Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
フォトバイオリアクターのフォト イオリアクタ の開発プロセス効率化と性能予測法
東京大学大学院新領域創成科学研究科
海洋技術環境学専攻
佐藤 徹
微細藻類とは微細藻類とは
微細藻類とは
【CO2固定技術】【CO2固定技術】
1. 省エネルギー機器の開発、普及省 機器 開発、普及2. CO2の隔離、固定
2 1 物理的固定2.1 物理的固定2.2 化学的固定2.3 生物的固定 微細藻類
微細藻類とは水中の一次生産者であり、高い光合成能力を持つものもある。高 光合成能力を持 も もある。
森林 : 5gCO2/m2/day微細藻類培養 :50gCO2/m2/day
微細藻類の利用
有用微細藻類社会的利用価値の高 ものを体内に蓄積するため→社会的利用価値の高いものを体内に蓄積するため、ビジネス化も盛んである。
キートセラス: 不飽和脂肪酸ドナリエラ: βカロチンヘマトコ カス アスタキサンチン
食用、薬品
ヘマトコッカス: アスタキサンチンボツリオコッカス: 重油シュードコリシスティス: 軽油
化石燃料代替
ボツリオコッカス キートセラス
微細藻類の利用
アスタキサンチンアスタキサンチン
ビタミンEの約1000倍の抗酸化ビタミンEの約1000倍の抗酸化
能を持つ。ヘマトコッカスから抽
出される 商品価格 7万円/出される。商品価格:7万円/g
マイクロガイア社によるハワイの培養場
微細藻類の光合成
使用藻類:Dunaliella tertiolecta(緑藻)
緑藻は植物と同様、クロロフィルaとbを含む
βカロチンを生産
クロロフィルaとbが波長420~480nm、640~680nmの光に対して、強い吸収が見られる。したがって、青色と赤色は緑藻の光合成に有効強い吸収が見られる。したがって、青色と赤色は緑藻の光合成に有効
微細藻類の成長特性
光飽和と光阻害
フラッシングライト効果
グ• フラッシングライト(点滅光):光のon、off
– 光の明暗が周期的な場合をとくにDark-Light (DL)サイクル呼ぶ。
• フラッシングライトが当たると通常の連続光よりも光合成効率があがる
Photobioreactor内の藻類は攪拌されて不定周期の明暗のある光を受ける
フラッシングライト効果
• 古典的解釈
• 明暗比φと振動数ν
L
TTT
TT
1
• DL-cycleの効果の指標Λ
DL TT DL TT
分母分子
IPIP
IPIP
,,
分子 IPIP
Λが大きいとDL-cycleの効果が大
フラッシングライト効果
• 新しい解釈
明反応 光化学反応であるため、反応速度はμsのオーダー
暗反応 酵素反応であるため、反応速度はmsのオーダー暗反応 酵素反応であるため、反応速度はmsのオ ダ
カルビンサイクルカルビンサイクル
フラッシングライト効果
実験
Chaetoceros gracilisChaetoceros gracilis
1時間後に酸素電極により
酸素増加量を測定
フラッシングライト効果
IPIP
IPIP
,,
IPIP
分母分子
フラッシングライト効果
• 使用藻類:Dunaliella tertiolecta使用藻類:Dunaliella tertiolecta• LED照明パネルを使用(赤3:青1)• 光量子量144.0、236.8(μmolE m-2 s-1)• V: 100 1000 2500 5000(Hz)• V: 100,1000,2500,5000(Hz)
φ: 30,50,70(%)、連続光• 温度;25.0±1.0℃
藻類濃度 0 1608 /L(乾燥重量)• 藻類濃度:0.1608g/L(乾燥重量)• 培養時間:1h• 活性酸素の増加量を測定
フラッシングライト効果
生産効率
エネルギー効率(実際に当てた光の量あたりの光合成量の連続光との比較)
I=144.0μmol Em-2 s-1 I=236.8μmol Em-2 s-1
フォトバイオリアクターの機能フォトバイオリアクタ の機能
フォトバイオリアクターの機能
ドーム型バイオリアクター
AIR
CO2 AIR
トレイン
CO2
AIR
AIR
フォトバイオリアクターの機能 性能に影響を与える要素
・受光量
攪拌 全体攪拌 攪拌 }バイオリアクター形状による・攪拌(全体攪拌、局所的攪拌)
・培地環境(温度、pH、栄養素etc)・・・藻類による
} イオリアクタ 形状による
受光量、攪拌培地環境 受光量、攪拌培地環境
?培養する藻類 形状
生産性?培養する藻類 形状
生化学的 工学的
バイオリアクターの無機的イオリアクタ 無機的性能評価法の確立が必要
積算受光量計算
光合成 受光量が大きいほど光合成速度(成長率)大きい光合成:受光量が大きいほど光合成速度(成長率)大きい
受光性能 → 全体性能の一つの基準
緯度 季節による太陽の運動
受光性能 体性能 準
α
θα
緯度、季節による太陽の運動をモデル化
N
β λ
α0バイオリアクターの受光面に入射する光強度を時間ごとに計算 1日の積算受光量 Nに計算、1日の積算受光量を算出
→様々なバイオリアクター形状の受光性能を比較
dS積算受光量計算
太陽位置モデル式
)cos)sin(cossin)(cos(sin 00001
太陽高度λと方角β
0000
)cos
sin)cos((sin 01
α:想定点の南中高度
α :90°-(想定点の緯度)cos α0:90 -(想定点の緯度)
(日本ではα0=55)
これを日の出から日没まで積分これを日の出から日没まで積分
I(λ,β,S):微小受光面に入射する太陽光強度dSdSI
日没
積算受光量 ),,(dS:微小受光面の面積
dSdSI 受光面積日出
積算受光量 ),,(
季節、緯度を考慮した任意形状の積算受光量の算出が可能
積算受光量計算
例) 各形状の1日の積算受光量計算結果
(1基を単位面積に設置 日本 北緯35°において)
パネル型 3.5パネル型
2
2.5
3
受光
量
パネル
ドーム型 12月 3月 6月0 5
1
1.5
2
積算
受 ドーム
かまぼこ
9月0
0.5
30 40 50 60 70 80 90
南中高度
かまぼこ型
南中高度
積算受光量計算
より実際的な受光量計算モデルより実際的な受光量計算モデル
大規模プラントにおける受光性能 空間
バイオリアクター相互の影の影響により受光性能低下
2 5
2
2.5
量
パ
→ 適度な間隔が必要
単独状態とは違った比較結果
1
1.5
積算
受光
量
パネル
ドーム
かまぼこ
比較結果
0
0.5
30 40 50 60 70 80 90
太陽高度
攪拌と生産性の関係
全体攪拌 局所的攪拌(渦)全体攪拌 局所的攪拌(渦)
受光面受光面
渦
局所的攪拌イメージ全体攪拌イメージ 局所的攪拌イメ ジ全体攪拌イメ ジ
この2種類の攪拌を分離して考える
攪拌と生産性の関係
全体攪拌
光、栄養素、CO2などを均一に行き渡らせる
培地の均一化培地の均 化
滞留する場所の存在生産性の
→ 培地の不均一
藻類の壁面付着等
生産性の低下
藻類の壁面付着等
AIR全体攪拌:性能低下を防止する役割
バイオリアクターの全体形状に大きく影響される可視化
→ 一般的な全体攪拌の数値モデル化は困難可視化
攪拌と生産性の関係
ドーム型バイオリアクターを用いた可視化実験ド ム型バイオリアクタ を用いた可視化実験
(目的、観測項目)
・トレーサー実験
全体攪拌の状態全体攪拌の状態
滞留の有無、渦の生成の有無
・タフト実験
全体攪拌による対流全体攪拌イメージ
全体攪拌による対流
内層と外層の流れの相違
攪拌と生産性の関係
トレーサー実験
暗幕→トレ サ 実験
・実験方法↑
培地内にトレーサーを入れて魚眼レンズで内部から撮影
ドーム カメラ(魚眼レンズ)
AIR
スケッチ例
攪拌と生産性の関係
タフト実験
・実験方法
内部に3色のタフトを設置しトレー内部に3色のタフトを設置しトレサーと同様に魚眼レンズで撮影
タフト設置位置
タフトイメージ
攪拌強化実験-培養装置
攪拌強化実験-培養条件
温度:15~20℃温度 5 ℃
pH:7.0~8.5
流量AIR流量:40L/min
攪拌方法:従来の攪拌方法
新しい攪拌方法
培地:右表
攪拌強化実験-実験結果
攪拌強度 空気流量 40 L/min
空気流量 70 L/min
成長速度(平均)
0 0532g/L/day 0.195g/L/day0.0532g/L/day 0.195g/L/day
点吹き出し回転成長速度
2点吹き出し回転流れ(新考案による 方法)
0.0566g/L/day攪拌強度の増加 → 生産性の向上
攪拌が生産性に大きく影響を与えることが確認された
新規フォトバイオリアクターの開発新規フォトバイオリアクタ の開発
目的関数と制約条件
培養方法培養方法
ソフト面 ハード面農学
工学ソフト面 ハード面
・培養液培養温度
・培養規模装置形状
学的視
学的視・培養温度
・適正pH等
・装置形状視点
視点
新規形状高効率バイオリアクター新規形状高効率バイオリアクタ
目的関数:設置面積あたりの収穫量目的関数:設置面積あたりの収穫量制約条件:設置面積あたりの気体注入量
フォトバイオリアクターの機能
機能 構成要素
注入気体
ドレインコック気体注入孔容器
気体抜穴
pH調節
温度調節
受光 攪拌
藻類種
注入気体
栄養塩厚さ
気体抜穴温度調節
局所攪拌
全体攪拌水の保持
水 温度調整水形状局所攪拌
乱流曲面/平面
乱流ゲルトラー渦
複雑に絡み合っている物事を「機能」と「構成要素」に
関してanalysis ⇒ 改善したい機能をsynthesis関してanalysis ⇒ 改善したい機能をsynthesis
発明のプロセス
特許
新
機能別シミュレ ション許
調査
新規形
シミュレーション
受攪培形状形
状の
受光機
攪拌機
培養実
状
選発明
の提案
機能
機能
実験
選抜
明手法
案
法
特許調査
目的 重複した発明を回避• 目的:重複した発明を回避
• 過去の特許例過去 特許例
発明手法
• 既存発明手法例:TRIZ [TechOptimizer]– 機能を抽象化し、全く別の物に類似性を見出す
– データベースとして過去の特許を利用
– 〈改善特性〉×〈悪化特性〉=矛盾解決〈発明原理〉
• 今回の手法
– データベースの代わりにブレイン・ストーミングデ タ スの代わりにブレイン スト ミング
バイオリアクターに適用
新規フォトバイオリアクターの開発
既存形状 ドーム型
・受光機能「日立の木」のイメージ
・「かど」がない滞留が起こらない
・ゲルトラー渦曲面による局所攪拌
・攪拌機能機械的な動き・トレイン 曲面による局所攪拌機械的な動き・トレイン
新規フォトバイオリアクターの開発
パイプ型
・「かど」がない滞留が起こらない
・強度に難点のあるかまぼこ型を改善
F
空気注
・攪拌機能循環する一方通行流れ
・ゲルトラー渦曲面による局所攪拌
注入
循環する 方通行流れ 曲面による局所攪拌
新規フォトバイオリアクターの開発
パラボラ型
・受光機能パラボラアンテナのイメージ
・「かど」がない滞留が起こらない
空気注
・受光機能採光用ドームのイメージ
・ゲルトラー渦曲面による局所攪拌
注入
採光用ド ムのイメ ジ 曲面による局所攪拌
新規フォトバイオリアクターの開発
ダイヤ型
・かどに滞留する平板型を改善
・平板は安価コスト面の魅力
空気注
・攪拌機能循環する一方通行流れ
注入
循環する 方通行流れ
新規フォトバイオリアクターの開発
逆ドーム型
・既存形状ドーム型を利用するコストの安さ
・「かど」がない滞留が起こらない
空気注
・逆転の発想ドーム型を反転
・ゲルトラー渦曲面による局所攪拌
下点注入
ド ム型を反転 曲面による局所攪拌
新規フォトバイオリアクターの開発
比較対象比較対象
新規4形状
新規フォトバイオリアクターの開発
• 受光機能
1 太陽の日変化による日射角度の変化1.太陽の日変化による日射角度の変化
2.大気透過による減衰
太陽方向培養液厚さによる減衰
α θα3.太陽方向培養液厚さによる減衰
kcxII exp
Nβ λ
α0
光量子量を1日分積算
kcxII exp0
I 0
光量子量を1日分積算
培養液I01日積算総受光量
x
新規フォトバイオリアクターの開発
設置面積1aあたり受光量の1日変化1 あたり受光量 1日積算値
受光量評価(光量子量積算)設置面積1aあたり受光量の1日変化
8 E-03
9.E-03
パラボラ
1aあたり受光量 1日積算値
4.5E-02
5.0E-02
6.E-03
7.E-03
8.E 03
規化
]
パイプ
ドーム
ダイヤ
設置面積1aあたり受光量の1日変化
8.E-03
9.E-03パラボラ
パイプ3.5E-02
4.0E-02
化]
4.E-03
5.E-03
量子
量[正
規 ダイヤ
5.E-03
6.E-03
7.E-03
正規
化]
パイプ
ドーム
ダイヤ
2 0E 02
2.5E-02
3.0E-02
子量
[正規
化
1 E-03
2.E-03
3.E-03
光量
2 E 03
3.E-03
4.E-03
5.E 03光
量子
量[
1.0E-02
1.5E-02
2.0E-02
光量
子
0.E+00
1.E 03
6 8 10 12 14 16 180.E+00
1.E-03
2.E-03
6 11 160.0E+00
5.0E-03
ボ プ ダ時刻[時]6 11 16
時刻[時]パラボラ パイプ ドーム ダイヤ
新規フォトバイオリアクターの開発
攪拌機能• 非構造格子CFD
二相流モデル
• 攪拌評価パラメータの考案
パイプ型 パラボラ型
• 攪拌評価パラメータの考案
染料(乱数)拡散
光量子拡散
流動物質の標準偏差:小⇒ 攪拌力:大
ダイヤ型 逆ドーム型
攪拌力 大
ドーム型
新規フォトバイオリアクターの開発
拡散の式:攪拌評価1(染料拡散)
拡散の式:
t
j
CS
CutC
jctjj
j xSxxt
00
erRandomNumbLC
C:染料 とみなす
0
液相の流れによって拡散
標準偏差標準偏差
1位 パラボラ型1位 パラボラ型
新規フォトバイオリアクターの開発
拡散の式:
攪拌評価2(光量子拡散)
拡散の式:
t
j
CS
CutC
jctjj
j xSxxt
kII
LC
00
C:光量子量 とみなす
kcxII exp0
液相の流れによって拡散
標準偏差標準偏差
正規化1位 パラボラ型1位 パラボラ型
新規フォトバイオリアクターの開発
受光性能 1位受光性能 1位
シミュ攪拌性能 1位レーシ
攪拌性能 1位
ション
比較対象比較対象
新規4形状
新規フォトバイオリアクターの開発
培養実験実験形状:パラボラ型・パイプ型・ドーム型
期日:2001年1月12日~1月24日
場所: 静岡県磐田市
培養藻類:クロロコッカムリトアレイ
新規フォトバイオリアクターの開発
パイプ型 ドーム型 パラボラ型
新規フォトバイオリアクターの開発
実験条件培養液量 ド ム型 130L パイプ型 70L パラボラ型 70L• 培養液量:ドーム型 130L;パイプ型 70L;パラボラ型 70L
• 気体注入量:
ド ム型 60L/分 パイプ型 31L/分 パラボラ型 31L/分ドーム型 60L/分;パイプ型 31L/分;パラボラ型 31L/分• 気体注入時間:AM6:00-PM6:00• 培地:MC培地 人口海水を使用• 培地:MC培地 人口海水を使用
• 初期濃度:1.0g/L• 設置方角:真南向き 人口海水 成分表設置方角:真南向き
• 温度調整設定温度:25℃人口海水 成分表
薬品名 薬品量 薬品名 薬品量 NaCl 35.1g/L MgSO4・7H2O 6.6g/L
MgCl2・6H2O 5.6g/L CaCl2・2H2O 1.5g/LMC培地 成分表
薬品名 薬品量 薬品名 薬品量 KNO3 1.25mg/L A5-solution 1mL/L
KH2PO4 1.25mg/L Fe-solution 1mL/L
KNO3 1.0g/L KH2PO4 0.07g/LEDTA・2Na 18.6mg/L FeCl3・4H2O 2.4mg/L
ZnCl2 4mg/L H3BO3 60mg/LCoCl2・6H2O 2mg/L CuCl2・2H2O 4mg/L
MC培地 成分表
gMgSO4・7H2O 1.25mg/L 50%希釈人口海水 1000ml
g gMnCl2・4H2O 40mg/L (NH4)6Mo7O24 37mg/L
新規フォトバイオリアクターの開発
設置面積算出法
1200100
南北方向
12
00
1 南北方向1m間隔
東西方向
10
00
東西方向小限の間隔
(形状固有)(形状固有)
新規フォトバイオリアクターの開発
実験結果実験結果
2.3
2.5
パラボラ
プ
濃度上昇速度1.9
2.1パイプ
ドーム
グラフにおける「傾き」
パイプ: 6.1mg/Lh1.5
1.7
濃度
[g/L]
g/ドーム: 4.3mg/Lhパラボラ:3.6mg/Lh
0 9
1.1
1.3濃
0 5
0.7
0.9
0.5
0 50 100 150 200 250 300
経過時間[h]
新規フォトバイオリアクターの開発
培養成績評価
• 設置面積1aあたりの藻体生産量 A×B
占有面積 A.設置台数 濃度上昇率 B.藻量増加 A×B全藻量増占有面積 設置台数 濃度 昇率 藻 増 藻 増加
パイプ 1.50m2/台 66.7台/a 6.1mg/L・h 427mg/台・h 28.5g/a・h
ド ム 2 86 2/台 35 0台/ 4 3 /L h 516 /台 h 18 1 / hドーム 2.86m2/台 35.0台/a 4.3mg/L・h 516mg/台・h 18.1g/a・hパラボラ 1.56m2/台 63.7台/a 3.6mg/L・h 252mg/台・h 16.1g/a・h
基準:設置面積あたり気体注入量
プ• パイプ型が も優秀
• 攪拌性能の高かったパラボラ型は苦戦
新規フォトバイオリアクターの開発
実験後の装置(藻類付着)
前面下部外側 底部から5cmに一周 付着物なし前面下部外側 底部から5cmに 周 付着物なし
新規フォトバイオリアクターの開発
実験後の装置(藻類付着)
CFD速度ベクトル図 実験での流れと藻類付着
新規フォトバイオリアクターの開発
攪拌性能 1位
培
攪拌性能 1位
生産量 1位培養実
シミュ
生産量 1位
実験レ
ーシ
受光性能 1位
ション
比較対象高効率 なバイオリアクターを発明
比較対象高効率 な イオリアクタ を発明
パイプ型:ドーム型対比57%upの生産量
新規4形状
フォトバイオリアクターの性能 法 開発性能予測法の開発
性能予測法の開発
Virtual Photobioreactor
適培養条件気液二相流CFD
微細藻類挙動
適培養条件の予測
受光履歴光合成モデル
濃度別・光量別の微細藻類モデル増殖の予測
性能予測法の開発
対象リアクター
性能予測法の開発
気液二相流CFD
性能予測法の開発
微細藻類挙動の予測法
微細藻類は質量・体積のない点とし微細藻類は質量 体積のない点とし、Photobioreactor内の液相の流れに沿うものとする。
格子の各頂点の液相速度
から微細藻類速度を内挿
dd 2
Subgrid Scaleの渦をRandom Walkモデルで表現
dtKadtuxx nn 21
dtKadtvyy nn 21
dtKadtwzz nn 21
性能予測法の開発
微細藻類挙動の予測
600秒間(約20周)を計算)( k d
繰り返して使用)exp(0 kCdII
性能予測法の開発
微細藻類増殖の予測
Yoshimoto et al.(2005)による、生理学に基づいたFLEを表現できる光合成 デルを使用できる光合成モデルを使用
対象藻類は
様々な濃度での単位時間での成
Chaetoceros calcitrans
様々な濃度での単位時間での成長量を出力する。それらをもって成長曲線を作り、増殖を予測する。
性能予測法の開発
結果: 適培養濃度・成長曲線
70800
r)
藻類濃度毎の単位時間当たり増加重量
成長曲線
30
40
50
60
trat
ion
of A
lgae
ion
cells
/ml)
400
600
f inc
reas
e(m
g/ho
urI=1200μE/m2/s
0
10
20
0 200 400 600 800 1000
Con
cent
(mill
i
0
200
0 10 20 30 40 50 60 70 80C t ti f Al ( illi ll / l)
Wei
ght o
fI=1200μE/m /s
Time(s)Concentration of Algae (million cells/ml)
600
800
mg/
hour
)
40
Alg
ael)
200
400
600
ght o
f inc
reas
e(m
10
20
30
ncen
trat
ion
of A
(mill
ion
cells
/ml
I=300μE/m2/s
00 10 20 30 40 50 60 70 80
Concentration of Algae (million cells/ml)
Wei
g
0
10
0 200 400 600 800Time(hour)
Con
性能予測法の開発
検証:実験値との比較 考察:連続光との比較検証:実験値との比較
800ith FLE
考察:連続光との比較
700
ase(
mg/
hour
) with-FLE
without-FLE藻類濃度 (g/l)
乾燥重量増加(mg/h)
計算値実験値
600
eigh
t of i
ncre
a計算値値
1.00 431 408
5000 5 10 15 20 25 30
Concentration of Algae (million cells/ml)
We
1.25 425 372
Concentration of Algae (million cells/ml)
I0=1200μE/m2/sを照射した場合、実験値はSato, et al. (2005)によるChl litt l のもの
0 μ5%の成長量の増加るChlorococum littoraleのもの
微細藻類培養コストと削減CO2削減コスト
微細藻類培養コスト
試作機の開発培地
チューブ型連続式フォトバイオリアクター Air
Pump培地の流れPump
Unit流れ
実験室用にスケールダウンし設計した。
①連続式
収穫
①人手がかからない自動的なシステムである。
②チューブ②チュ ブ流量を保つことで循環時間を設定することができ、実験用としてパラメータの抽出が容易である。
微細藻類培養コスト
試作機の開発reactor
高さ
ライザー管径D m 0.1
ライザー管高さH m 1
チューブ径d m 0 02高さ1m
幅1.8m
チュ ブ径d m 0.02
チューブ長さl m 159.2
チューブ部分体積V m3 0.05
光合成時間T h 1 042光合成時間T h 1.042
COMPR効率ζ 0.5
エアーリフト効率η 0.0856
ブチューブ分流速U m/s 0.0424
ライザー管流速v m/s 0.0017
チューブ部分Re 848.8
ライザー管Re 169.8
チューブ部分λ 0.0790
ライザー管λ 0.1593
エアーリフトポンプ 温調(水冷)エアー流量Qair m^3/s 8.986E-06
微細藻類培養コスト
必要な設備
微細藻類培養効率
実験条件Trace Element Solution
培地組成
H3BO4 7mg
MnSO4・7H2O 15mg
ZnSO4・7H2O 30mg
培地流量、溶存酸素量はエアー流量によって、pHはCO2投入量によって、適切にコントロ ルした
ZnSO4 7H2O 30mg
CuSO4・5H2O 30mg
Na2MoO4 0.3mg
CoCl2 7mg
適切にコントロールした。
光量子量(チ ブ面上で測定) Deionized Water 100mL
A5 constituents① ②ポイント 光量子量
① 92 88
光量子量(チューブ面上で測定)
NaNO3 1500mg
MgSO4・7H2O 100mg
K2HPO4 45mg③ ④
① 92.88 ② 130.34 ③ 368.42 K2HPO4 45mg
KH2PO4 35mg
Fe-EDTA 12mgCaCl2・2H2O 9mg⑥⑤
④ 371.52 ⑤ 99.69
Trace Element Sol. 1mL
Deionized Water 1LpH 7.5
⑥ 117.96
微細藻類培養効率
1 214日後~15日後で増殖速度が 高
実験結果
藻類増殖曲線
0 8
1
1.2
L)
増殖速度が 高0.4(g/L)→1.12(g/L)
0 4
0.6
0.8
類濃
度(g
/
比増殖速度 (1/h)
dtdC
C
1
0
0.2
0.4藻 dtC増殖速度を平均濃度で割ったものとすると0
8 10 12 14 16
経過日数)/76.0( LgC
先行研究での 適条件における
039.0先行研究での 適条件における試験培養結果では
044.0 )/275.3( LgC 044.0 )( g15日後のチューブ
の様子
微細藻類培養コスト
藻類収穫量の計算法
Q1
Point Aでのマスバランスより
12212 )( CQCQQ
藻類収穫量 計算法
a
Point A CC
Point A~Bでの藻類の成長は
Point A
Point B
Q2Q2-Q1 TTCCCC
221
12
リアクターの体積をV(m3)とすると
b
Point B
Q260 Q
VT
( )
bQ1以上の関係式から、藻類収穫量を次のように表した。
),,( 212 QVfQC
微細藻類培養コスト
仮定 biomass production
項目 単位 値
敷地面積 m^2 9000敷地面積 m 2 9000
リアクター設置面積 m^2 4.5
培養時間 min 127500
クタ 台数 台リアクター台数 台 2000
リアクター体積 L 50
エアーリフト空気流量(1台) L/min 70
南中時に直接光があたるのを防ぎ ま エアーリフト空気流量(1台) m^3/s 0.001167
エアーリフト空気流量(total) L/min 140000
エアーリフト空気流量(total) m^3/s 2.333333
南中時に直接光があたるのを防ぎ、また太陽光の弱い日の出・日の入前後に効率よく受光するために、リアクターを南北方向に地面と垂直に並べる
COMPR 大吐出能力 L/min 3700
COMPR台数 台 38
培地供給・収穫量(1台) L/min 0.366658
南北方向に地面と垂直に並べる。
培養時間は国内のある地域の日照時間 培地供給 収穫量(1台) L/min 0.366658
温度調節用水量(1台) L/min
培地供給・収穫量(total) L/min 1466.633
温度調節用水量(total) L/min
のデータを利用。日照とは、直射光の直達日射量が120W/m2( 240μmol/m2に相
当)以上の場合をいう。対象藻類の光飽和は 2な 時
温度調節用水量(total) L/min
ポンプ吐出量 L/min/1台 90
ポンプ台数 台 17
和は100~400μmol/m2なので、日照時間を培養時間とする。
微細藻類培養コスト
イニシャルコスト
項目 単位 値
維持費用
項目 単位 値項目 単位 値
リアクター単価 ¥/unit 78,620
リアクター費用 ¥ 157,239,449
項目 単位 値
培地(供給分) ¥/year 8,287,332
エネルギー単価 ¥/kWh 11
温室 ¥ 200,000
COMPR単価 ¥/unit 2,000,000
COMPR費用 ¥ 76 000 000
エネルギー料金(total) ¥ 662,768
メンテナンスコスト ¥/year 4,902,989
廃水処理単価 ¥/L 0 065COMPR費用 ¥ 76,000,000
遠心機単価 ¥/unit 3,150,000
遠心機費用 ¥ 3,150,000
廃水処理単価 ¥/L 0.065
廃水処理(total) ¥/year 5,386,766
計 ¥/year 19,239,854
ポンプ単価 ¥/unit 50,000
ポンプ費用 ¥ 750,000
重力沈殿装置単価 ¥/unit 200 000
償却年数 year 20
年間費用 ¥/year 31 497 326重力沈殿装置単価 ¥/unit 200,000
重力沈殿装置費用 ¥ 7,800,000
培地単価 ¥/L 0.1
年間費用 ¥/year 31,497,326
培地 ¥ 10,000
計 ¥ 245,149,449
CO2削減コスト
運用コストイニシャルコスト
排出量削減量
運用コスト償却年数固定コスト
222 COCO
CO
支出システム全体のイニシャルコスト
全体 維持
CO2削減残渣によるバイオマス発電
システム全体の維持・メンテナンスコストシステム運用に必要なエネルギー購入 CO2排出
システム運用に必要なエネルギー
CO2削減コスト
CO2削減量 CO2排出量CO2削減量
項目 単位 値
藻類濃度 g/L 3.275
培地回収量(1台) L/ i 0 3250
CO2排出量
項目 単位 値
COMPR必要エネルギー W/1基 0.0881
COMPRエネルギ 効率 0 5培地回収量(1台) L/min 0.3250
培地回収量(total) L/min 650.0
培地収穫量(年間) m^3/year 82873.3
COMPRエネルギー効率 0.5
COMPR必要エネルギー(年間) kWh/year 748.6
重力沈殿装置容量(1台) L/台 10000
藻類収穫割合 0.95
藻類収穫量(時間当たり) g/min 2022.3
藻類生産量(年間) g/year 2.714E+08
重力沈殿装置台数 台 39
濃縮後培地量(1日) L 38999.2
沈殿装置必要エネルギー kWh/m^3 0.068
藻類収穫量(年間) g/year 2.578E+08
藻類内C割合 0.51
藻類成長によるCO2固定量 kgCO2/year 507536.9
沈殿装置必要エネルギー(total) kWh 5635.4
遠心機能力(1日あたり) m^3/day 35.88
遠心機台数 台 1
バイオマスエネルギー原単位 MJ/t 15000
残渣発電量 kWh/year 1.074E+06
電力係数 kgCO2/kWh 0.555
遠心機必要エネルギー(1m^3) kWh/m^3 13
遠心機必要エネルギー kWh/year 53867.7
total必要エネルギー kWh/year 60251.6電力係数 kgCO2/kWh 0.555
残渣発電によるCO2固定量 kgCO2/year 596301.8
CO2削減量 ton/year 596.3
total必要 ネルギ kWh/year 60251.6
必要エネルギーによるCO2排出量 ton/year 33.4
CO2収支(削減量) ton/year 562.9
CO2削減コスト
太陽光発電との比較
CO2削減コスト ¥/ton 55 959
今回の試算
CO2削減コスト ¥/ton 55,959
太陽光発電
設置単価 円 700,000年間発電量 kWh/year 1000償却年数 year 20累積発電量 kWh 20000累積発電量 kWh 20000発電単価 \/kWh 35電力係数 kgCO2/kWh 0.555エネルギー単価 \/kWh 11エネルギ 単価 \/kWh 11コスト差額 \/kWh 24CO2削減コスト \/tonCO2 43243.24324
CO2削減コストはCO21トン当たり太陽光は43,000円、微細藻類は56,000円