「ＲＳＰ事業だより」単細胞藻の濃塩海水による培養と外被多糖の生分解性プラスチック化

独立行政法人　科学技術振興機構による
地域研究開発促進拠点支援（RSP）事業です。

　生分解性プラスチック原料としての海産性単細胞藻を2立方メートルのタンクで、濃厚塩濃度の海水を用いて天日開放栽培する場合に必要な炭酸ガス（空気）の供給と、凝集/付着を低減させて藻の分散を良くするための撹拌とを、極めて少ない電気の使用によって同時に可能にする仕組みをタンク内に組み込むことに成功しました。
生分解性プラスチックの原料となる海産性単細胞藻の多糖外被は短時間の加温あるいは酸性化で容易に剥離します（特許公開中）が、単離される多糖外被から純粋の多糖成分を精製する方法を開発しました。精製多糖（ハプトース）はCaイオン存在下にはゲル化しますが、 Caイオンを除くと低粘度の溶液となり、容易に乾燥/粉体化できます。この性質は次段階の化学修飾における手段/試薬の選択を容易にします。

単細胞藻の濃塩海水による培養と外被多糖の生分解性プラスチック化

高知工科大学　総合研究所　教授　向畑　恭男氏

　今世紀内の枯渇がささやかれる化石資源を使って、その原料費の安さと加工性の良さ故に大量に生産され、不要となって焼却すれば有害物を生成し、廃棄/埋立するとその安定性が仇となってゴミ公害の根源となるプラスチックを、単細胞海藻 Phaeocystis sp.が持つ寒天様の外被多糖から製造するラインを創ることを目的として開発しました。

　このラインが完成すれば、藻は地球温暖化の元凶の1つである大気中の炭酸ガスを光合成作用によって固定して生長/増殖し、得られた藻の外被多糖から合成され、使用されたプラスチックはその生分解性によって廃棄/埋立られても土中の微生物によって分解されて水と炭酸ガスに戻るという、将来の地球環境にとって好ましいシステムを提供します。

　このラインの完成には①原料を供給する単細胞海藻が簡単に安価に大量栽培できるか、②その単細胞海藻から得られた多糖外被を如何に容易に、安価に汎用性の高いプラスチックに加工できるかと云う2点が問題となります。

①では天日開放条件で大量栽培する場合、栽培タンクに混入して目的藻と競合したり、目的藻を補食する様な海洋性微生物を駆除することが要求されます。そのためには栽培海水の塩濃度を上げて有害生物が混入した場合でも目的藻の優位性が保たれるように目的藻に高塩濃度耐性を付与することが望まれます。実験室では高塩濃度海水中での馴化の結果、現在使用する藻は1.7倍海水中で正常に生育し、この馴化藻を実際の天日開放条件で大量に栽培出来るようにすることが求められました。
②では大量栽培した目的藻から剥離した外被多糖に、水不溶性をする化学修飾をすると同時に可塑性、加工性と、製品プラスチックに汎用性を与える物性を付与することが求められます。化学修飾は多糖粉体を用いる方が試薬/反応法に選択範囲が広いが、ゲルとして得られる外被多糖を粉体にするエネルギーコストを考えますと、濃厚ゲルを用いた水の存在下の疎水化修飾を開発することが求められました。

原料藻 Phaeocystis sp. の顕微鏡写真
背景に墨汁を加えて藻の細胞を囲んでいる多糖外被(白く見える)を際立たせてあります。それぞれの中央の輪郭のある粒(黄色っぽい)が藻の細胞で直径4～6um。多糖外被と細胞の乾燥重量の比はほぼ1:1で、多糖は殆どGlcとXylとから成りGlc:Xyl = 1:1であります。

天日開放大量栽培のための栽培タンクシステムの開発

　南国市下島に設置したハウスに2立方メートルの栽培タンク（直径2m深さ1m）30基を置いて天日開放大量栽培の実験プラントとし、高塩濃度海水を汲み込み、 Phaeocystis sp.を植えました。将来の日本～世界各地での大量栽培（1,000基～）を想定して考慮した条件は

タンク内の海水に炭酸ガスを十分供給できること

タンク内の海水を効率よく撹拌できること

タンク当りの使用電力を出来る限り抑制すること

維持管理のしやすいタンク、システムであることでありました。

　試行錯誤の結果この条件に適合するものとして選択したのは以下の2法です。

①タンク内壁の対称位置に取り付けた小型水中循環ポンプ2基と、それを介して微細な気泡を発生させるための小型ブロワー1基のセット。水中循環ポンプ2基の消費電力は50wでブロワー1基は40wですが、通気は3相電動機駆動の大型ブロワーを分岐して供給することにすればランニングコストダウンが期待できます。
②タンク内壁に取り付けたヒレを介して散気管から上昇する空気の泡に流れを作って、それに添う水流で回転流を作ります。ブロワーは①の約2倍の能力が要求されます。

　現在両者について半径を含む水柱断面での水流の強度分布と実際の栽培効率等について検討を重ねています。また栽培単位として2立方メートルタンクを選んだことの妥当性を検討しています。

多被多糖からの純ハプトース調製と意義

　Phaeocystis sp.から加温あるいは酸性化によって剥離される多糖外被（粗ハプトース）は半量が多糖で、残りは灰分（主としてCa）、セルロースと微量のタンパク質と脂質から成っていますが、見かけは無色透明のゲルです。粗ハプトースは携帯型簡易浄水剤“水澄し”や生分解性プラスチックの原料としてきましたが、保水性が強く低濃度までゲル状なので、噴霧乾燥等によって容易には粉体化することができなかった。
　ある条件で無色透明の粗ハプトース溶液を処理すると繊毛状の沈澱が生じました。上清には糖以外の成分は検出されず、ゲル濾過クロマトグラフによるとその構成分は平均分子量8万の多糖でした。沈澱の成分はセルロース、タンパク質、脂質などでした。それ故この処理によって粗ハプトースから純ハプトースが分離・調製出来たと考えられます。乾燥重量での収量は粗ハプトースの約45%、原料藻の約20%です。
　精製によって収量は半減しますが、純ハプトース水溶液は粘度が低く、乾燥?粉砕によって容易に粉体が得られると云う利点があります。また、純ハプトース水溶液のNaイオンをCaイオンに置き換えるとゲル化します。
　粗ハプトースは入手出来た多糖加水分解酵素のいずれによっても分解されませんでしたが、純ハプトースはβ-グルカナーゼ、キシラナーゼとプルラナーゼによって部分加水分解されました。現在その産物と残留物の同定と、それを通してのハプトースの構造の推定を試みています。