【导言】在推进能源低碳转型方面，生物质资源扮演着关键角色。如今，在日本备受期待的是通过光合作用生长、可用作多种产品原料的微细藻类（以下称“微藻”）。微藻过去一直被用作功能性食品和化妆品原料，但目前日本正在快速开发利用微藻生产生物基可持续航空燃料（SAF）的一系列技术。为此，我们采访了正在通过产学合作探索可能性的东京大学研究生院新领域创成科学研究科的三谷启志特任教授和河野重行名誉教授，以及中央大学理工学部人类综合理工学科的山村宽教授，了解他们取得的有关微藻的研究成果。
航空燃料低碳转型的王牌
当务之急是确立SAF生产体制
2024年，关于计划开通的新国际航线被取消以及取消增加航班数量的新闻见诸于报。其中的一个原因是日本国内无法确保充足的航空燃料。日本资源匮乏，能源主要依赖进口，在全球能源争夺战愈加激烈的背景下，日元贬值等因素使得日本持续在国际能源市场上购买失利。与此同时，减少航空燃料的二氧化碳（CO₂）排放量也是一个无法规避的课题。随着航空燃料低碳转型的要求日益紧迫，由生物质或废弃食用油等制成的 “SAF（Sustainable Aviation Fuel：可持续航空燃料）” 生物基航空燃料成为了备受瞩目的王牌。
由民间航空公司组成的国际航空运输协会（IATA）在2021年的年会上批准了 “到2050年实现CO₂净零排放” 的新目标，之后在2022年，由各国政府组成的国际组织——国际民间航空机构（ICAO）通过了 “到2050年实现CO₂净零排放” 的长期目标，由此情况产生了巨大变化。日本也设定了到2030年将国内航空公司燃料使用量的10%替换为SAF的目标。为此，确立SAF的生产体制对日本而言就成了当务之急。
SAF的商用化在日本正逐步展开。经济产业省预测日本的SAF使用量2030年将达到172万吨（图1），并提议SAF的供给目标要相当于2019年国内生产和供应的航空燃料温室气体排放量5%以上。要实现这一供给目标，就需要飞跃性增加SAF产量。在日本科学技术振兴机构（JST）的产学共创平台联合研究促进计划（OPERA）中，联合14所大学、4家国立研究机构和24家民间企业共同挑战该课题的东京大学研究生院新领域创成科学研究科的三谷启志特任教授和河野重行名誉教授警告称：仅靠个别企业的努力，无法快速建立起SAF的生产体制。
图1 航空业的CO₂排放量和对可持续航空燃料“SAF”的期望。日本国土交通省等部门基于航空运输行动集团（ATAG）的报告书“Waypoint 2050 2nd edition”对2050年航空需求的预估，估算了日本SAF的需求量。为了实现航空业到2050年净零排放的目标，SAF的实用化以及国内生产至关重要。（在Waypoint 2050的图表上添加了国土交通省航空局的柱状图）
通过 “生物炼制” 提高效率
从功能性食品到饲料及燃料
目前，全球流通的SAF主要为由甘蔗和玉米等原料制成的生物乙醇，日本的生物质资源不算丰富，废弃食用油等脂类原料也难以自给自足。因此，在以微藻为原料生产有用物质并创建整合这些物质的生物炼制工艺的有关项目中，近两年来研究重点放在了利用微藻生产SAF的研发上。
微藻指裸藻、小球藻等直径在5～50微米左右（1微米为100万分之1米）的微细藻类。这些藻类拥有叶绿体，只需阳光、水和CO₂就能进行光合作用生成有机物。此外，由于单位面积的产量有许多能高出种子植物一个数量级，所以微藻作为有用的生物质而受到瞩目。三谷先生针对项目的整体构想说明到：“我们认为使用微细藻类，可以实现功能性食品、化妆品、服装原料到饲料、肥料和燃料的生物炼制，为此展开了综合研究”（图2）。
图2 生物质的生物炼制体系。就大米而言，不仅能作为米饭食用，其副产品的稻秆还可加工成从日用品到饲料、燃料等多种产品。由微藻生产多种高附加值产品的可能性变得宽广。（供图：Euglena公司）
“生物炼制” 类似于石油炼制。在石油炼制中，原油作为单一原料在精炼过程中可生产出多种产品。这种从整体上提高原油生产效率的方法称为 “原油精炼”。同样，“生物炼制” 不仅可从生物质中提取SAF，还能通过同时生产出更具附加值的功能性食品、化妆品原料来确保整体的收益，从而有助于降低SAF的制造成本。开发项目以尽早实现SAF的实际应用为目标，涵盖了从微藻的育种、培养、回收、油脂提取到残渣利用等多个方面，开展了广泛的技术开发。
将甜菜的废糖蜜作为营养源
培养含油率70%的小球藻
从微藻中提取油到底是否可行？就此，三谷先生解释说：“植物油有芝麻油和菜籽油等很多种类。藻类也是进行光合作用的生物，基本上可以像植物一样制造油脂和淀粉等物质。” 藻类可以根据环境条件利用大气中的CO₂生产营养素，并以淀粉或以油脂的形式进行储存。如果控制得当，可以培育出大量积累油脂的藻类。
在项目后期，研究团队提出了提升SAF生产规模的目标。首先，根据主要由国立环境研究所微生物系统保存设施（NIES Collection）收集的3000株微藻资料库中筛选出来的藻株，采用重离子束照射和基因组编辑等多种方法，培育高油生产率的藻株。研究人员在户外设施中对选育的小球藻藻株进行了大量培养，结果发现，截至2024年6月，其单位生物质含油率为66%，油脂生产量为每升培养液每天0.59克，小球藻藻株的产油量在户外环境下的自养培养中达到了世界第一。
为了进一步利用这些藻株来提高生产效率，河野先生不仅研究了依靠光合作用进行培养的 “自养培养”，还研究了添加生物质来源的糖进行培养的 “异养培养”。作为糖源河野先生及其团队重点尝试了 “甜菜”。甜菜是砂糖的原料植物，又称红菜头或甜菜根，日本国内仅在北海道有种植。其年产量为400万吨，是北海道第二大作物土豆的2.4倍。制糖过程中会产生未结晶的糖蜜，河野先生因此想道：“有无方法可以有效利用这种废糖蜜（molasses）呢？”
可作为糖源用于微藻的糖类主要为葡萄糖和果糖，能够利用砂糖主要成分蔗糖的藻类很少，小球藻也无法分解蔗糖。于是，河野先生尝试用酸性水将蔗糖水解，并利用得到的葡萄糖和果糖培养小球藻。结果发现，与添加市售的废糖蜜相比，藻类的产量提升了两倍以上。在添加这种糖源的异养培养中，小球藻的含油率可达70%（图3）。但若油含量过高，小球藻就会漂浮在水面上，藻体无法很好地回收，因此细致的调节很重要。
图3 异养培养的小球藻显微镜照片。培养初期（a）可见发育的叶绿体和淀粉粒。培养中期～后期（b、c）中，发育的油体看似凸透镜；在（c）中，含油量超过70%。轻压盖玻片将其碾碎后，油体从细胞中游离出来，一部分融合形成不规则形态（d）。
此外，有研究报告称，虽然栅藻的含油率较低，但每升培养液的生物质却高达286克，显示出微藻异养培养的巨大潜力。河野先生表示：“我们已经证实，在SAF制造中，将能够稳定地大量培养的异养培养和低成本的自养培养融合到一起是切实可行的。” 甜菜不仅生产效率高，CO₂吸收量也很大，而且在制糖过程中必然会产生废糖蜜。目前，研究团队正在与HOKUREN农业协同组合联合会及日本甜菜制糖公司合作，进行以甜菜废糖蜜为糖源的微藻异养培养研究。
开发 “非多孔性中空纤维膜”
通过抑制CO₂的扩散降低成本
为了提高自养培养的生产效率并降低成本，中央大学理工学部人间综合理工学科的山村宽教授与三菱化学公司合作，开发出了一种通过膜将光合作用所需的CO₂无浪费地溶解在水中的技术。户外培养微藻时，藻类若只从大气中自然吸收CO₂无法提高生产效率，因此通常的做法是使用CO₂气瓶或工厂废气将CO₂溶解在水槽中。对此，山村教授主导的一项研究发现，注入的CO₂中有80%～95%并未被吸收，而是重新回到了大气中。
山村教授指出：“这样一来，藻类的培养是否真能为碳中和做出贡献就成了疑问，而且还增加了CO₂气瓶等的额外的成本支出。” 此外，预计2030年以后，由于日本国内石油化工厂的关闭，CO₂供应会减少，价格也会上涨。CO₂的有效利用在环境和成本两方面都有好处，因此，山村先生等人致力于开发一种能够将CO₂充分溶解于水中，彻底用尽不浪费也不返回大气中的技术。
CO₂不仅难溶于水，而且具有液体浓度越高越容易扩散到大气中的特点。研究团队的目标是开发出一套克服这些物理定律的模块和供应系统。在开发过程中，研究人员发现不同藻类株对适合培养的CO₂浓度要求各不相同，于是研究团队又将控制CO₂的量纳入了开发目标。最终诞生的是一种类似细纤维集合体的非多孔性中空纤维膜。将该膜浸没在培养槽中，并利用气瓶供给CO₂后，实验证实CO₂向大气的扩散得到了有效抑制。
而且这种做法使得藻类吸收CO₂的量提高到了传统方法的约4倍，采用外部循环法最高可将吸收率提高到36%（图4）。据估算，仅此一项，就可以将每吨微藻产量的生产成本削减约30万日元。研究团队还实际使用工厂废气进行了户外试验，验证了纤维膜的效果。目前，为了避免CO₂逸出到大气中，实现更高效的利用，研究团队正在进一步开发封闭循环培养装置。
图4 非多孔性中空纤维膜提高了CO₂的利用效率。非多孔性中空纤维膜的工作原理是CO₂气体穿过分子级孔隙，通过分子扩散溶解在液体中。采用外部循环法后，扩散到大气中的CO₂减少了15%。藻类的CO₂利用率，浸没法为21%，外部循环法为36%。
在联盟中分配藻株
有望用于饲料开发等领域
除了高效培养适用于燃料的微藻类技术外，河野先生及其团队还在从培养的藻类中高效提取油的技术方面取得了进展。研究确立了压榨法、甲醇和甲基叔丁基醚 (methyl tert-butyl ether简称MTBE）萃取法、己烷萃取法三种方法，确认了所提取的油成分具有作为SAF原料的品质。研究团队还在OPERA联盟内部，建立了一种将国立环境研究所拥有的藻株二次分配给希望进行微藻应用研究的机构与企业的机制。由此，研究团队在开发功能性食品、家畜饲料、水产品养殖饲料等方面取得了多样化成果。
针对微藻的榨油残渣和提取残渣的有效利用方法，JST OPERA联盟的研究团队开发出了一种将残渣与增塑剂混合制成强韧生物塑料和功能性纳米纤维制品的技术。从微藻中提取的油脂不仅在SAF制造方面颇具前景，作为食品油用途的潜力也很大。随着橄榄油价格的飙升，小球藻油作为食用油的应用也备受期待。河野先生表示：“小球藻油的脂肪酸成分介于棕榈油和橄榄油之间，因此也可以考虑先将小球藻油用于食用油，再从其废油中提取SAF。”
三谷先生还举例介绍说：“伴随着微藻类产业规模的扩大，预计还会在净化污水废水、处理废气等领域得到应用，同时，微藻也可以转化为生产适合饲料等的蛋白质。” 河野先生还强调：“以单细胞海藻‘礁膜’为种株的陆上海藻养殖取得成功，将为日本的水产业带来新机遇（图5）。” 未来，通过非多孔性中空纤维膜提供CO₂等技术创新预计将取得进一步发展，这不仅有助于CO₂减排，还将为蓝碳研究提供新的视角。
图5 浒苔的陆上养殖。2021年，理研食品在岩手县陆前高田市开设了陆上养殖场，用于养殖近年来日本主要产地产量锐减的浒苔和礁膜。浒苔的生产销售已开始，礁膜也被寄予厚望。在2022年度的业绩中，养殖场根据户外的季节变化控制水箱的肥料浓度、海水供给量和通气量，生产出了干重3.1吨的浒苔。如果换算为CO₂固定量，相当于固定了1吨碳或3吨CO₂。
2024年3月OPERA项目结束，但为了维持通过OPERA项目建立起来的社群，三谷先生与河野先生等人发起了 “光合作用造物联盟”。计划通过该联盟开展持续且具有战略性意义的研发，积累业绩，拓展微藻应用研究的涉及范围。这不但有助于尽快实现SAF的实用化，还有望进一步开发出有效利用微藻的技术。（TEXT：樱井裕子，PHOTO：石原秀树）
原文：JSTnews 2024年10月号
翻译：JST客观日本编辑部
