【導言】在推進能源低碳轉型方面，生物質資源扮演著關鍵角色。如今，在日本備受期待的是通過光合作用生長、可用作多種產品原料的微細藻類（以下稱「微藻」）。微藻過去一直被用作功能性食品和化妝品原料，但目前日本正在快速開發利用微藻生產生物基可持續航空燃料（SAF）的一系列技術。為此，我們採訪了正在通過產學合作探索可能性的東京大學研究生院新領域創成科學研究科的三谷啟志特任教授和河野重行名譽教授，以及中央大學理工學部人類綜合理工學科的山村寬教授，瞭解他們取得的有關微藻的研究成果。
航空燃料低碳轉型的王牌
當務之急是確立SAF生產體制
2024年，關於計劃開通的新國際航線被取消以及取消增加航班數量的新聞見諸於報。其中的一個原因是日本國内無法確保充足的航空燃料。日本資源匱乏，能源主要依賴進口，在全球能源爭奪戰愈加激烈的背景下，日元貶值等因素使得日本持續在國際能源市場上購買失利。與此同時，減少航空燃料的二氧化碳（CO₂）排放量也是一個無法規避的課題。隨著航空燃料低碳轉型的要求日益緊迫，由生物質或廢棄食用油等製成的 「SAF（Sustainable Aviation Fuel：可持續航空燃料）」生物基航空燃料成為了備受矚目的王牌。
由民間航空公司組成的國際航空運輸協會（IATA）在2021年的尾牙上批准了「到2050年實現CO₂淨零排放」的新目標，之後在2022年，由各國政府組成的國際組織——國際民間航空機構（ICAO）通過了「到2050年實現CO₂淨零排放」的長期目標，由此情況產生了巨大變化。日本也設定了到2030年將國内航空公司燃料使用量的10%更換為SAF的目標。為此，確立SAF的生產體制對日本而言就成了當務之急。
SAF的商用化在日本正逐步展開。經濟產業省預測日本的SAF使用量2030年將達到172萬噸（圖1），並提議SAF的供給目標要相當於2019年國内生產和供應的航空燃料溫室氣體排放量5%以上。要實現這一供給目標，就需要飛躍性增加SAF產量。在日本科學技術振興機構（JST）的產學共創平台聯合研究促進計劃（OPERA）中，聯合14所大學、4家國立研究機構和24家民間企業共同挑戰該課題的東京大學研究生院新領域創成科學研究科的三谷啟志特任教授和河野重行名譽教授警告稱：僅靠個別企業的努力，無法快速建立起SAF的生產體制。
圖1 航空業的CO₂排放量和對可持續航空燃料「SAF」的期望
日本國土交通省等部門基於航空運輸行動集團（ATAG）的報告書「Waypoint 2050 2nd edition」對2050年航空需求的預估，估算了日本SAF的需求量。為了實現航空業到2050年淨零排放的目標，SAF的實用化以及國内生產至關重要。（在Waypoint 2050的圖表上添加了國土交通省航空局的柱狀圖）
通過「生物煉製」提高效率
從功能性食品到飼料及燃料
目前，全球流通的SAF主要為由甘蔗和玉米等原料製成的生物乙醇，日本的生物質資源不算豐富，廢棄食用油等酯類原料也難以自給自足。因此，在以微藻為原料生產有用物質並建立整合這些物質的生物煉製工藝的有關項目中，近兩年來研究重點放在了利用微藻生產SAF的研發上。
微藻指裸藻、小球藻等直徑在5～50微米左右（1微米為100萬分之1米）的微細藻類。這些藻類擁有葉綠體，隻需陽光、水和CO₂就能進行光合作用生成有機物質。此外，由於單位面積的產量有許多能高出種子植物一個數規模，所以微藻作為有用的生物質而受到矚目。三谷先生針對項目的整體構想說明到：「我們認為使用微細藻類，可以實現功能性食品、化妝品、服裝原料到飼料、肥料和燃料的生物煉製，為此展開了綜合研究」（圖2）。
圖2 生物質的生物煉製體系
就大米而言，不僅能作為米飯食用，其副產物的稻稈還可加工成從日用品到飼料、燃料等多種產品。由微藻生產多種高附加值產品的可能性變得寬廣。（供圖：Euglena公司）
「生物煉製」類似於石油煉製。在石油煉製中，原油作為單一原料在精煉過程中可生產出多種產品。這種從整體上提高原油生產效率的方法稱為「原油精煉」。同樣，「生物煉製」不僅可從生物質中提取SAF，還能通過同時生產出更具附加值的功能性食品、化妝品原料來確保整體的收益，從而有助於降低SAF的製造成本。開發項目以儘早實現SAF的實際應用為目標，涵蓋了從微藻的育種、培養、回收、油脂提取到殘渣利用等多個方面，開展了廣泛的技術開發。
將甜菜的廢糖漿作為營養源
培養含油率70%的小球藻
從微藻中提取油到底是否可行？就此，三谷先生解釋說：「植物油有芝麻油和菜籽油等很多種類。藻類也是進行光合作用的生物，基本上可以像植物一樣製造油脂和澱粉等物質。」藻類可以根據環境條件利用大氣中的CO₂生產營養素，並以澱粉或以油脂的形式進行儲存。如果控制得當，可以培育出大量積累油脂的藻類。
在項目後期，研究團隊提出了提升SAF生產規模的目標。首先，根據主要由國立環境研究所微生物系統保存設施（NIES Collection）收集的3000株微藻資料庫中篩選出來的藻株，採用重離子束照射和基因體編輯等多種方法，培育高油生產率的藻株。研究人員在戶外設施中對選育的小球藻藻株進行了大量培養，結果發現，截至2024年6月，其單位生物質含油率為66%，油脂生產量為每升培養液每天0.59克，小球藻藻株的產油量在戶外環境下的自營培養中達到了世界第一。
為了進一步利用這些藻株來提高生產效率，河野先生不僅研究了依靠光合作用進行培養的「自營培養」，還研究了添加生物質來源的糖進行培養的「異營培養」。作為糖源河野先生及其團隊重點嘗試了「甜菜」。甜菜是砂糖的原料植物，又稱紅菜頭或甜菜根，日本國内僅在北海道有種植。其年產量為400萬噸，是北海道第二大作物馬鈴薯的2.4倍。製糖過程中會產生未結晶的糖漿，河野先生因此想道：「有無方法可以有效利用這種廢糖漿（molasses）呢？」
可作為糖源用於微藻的糖類主要為葡萄糖和果糖，能夠利用砂糖主要成分蔗糖的藻類很少，小球藻也無法分解蔗糖。於是，河野先生嘗試用酸性水將蔗糖水解，並利用得到的葡萄糖和果糖培養小球藻。結果發現，與添加市售的廢糖漿相比，藻類的產量提升了兩倍以上。在添加這種糖源的異營培養中，小球藻的含油率可達70%（圖3）。但若油含量過高，小球藻就會漂浮在水面上，藻體無法很好地回收，因此細緻的調節很重要。
圖3 異營培養的小球藻顯微鏡照片
培養初期（a）可見發育的葉綠體和澱粉粒。培養中期～後期（b、c）中，發育的油體看似凸透鏡；在（c）中，含油量超過70%。輕壓蓋玻片將其碾碎後，油體從細胞中游離出來，一部分融合形成不規則形態（d）。
此外，有研究報告稱，雖然柵藻的含油率較低，但每升培養液的生物質卻高達286克，顯示出微藻異營培養的巨大潛力。河野先生表示：「我們已經證實，在SAF製造中，將能夠穩定地大量培養的異營培養和低成本的自營培養融合到一起是切實可行的。」甜菜不僅生產效率高，CO₂吸收量也很大，而且在製糖過程中必然會產生廢糖漿。目前，研究團隊正在與HOKUREN農業統合組合聯合會及日本甜菜製糖公司合作，進行以甜菜廢糖漿為糖源的微藻異營培養研究。
開發「非多孔性中空纖維透膜」
通過抑制CO₂的擴散降低成本
為了提高自營培養的生產效率並降低成本，中央大學理工學部人間綜合理工學科的山村寬教授與三菱化學公司合作，開發出了一種通過膜將光合作用所需的CO₂無浪費地溶解在水中的技術。戶外培養微藻時，藻類若隻從大氣中自然吸收CO₂無法提高生產效率，因此通常的做法是使用CO₂氣瓶或工廠廢氣將CO₂溶解在水槽中。對此，山村教授主導的一項研究發現，注入的CO₂中有80%～95%並未被吸收，而是重新回到了大氣中。
山村教授指出：「這樣一來，藻類的培養是否真能為碳中和做出貢獻就成了疑問，而且還增加了CO₂氣瓶等的額外的成本支出。」此外，預計2030年以後，由於日本國内石油化工廠的關閉，CO₂供應會減少，價格也會上漲。CO₂的有效利用在環境和成本兩方面都有好處，因此，山村先生等人致力於開發一種能夠將CO₂充分溶解於水中，徹底用盡不浪費也不返回大氣中的技術。
CO₂不僅難溶於水，而且具有液體濃度越高越容易擴散到大氣中的特點。研究團隊的目標是開發出一套克服這些物理定律的模組和供應系統。在開發過程中，研究人員發現不同藻類株對適合培養的CO₂濃度要求各不相同，於是研究團隊又將控制CO₂的量納入了開發目標。最終誕生的是一種類似細纖維集合體的非多孔性中空纖維透膜。將該膜浸入在培養槽中，並利用氣瓶供給CO₂後，實驗證實CO₂向大氣的擴散得到了有效抑制。
而且這種做法使得藻類吸收CO₂的量提高到了傳統方法的約4倍，採用外部循環法最高可將吸收比提高到36%（圖4）。據估算，僅此一項，就可以將每噸微藻產量的生產成本削減約30萬日元。研究團隊還實際使用工廠廢氣進行了戶外試驗，驗證了纖維膜的效果。目前，為了避免CO₂逸出到大氣中，實現更高效的利用，研究團隊正在進一步開發封閉循環培養裝置。
圖4 非多孔性中空纖維透膜提高了CO₂的利用效率
非多孔性中空纖維透膜的工作原理是CO₂氣體穿過分子級孔，通過分子擴散溶解在液體中。採用外部循環法後，擴散到大氣中的CO₂減少了15%。藻類的CO₂利用率，浸入法為21%，外部循環法為36%。
在聯盟中分配藻株
有望用於飼料開發等領域
除了高效培養適用於燃料的微藻類技術外，河野先生及其團隊還在從培養的藻類中高效提取油的技術方面取得了進展。研究確立了壓榨法、甲醇和甲基叔丁基醚 (methyl tert-butyl ether簡稱MTBE）萃取法、己烷萃取法三種方法，確認了所提取的油成分具有作為SAF原料的品質。研究團隊還在OPERA聯盟内部，建立了一種將國立環境研究所擁有的藻株二次分配給希望進行微藻應用研究的機構與企業的機制。由此，研究團隊在開發功能性食品、家畜飼料、水產品養殖飼料等方面取得了多樣化成果。
針對微藻的榨油殘渣和提取殘渣的有效利用方法，JST OPERA聯盟的研究團隊開發出了一種將殘渣與塑化劑混合製成強韌生物塑料和功能性奈米纖維製品的技術。從微藻中提取的油脂不僅在SAF製造方面頗具前景，作為食品油用途的潛力也很大。隨著橄欖油價格的飆升，小球藻油作為食用油的應用也備受期待。河野先生表示：「小球藻油的脂肪酸成分介於棕櫚油和橄欖油之間，因此也可以考慮先將小球藻油用於食用油，再從其廢油中提取SAF。」
三谷先生還舉例介紹說：「伴隨著微藻類產業規模的擴大，預計還會在淨化污水廢水、處理廢氣等領域得到應用，同時，微藻也可以轉化為生產適合飼料等的蛋白質。」河野先生還強調：「以單細胞海藻‘礁膜’為種株的陸上海藻養殖取得成功，將為日本的水產養殖業帶來新機遇（圖5）。」未來，通過非多孔性中空纖維透膜提供CO₂等技術創新預計將取得進一步發展，這不僅有助於CO₂減排，還將為藍碳研究提供新的視角。
圖5 滸苔的陸上養殖
2021年，理研食品在巖手縣陸前高田市開設了陸上養殖場，用於養殖近年來日本主要產地產量銳減的滸苔和礁膜。滸苔的生產銷售已開始，礁膜也被寄予厚望。在2022年度的業績中，養殖場根據戶外的季節變化控制水箱的肥料濃度、海水供給量和通氣量，生產出了乾重3.1噸的滸苔。如果換算為CO₂固定量，相當於固定了1噸碳或3噸CO₂。
2024年3月OPERA項目結束，但為了維持通過OPERA項目建立起來的社群，三谷先生與河野先生等人發起了「光合作用造物聯盟」。計劃通過該聯盟開展持續且具有戰略性意義的研發，積累業績，拓展微藻應用研究的涉及範圍。這不但有助於盡快實現SAF的實用化，還有望進一步開發出有效利用微藻的技術。（TEXT：櫻井裕子，PHOTO：石原秀樹）
原文：JSTnews 2024年10月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
