含有量と成長速度表2は、微細藻類の油含有率で数十％に達する。特に、Botryococcus brauniiは25－75%、 Schizochytrium sp は50-77%と高い。表 2 Oil content of some microalgae Microalga Oil content (% dry wt) Botryococcus braunii 25-75 Chlorella sp. 28-32 Cryptothecodinium cohnii 20 Cylidrotheca sp. 16-37 Dunaliella primolecta 23 Isochrysis sp. 25-33 Monallanthus salina >20 Nannochloris sp. 20-35 Nannochloropsis sp. 31-68 Neochloris oleoabundans 35-54 Nitzschia sp. 45-47 Phaeodactylum tricornutum 20-30 Schizochytrium sp. 50-77 Tetraselmis suieia 15-23 Chisti 2007 7 2008/11/04 エネルギー研究会表3は、アリゾナ州立大学のコレクションで、成長時における油分の生産性の高い種族をしめす。表3. Strains in the Arizona State University collection with the highest apparent lipid productivity during exponential growth, based on Nile Red staining. Strain Genus Class Triolein equivalents (mg/L/day) AMPHO27 Amphora Bacillariophyceae 345 CHLOC4 Eremosphaera/ Chlorophyceae 117 Chlorococcum SYNEC5 Synechococcus Cyanophyceae 86 AMPHO46 Amphora Bacillariophyceae 71 SYNEC4 Synechococcus Cyanophyceae 64 AMPHO45 Amphora Bacillariophyceae 63 NITZS55 Nitzschia Bacillariophyceae 48 OOCYS9 Oocystis Chlorophyceae 46 NITZS52 Nitzschia Bacillariophyceae 45 コラム：藻と石油の起源地球の歴史は 46 億年。原始地球の大気には酸素は殆んど存在していなかったが、40 から 30 億年前に初めての酸素発生型の生物であるストマトライトやシアノバクテリアなどが生まれた。シアノバクテリアは原核光合成微生物で、藍藻（Blue-green algae）と呼ばれ、微生物（バクテリア）に分類される。25 億年前になると藻類などの光合成で酸素を造りだす生命体が生まれ大繁殖した。光合成で造りだされた酸素により、地球大気の酸素濃度が次第に高くなり、やがて蓄積した酸素から、オゾン層が形成された。オゾン層には生物に有害な紫外線を吸収する働きがあり、これにより生物は紫外線の届かない水中から陸上へと進出するようになった。これにより、酸素を呼吸し地上で活発に活動する生物が誕生した。石油の起源については、地球内部にある炭化水素が高温・高圧の下で化学変化を起こしたとする無機成因説もあるが、一般的には、太古の微生物によって作られたとする有機成因説の方が定説と成っている。光合成では、水と二酸化炭素からアデノシン三リン酸（ATP）と有機物であるグルコース(C6H12O6)が生産されるが、死んだ藻類やプランクトンの一部は酸素の無い場所に埋まると酸化されずに地中に残り、長い年月をかけて岩石中に蓄積され地熱や加圧により化学変化したものが、主として炭素と水素そして少量の窒素と硫黄からなる石炭、石油、天然ガスなどの化石燃料になったと考えられている。太古の地球が何億年もかけて作り上げてきた生成プロセスを、科学の力で短時間に効率よくおこなわせる革新的プロセスが、藻からのバイオ燃料生産である。 8 2008/11/04 エネルギー研究会６．米国は再生可能エネルギーへの投資が活発 USAトゥデイによると、2008年におけるバイオ燃料、太陽光発電、風力発電、浄水関連の新興企業が調達したベンチャー資金は第２四半期（４～６月）に約20億ドルと過去最高に達し、前年同期から58％も増加した。投資対象となった企業としては、タービンを動かすための大規模なソーラー・サーマル（太陽熱発電）技術を開発しているイーソーラー、スカイフューエル、ブライトソース・エナジー、藻やセルロース系エタノールなど食用穀物以外の植物材料を使った次世代バイオ燃料を開発するレンジ・フューエルズ、オーロラ・バイオフューエルズ、グリーンライン・インダストリーズなどがある。 (http://www.usfl.com/Daily/News/08/07/0721_026.asp?id=62399) ６．まとめ米国は 1970 年代に、オイル消費がオイル資源開発のスピードを上まわるいわゆるピ－クオイルを迎えた。将来のエネルギーセキュリティー問題から、米国 NREL は藻からバイオ燃料を生産する研究プロジェクトをスタートさせた。その成果は、”A Look Back at the U.S. Department of Energy’s Aquatic Species Program—Biodiesel from Algae “ July 1998 として NREL から 326 ページに及ぶ詳細な報告書に纏められている。バイオマス種として藻類に期待が寄せられる理由は、・特別な耕地を必要とせず、不毛の土地でも良い・塩水でも淡水でもよく、真水を必要としない・耕地当たりの収量が従来のバイオ減量に比べて数十倍と高い・生産過程で温暖化ガス CO2 を吸収し、カーボンニュートラルである・隣接する発電所等の排ガス中の CO2 を藻に吸収させ生産性を上げ一石二鳥である・水素、バイオジーゼル、バイオエタノール、合成ガスなど様々なバイオ燃料となるさらに、藻からのバイオ燃料生産は大量生産が期待できる点にある。現在、米国を初めとして多くのベンチャー企業がこの分野に進出している。研究段階からパイロットプラントによる実証試験の段階にあるところが多く、商業化を見据えてそれを資金面でファンドが支える構造が創られつつある。これらの先行企業による特許の網が張られつつある。日本における藻からのバイオ燃料生産の研究はいまだ実験室段階であり、その差は開きつつある。日本はこの分野の専門の研究機関は殆んど無く、また、この分野について日本語で書かれたバイオ燃料の書籍も見当たらない。太陽光発電等の技術開発では先行した日本が、この分野では大きく引き離されているのは残念である。この分野は｢バイオマスニッポン｣にも対象になっていない。日本の縦割り行政の狭間に位置している懸念があるが、先行国をキャッチアップする政策立案が早急に待たれるところである。 9