特開 2024-113919 バイオディーゼル燃料製造プラント

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024113919

(43)【公開日】2024-08-23

(54)【発明の名称】バイオディーゼル燃料製造プラント

(51)【国際特許分類】

   C12P 7/64 20220101AFI20240816BHJP

   C12N 1/12 20060101ALI20240816BHJP

   C12M 1/00 20060101ALI20240816BHJP

   A01G 31/00 20180101ALI20240816BHJP

【ＦＩ】

C12P7/64

C12N1/12 A

C12M1/00 E

A01G31/00 612

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023019197

(22)【出願日】2023-02-10

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 令和４年６月４日掲載、掲載アドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｒｅｖｏ－ｅ．ＪＰ／、他（証明書の別紙１参照）

(71)【出願人】

【識別番号】523048804

【氏名又は名称】株式会社Ｒｅｖｏ Ｅｎｅｒｇｙ

(74)【代理人】

【識別番号】110001276

【氏名又は名称】弁理士法人小笠原特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中谷 敏也

【テーマコード（参考）】

2B314

4B029

4B064

4B065

【Ｆターム（参考）】

2B314PD59

2B314PD62

2B314PD70

4B029AA02

4B029BB04

4B029CC01

4B064AD85

4B064AH19

4B064CA08

4B064CC22

4B064DA16

4B065AA83X

(57)【要約】

【課題】バイオディーゼル燃料の製造と、ユーグレナの従属栄養培養に必要な栄養源の生産とを同一施設内で行うことができ、バイオディーゼル燃料の自給自足を可能とするバイオディーゼル燃料製造プラントを提供する。
【解決手段】本発明に係るバイオディーゼル燃料製造プラントは、太陽光をエネルギー源として稲の水耕栽培を行う水耕栽培ユニットと、水耕栽培ユニットで収穫された米を分解した糖を用いて、培養槽内でユーグレナの従属栄養培養を行うユーグレナ培養ユニットと、ユーグレナ培養ユニットで培養したユーグレナからバイオディーゼル燃料を生成する燃料生成ユニットとを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

太陽光をエネルギー源として稲の水耕栽培を行う水耕栽培ユニットと、
前記水耕栽培ユニットで収穫された米を分解した糖を用いて、培養槽内でユーグレナの従属栄養培養を行うユーグレナ培養ユニットと、
前記ユーグレナ培養ユニットで培養したユーグレナからバイオディーゼル燃料を生成する燃料生成ユニットとを備える、バイオディーゼル燃料製造プラント。

【請求項2】

前記水耕栽培ユニット内に太陽光を採光する太陽光照明と、
前記水耕栽培ユニット内に設けられた照明装置に電力を供給可能な太陽光パネルと、
前記太陽光パネルで発電した電力を蓄電可能な蓄電池とを更に備える、請求項１に記載のバイオディーゼル燃料製造プラント。

【請求項3】

前記ユーグレナ培養ユニットは、複数の前記培養槽を備える、請求項１または２に記載のバイオディーゼル燃料製造プラント。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ユーグレナを利用してバイオディーゼル燃料を製造するバイオディーゼル燃料製造プラントに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、地球温暖化問題の原因の１つと考えられているＣＯ_２を削減するため、石油燃料の代替燃料として、バイオ燃料の利用拡大が期待されている。例えば、トラックやバス、船舶等で用いられる軽油の一部を、バイオディーゼル燃料と呼ばれるバイオ燃料に置き換える試みがなされている。バイオディーゼル燃料の製造方法としては、動植物油を原料とし、エステル交換反応によりグリセリンを除去する方法が一般的であるが、動植物油の代わりに、ユーグレナの培養により得られるワックスエステルを利用する手法も種々検討されている。

【0003】

例えば、特許文献１及び２には、ユーグレナの培養によりワックスエステルを生成する方法が記載されている。特許文献１には、ユーグレナを好気条件で培養した後、嫌気条件下で保持すると、貯蔵多糖であるパラミロンを分解して、脂肪酸と脂肪アルコールからなるワックスエステルを生成することが記載されている。また、特許文献２には、ユーグレナを好気的に培養した後、嫌気条件に保持する前に、培養液にグルコースやフルクトース等の炭素源を添加して従属栄養条件で培養を行うことにより、ワックスエステル高含有ユーグレナを生産できることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２－０２３９７７号公報

【特許文献2】特開２０１３－１５３７３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ユーグレナを利用したバイオディーゼル燃料の生産コストを低減するためには、ユーグレナの培養によるワックスエステルの生産効率を可能な限り高くする必要がある。そこで、ユーグレナの培養方法として、特許文献２に記載されるような従属栄養培養を採用することが考えられる。従属栄養培養を行う場合、グルコース等の糖源を培地に添加することが必要となるが、ある程度の規模でバイオディーゼル燃料を製造しようとすると、使用する糖源の量も多くなり、糖源の調達に手間やコストを要する。

【0006】

それ故に、本発明は、バイオディーゼル燃料の製造と、ユーグレナの従属栄養培養に必要な栄養源の生産とを同一施設内で行うことができ、バイオディーゼル燃料の自給自足を可能とするバイオディーゼル燃料製造プラントを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係るバイオディーゼル燃料製造プラントは、太陽光をエネルギー源として稲の水耕栽培を行う水耕栽培ユニットと、水耕栽培ユニットで収穫された米を分解した糖を用いて、培養槽内でユーグレナの従属栄養培養を行うユーグレナ培養ユニットと、ユーグレナ培養ユニットで培養したユーグレナからバイオディーゼル燃料を生成する燃料生成ユニットとを備える。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、バイオディーゼル燃料の製造と、ユーグレナの従属栄養培養に必要な栄養源の生産とを同一施設内で行うことができ、バイオディーゼル燃料の自給自足を可能とするバイオディーゼル燃料製造プラントを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態に係るバイオディーゼル燃料製造プラントの概略構成を示すブロック図

【図2】変形例に係るバイオディーゼル燃料製造プラントの概略構成を示すブロック図

【発明を実施するための形態】

【0010】

（実施形態）
図１は、実施形態に係るバイオディーゼル燃料製造プラントの概略構成を示すブロック図である。

【0011】

バイオディーゼル燃料製造プラント１００は、ユーグレナ（ミドリムシ）の培養で得られるワックスエステルからバイオディーゼル燃料を製造する施設であり、水耕栽培ユニット１と、ユーグレナ培養ユニット２と、燃料製造ユニット３と、太陽光照明４と、太陽光パネル５と、蓄電池６とを備える。

【0012】

＜水耕栽培ユニット１＞
水耕栽培ユニット１は、ユーグレナの従属栄養培養に必要となる栄養源（糖の原料）となる米を生産するユニットであり、太陽光をエネルギー源として利用し、稲の水耕栽培を行う。水耕栽培ユニット１は、複数の栽培棚１１と、複数のＬＥＤ照明１２と、溶液タンク１３と、ポンプ１４と、空調装置１５とを有する。水耕栽培ユニット１は、閉鎖可能な部屋やチャンバーとして構成され、内部に栽培棚１１、ＬＥＤ照明１２、溶液タンク１３、ポンプ１４及び空調装置１５が収容されている。

【0013】

栽培棚１１は、稲を栽培するための部分であり、稲を保持するための保持材を有する。保持材は、例えば、ウレタンフォーム等の吸水性の材料で構成される。保持材にはスリットや孔等が予め設けられており、播種時には予め発根及び発芽させた籾をスリットや孔に挿入する。保持材は、稲を育成するための栄養素や微量成分を含む栽培溶液に浸漬されており、稲に保持材を通して栽培溶液を吸収させることができる。面積あたりの収穫量を増加させるため、複数の栽培棚１１を、所定間隔を空けて上下に多段に重ねて配置することが好ましい。

【0014】

ＬＥＤ照明１２は、栽培棚１１のそれぞれに対応して栽培棚１１の上方に設けられており、栽培棚１１に光を照射する。

【0015】

溶液タンク１３は、稲を水耕栽培するために必要な各種栄養素及び微量成分を含有する水溶液（栽培溶液）を貯留する。溶液タンク１３には、肥料濃度やｐＨ、温度等を調整するための調整装置や、貯留する栽培溶液を攪拌するための攪拌装置等が適宜設けられる。

【0016】

ポンプ１４は、所定の配管を介して溶液タンク１３及び栽培棚１１に接続されており、溶液タンク１３内の栽培溶液を栽培棚１１に供給する。配管の途中には開閉弁や逆止弁が適宜設けられており、図示しない制御装置で開閉弁の開閉を制御することにより、栽培棚１１の保持部材が一定量の栽培溶液を吸収している状態を維持している。

【0017】

空調装置１５は、水耕栽培ユニット１内の温度及び湿度を稲の栽培に適した条件となるように調整する。

【0018】

本実施形態に係るバイオディーゼル燃料製造プラント１００には、太陽光照明４が設けられている。水耕栽培ユニット１の栽培棚１１の上方には、太陽光照明４の導光部の一端が配置されており、日照時間帯には、太陽光照明４によって採光された太陽光を栽培棚１１に照射することができる。尚、導光部としては、導光管や光ファイバーを使用できる。バイオディーゼル燃料製造プラント１００が太陽光照明４を備える場合、日照時間帯の間は採光した太陽光を利用して稲を栽培することができるので、ＬＥＤ照明１２に要するコストを低減することができる。日照のない夜間や、光量が不足する曇天時等には、ＬＥＤ照明１２を用いることにより、栽培中の稲に２４時間光を照射することが可能である。

【0019】

水耕栽培ユニット１で栽培する稲の品種は特に限定されないが、省スペースでの大量栽培が可能となるよう、草丈の短い品種を使用することが好ましい。例えば、登録品種である「みずのゆめ」は、草丈が２０ｃｍ以下であるため、栽培棚１１を上下に多段に重ねて配置する栽培方法に特に適している。ＬＥＤ照明１２の波長と栽培溶液の組成を最適化し、ＬＥＤ照明１２を２４時間照射することにより、約２ヶ月で米を収穫することが可能となる。栽培条件の最適化により６期作が可能となることで、ユーグレナの培養に必要な糖の原料となる米を省スペースかつ高効率で生産することができる。

【0020】

水耕栽培ユニット１で収穫された米は、バイオディーゼル燃料製造プラント１００とは別拠点に設けられる糖化施設８に輸送され、糖化施設８内の糖化装置９を用いて糖（グルコース）に変換される。糖化の方法は特に限定されないが、酵素処理や発酵法など公知の方法を利用できる。更に、稲わらや籾殻のセルロースを酵素処理や発酵法等で分解してグルコースに変換しても良い。糖化施設８での糖化により得られた糖は、ユーグレナ培養ユニット２に搬入され、ユーグレナの栄養分として利用する。

【0021】

尚、水耕栽培ユニット１での水耕栽培には、特開２０２１－１８５８７３号公報、特開２０２１－１８５８７４号公報及び特開２０２１－１８７７１９号公報に開示される技術を適用することができる。

【0022】

＜ユーグレナ培養ユニット２＞
ユーグレナ培養ユニット２は、水耕栽培ユニット１で収穫された米を糖化施設８で分解した糖を用いてユーグレナの従属栄養培養を行うユニットである。ユーグレナ培養ユニット２は、培養槽２１と、培養液供給装置２２と、濃縮液回収装置２３とを備える。

【0023】

培養槽２１は、培養液を攪拌するための攪拌装置または水中ポンプ、糖度計、ｐＨメータ、溶存酸素計、溶存炭酸ガス計、水温計、培養液の温度を調節するためのヒーターやチラー等を適宜備えていても良い。ユーグレナ培養ユニット２には、複数の培養槽２１が設けられることが好ましい。１つの培養槽２１のみで培養を行った場合、培養に失敗すると、セットした培養液の全部が無駄になってしまう。これに対して、複数の培養槽２１に分けてユーグレナの培養を行った場合、いずれかの培養槽２１の培養に失敗しても、セットした培養液の全量が無駄になるリスクを低減できる。ユーグレナ培養ユニット２に複数の培養槽２１を設ける場合、培養開始日をずらすことが好ましい。例えば、培養期間が６日間の場合、６基の培養槽２１を設け、培養開始を一日ずつずらしてサイクル培養を行うことにより、複数の培養槽２１での培養に失敗する可能性をより低減することができる。

【0024】

培養液供給装置２２は、水耕栽培ユニット１で収穫された米由来の糖と、ユーグレナの培養に必要な各種栄養素とを含む培養液を培養槽２１に供給する。

【0025】

濃縮液回収装置２３は、培養が完了した培養液を濾過し、ユーグレナを高濃度で含む濃縮液を回収する。濃縮液回収装置２３は、回収した濃縮液を図示しない配管を通じて、燃料製造ユニット３に送出する。より具体的には、培養の最終段階において、培養槽２１の攪拌装置や水中ポンプを停止させ、所定時間（例えば２４時間）静置状態で培養を行うことにより、ユーグレナを培養槽２１の底部に沈殿させる。濃縮液回収装置２３は、沈殿したユーグレナを含む培養液を濾過しながら抜き取ることにより濃縮液を回収する。濃縮液回収装置２３は、濾過した培養液を培養槽２１や図示しない培養液タンクに循環させても良い。濾過後の培養液を再利用することにより、水の使用量を削減することができる。

【0026】

＜燃料製造ユニット３＞
燃料製造ユニット３は、ユーグレナ培養ユニット２で培養したユーグレナからバイオディーゼル燃料を生成する。燃料製造ユニット３は、遠心分離機３１と、燃料化装置３２と、貯蔵タンク３３とを備える。

【0027】

遠心分離機３１は、濃縮液回収装置２３によって回収されたユーグレナの濃縮液を遠心分離する。

【0028】

燃料化装置３２は、遠心分離したユーグレナからワックスエステルを抽出し、抽出したワックスエステルとアルコールとのエステル交換反応によりバイオディーゼル燃料を生成する。エステル交換反応に用いるアルコールとしては、メタノールやエタノールを使用できる。燃料化装置３２は、エステル交換反応の反応液からバイオディーゼル燃料を蒸留等により精製し、精製後のバイオディーゼル燃料を貯蔵タンク３３に貯蔵する。

【0029】

本実施形態に係るバイオディーゼル燃料製造プラント１００は、太陽光パネル５と、蓄電池６と、発電機７とを更に備える。

【0030】

太陽光パネル５は、バイオディーゼル燃料製造プラント１００の建屋外部に配置されており、発電した電力をバイオディーゼル燃料製造プラント１００内の電気機器に供給する。バイオディーゼル燃料製造プラント１００で消費する電力をまかなうことができるよう、可能な限り変換効率の高い太陽光パネル５を使用することが好ましい。また、太陽光パネル５は、バイオディーゼル燃料製造プラント１００の屋根上のスペースなどを利用して可能な限り広い面積に設置することが好ましい。太陽光パネル５を備えることにより、水耕栽培ユニット１において、省エネルギーでの稲の栽培が可能となる。

【0031】

太陽光パネル５で発電した余剰な電力は蓄電池６に蓄電される。本実施形態のように太陽光パネル５と共に太陽光照明４を設けた場合、日照量が十分な時間帯には、太陽光照明４で採光した光を栽培棚１１に照射しつつ、太陽光パネル５の余剰な発電電力を蓄電池６に蓄電することができる。夜間や曇天時等の日照量が不足する時間帯には、蓄電池６に蓄えた電力をＬＥＤ照明１２に供給することで、稲に対して２４時間の光照射が可能となる。

【0032】

バイオディーゼル燃料製造プラント１００の可動に必要な電力を太陽光パネル５及び蓄電池６が供給できない場合は、発電機７を稼働することにより電力を供給することができる。発電機７で発電した電力で蓄電池６を充電しても良い。発電機７は、ディーゼル発電機であることが好ましく、この場合、貯蔵タンク３３に貯蔵されているバイオディーゼル燃料を用いて発電を行うことができる。

【0033】

尚、太陽光パネル５の発電量は季節や天気に左右されるので、電力の安定供給ができるように、バイオディーゼル燃料製造プラント１００を商用電源にも接続することが好ましい。

【0034】

バイオディーゼル燃料製造プラント１００は更に、ＣＯ_２排出装置２４及びＯ_２供給装置２５の一方または両方を備えても良い。

【0035】

ＣＯ_２排出装置２４は、培養槽２１内で発生した、ＣＯ_２濃度が相対的に高い空気を排出し、水耕栽培ユニット１内に供給することができる。ＣＯ_２排出装置２４を設けることにより、培養槽２１で発生したＣＯ_２を稲の水耕栽培に利用することができ、ＣＯ_２の排出量を低減することができる。

【0036】

Ｏ_２供給装置２５は、水耕栽培ユニット１内で光合成により発生した、酸素濃度が相対的に高い空気を排出し、培養槽２１に供給することができる。Ｏ_２供給装置２５を設けることにより、ユーグレナの従属栄養培養のいずれかの段階で酸素を必要とする場合に、水耕栽培ユニット１で発生した酸素を有効利用することができる。

【0037】

以下、バイオディーゼル燃料製造プラント１００を用いたバイオディーゼル燃料の製造方法を説明する。

【0038】

水耕栽培ユニット１において、栽培棚１１に籾の播種を行う。上述したように、播種は、予め消毒及び水に浸漬させて発根及び発芽させた籾を、栽培棚１１の保持材の孔やスリットに挿入することによって行う。その後、コンピュータを用いて、水耕栽培ユニット１に設けられる温度計、湿度計、ｐＨメータ等の各種センサを用いて各種パラメータをモニタし、所定の栽培条件となるように、気温、湿度、栽培養液の温度、栽培棚１１への栽培養液の供給速度等を制御し、所定期間（例えば６０日間）栽培を行う。栽培期間が経過して稲穂が実ると、稲を収穫する。尚、栽培棚１１への籾のセットと稲の収穫は人手で行うが、機械を用いて自動化しても良い。収穫した稲は、糖化施設８に輸送し、糖化装置９を用いて米を糖（グルコース）に変換する。得られた糖は、ユーグレナ培養ユニット２にも受けられる貯蔵タンク（図示せず）に貯蔵しても良い。尚、糖化装置９で得られた糖は、固体で貯蔵しても良いし、液体で貯蔵しても良い。

【0039】

ユーグレナ培養ユニット２において、ユーグレナの従属栄養培養を行う。培養槽２１に、培養液（培地）を入れた後、ユーグレナを摂取する。培養液は、糖、窒素源、リン源、ミネラル等を含有する。その後、培養液を撹拌装置または水中ポンプを用いて攪拌する。その後、コンピュータを用いて、培養槽２１に設けられる糖度計、ｐＨメータ、溶存酸素計、溶存炭酸ガス計、水温計等の各種センサを用いて各種パラメータをモニタし、所定の培養条件となるように、糖度、ｐＨ、水温、残存Ｏ_２濃度、残存ＣＯ_２濃度等を制御し、所定期間培養を行う。ユーグレナの従属栄養培養は、嫌気条件下で行っても良いし、好気条件下で行っても良いし、好気条件での培養と嫌気条件での培養とを組み合わせて行っても良い。また、従属栄養培養中に、必要に応じて、培養槽に酸素または二酸化炭素を供給しても良い。培養期間の経過後、培養液の攪拌を停止し、培養したユーグレナを沈殿させる。上述したように、ユーグレナ培養ユニット２に複数の培養槽２１が設けられる場合は、培養開始を一日ずつずらして行うことが好ましい。ユーグレナの従属栄養培養方法としては、公知の方法を採用することができる。

【0040】

上記の水耕栽培ユニット１における米の栽培と、ユーグレナ培養ユニット２におけるユーグレナの培養とは、並列して行うことができる。

【0041】

燃料製造ユニット３においては、ユーグレナ培養ユニット２においてユーグレナの培養が完了する度に、バイオディーゼル燃料の製造を行う。燃料製造ユニット３において、培養槽２１から回収したユーグレナの濃縮液からユーグレナを遠心分離し、分離したユーグレナからワックスエステルを抽出し、ワックスエステルとアルコールのエステル交換反応を行った後、バイオディーゼル燃料を精製し、貯蔵タンク３３に貯蔵する。

【0042】

以上説明したように、本実施形態に係るバイオディーゼル燃料製造プラント１００は、ユーグレナの従属栄養培養を行うユーグレナ培養ユニット２及び燃料製造ユニット３と同一施設内に、稲を栽培する水耕栽培ユニット１を備える。したがって、ユーグレナの従属栄養培養に必要な栄養源を別途購入することなく、水耕栽培ユニット１で収穫した米を分解して得た糖を用いてグルコースの培養が可能となる。したがって、本実施形態に係るバイオディーゼル燃料製造プラント１００によれば、ユーグレナを利用してバイオディーゼル燃料の自給自足を行うことが可能となる。

【0043】

また、水耕栽培ユニット１では、栽培棚１１を多段に配置し、ＬＥＤ照明１２を用いて２４時間光照射を行うことにより、極めて高効率に稲を栽培することができる。すなわち、水耕栽培ユニット１においては、水田で栽培する場合と比べて、単位期間（例えば１年）あたりの米の収穫量を飛躍的に高めることができるため、収穫した米から得られる糖の収量も多くなる。糖の収量が多くなることにより、ユーグレナの培養量を増やすことができるため、バイオディーゼル燃料の製造量を向上させることができる。

【0044】

更に、水耕栽培ユニット１による極めて高効率な稲栽培と、従属栄養培養によるワックスエステルの高効率な生成とを組み合わせることにより、バイオディーゼル燃料の製造に要するコストを低減することが可能となる。本実施形態のように、太陽光パネル５を設けた場合、バイオディーゼル燃料製造プラント１００の稼働に必要な電力の少なくとも一部をまかなうことができるため、バイオディーゼル燃料の製造コストを更に低減できる。

【0045】

（変形例）
図２は、変形例に係るバイオディーゼル燃料製造プラントの概略構成を示すブロック図である。

【0046】

変形例に係るバイオディーゼル燃料製造プラント１０１は、収穫した米を糖に変換する糖化装置９を同一施設内に備えている点で、図１に示したバイオディーゼル燃料製造プラント１００と異なる。変形例のようにプラント内に糖化装置９を設けた場合、糖化装置９の設置にコストを要するが、収穫した米を輸送することなくプラント内で糖の製造を行うことができるので、バイオディーゼル燃料の自給自足という観点ではより有利である。

【0047】

本発明に係るバイオディーゼル燃料製造プラント１００及び１０１は、例えば、運送会社やバス会社、タクシー会社、建設会社等の車両を使用する企業の敷地内や、船舶を使用する企業の敷地内や港湾部に設置することが好ましい。この場合、バイオディーゼル燃料製造プラント１００及び１０１で製造したバイオディーゼル燃料を需要者に容易に提供することができる。本発明に係るバイオディーゼル燃料製造プラント１００及び１０１は、ユーグレナ培養ユニット２及び燃料製造ユニット３に加え、ユーグレナの従属栄養培養に必要な栄養源を作り出す水耕栽培ユニット１を備えているので、ユーグレナを利用したバイオディーゼル燃料の製造に必要なコンポーネントがほぼ揃っており、バイオディーゼル燃料の需要者の近くに構築した後の運用が容易となる。

【産業上の利用可能性】

【0048】

本発明は、バイオディーゼル燃料を製造するためのプラントとして利用できる。

【符号の説明】

【0049】

１ 水耕栽培ユニット
２ ユーグレナ培養ユニット
３ 燃料製造ユニット
４ 太陽光照明
５ 太陽光パネル
６ 蓄電池
１２ ＬＥＤ照明
２１ 培養槽

【図1】

【図2】