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フォトバイオリアクター (PBR) って、要するに藻を育てる水槽ですよね？普通の温室で植物を育てるのと、何が違うんですか？
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本質は同じ「光合成で炭素を固定する装置」だけど、対象が単細胞の微細藻 (microalgae) になることで桁違いに密度が上がるんだ。トウモロコシ畑の年間収量は 20〜30 t-biomass/ha くらいだけど、Spirulina の Raceway 池なら 50〜80 t/ha、密閉型の Nannochloropsis なら 100 t/ha 超のデータもある。さらに藻は乾燥重量の 25〜40% が油脂で、根や葉柄みたいな「捨てる部分」がないから、バイオ燃料・食品・栄養素（DHA, EPA, アスタキサンチン, Spirulina たんぱく質）・化粧品原料を選べるんだ。
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左に Chlorella・Spirulina・Nannochloropsis・Haematococcus と並んでますけど、それぞれ何が違うんですか？数字でみんな微妙に違いますね。
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用途が完全に分かれてるんだ。Chlorella vulgaris は μ_max=1.2 1/day と最速で油脂 25%、汎用のバイオディーゼル原料。Spirulina (Arthrospira) は μ_max=0.6 と遅いけど pH 10 で雑菌がほぼ生えず、たんぱく質 60% でサプリ・食品。Nannochloropsis は油脂 40%・EPA 高含量で水産飼料と健康食品、Haematococcus pluvialis は強光ストレスで赤色のアスタキサンチンを 4% 蓄積する化粧品・サプリ用途。商業プラントは Cyanotech (Hawaii) の Spirulina、AlgaTech の Haematococcus、Solazyme/TerraVia の従属栄養 Chlorella などが代表例だね。
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リアクター 4 種類の方は、Raceway を選ぶと光利用率 0.40 で生産性が落ちます。じゃあなんで現実の Spirulina 工場はみんな Raceway 池なんですか？
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CAPEX が圧倒的に違うんだ。Raceway は 200 USD/m³、チューブ型は 800 USD/m³、フラットパネルは 1200 USD/m³。Spirulina は pH 10 で雑菌が来ないから、開放系の安いプールでも汚染リスクが低い。一方 Haematococcus のアスタキサンチンや、Nannochloropsis の EPA みたいに kg 単価が万円〜十万円超の高付加価値製品では、収率と純度を上げるために 4 倍コストのチューブ型・フラットパネルを使う。本ツールで両者の年間生産量と CAPEX を出して、kg あたり原価で比べると判断しやすいよ。
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光強度のスライダーを 100 から 2500 までフルに上げたんですけど、μ の上がり方がだんだん鈍りますね。なんで頭打ちになるんですか？
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Monod/Steele 型の光飽和だよ。μ = μ_max·I/(K_I+I) で、K_I（Chlorella で 200 μmol/m²/s 前後）を超えると分母 K_I+I ≒ I になって μ → μ_max に漸近する。実プラントでは 1000 μmol を超えると今度は「光阻害 (photoinhibition)」で逆に光合成が落ちる現象もあって、屋外で真夏の正午に成長率が下がるのはこれが原因。だから設計では撹拌（フローシング）で細胞を明暗サイクルにさらしたり、希釈率を上げて自己遮光を促したり、と「光をうまく散らす」工夫がいるんだ。Beer-Lambert で深さ方向の光減衰も効いてくるね。
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CO₂ 固定の数字を見ると、1000 L で年間 11 万 kg-CO₂ も吸収するんですか？火力発電所の排ガスを使うと書いてあるのを思い出しました。本当にカーボンネガティブにできるんですか？
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理論上はね。化学量論的にバイオマス 1 kg あたり 1.83 kg の CO₂ を固定する（CH1.8O0.5N0.2 の組成式から）。だから 65 t-biomass/y なら確かに 119 t-CO2/y を吸う。問題は LCA（ライフサイクル）で、Raceway の撹拌動力、水の蒸発補給、脱水濃縮、油脂抽出溶媒、これら全部に化石燃料が必要なんだ。Algenol や Sapphire Energy が 2010 年代に大規模実証したけど採算が合わず撤退した。今は高付加価値の食品・化粧品で稼ぎつつ、CO₂ 削減はサブとして位置付ける ChitoseGroup・Euglena Corp の戦略が現実解だね。
Raceway 池は CAPEX が 200 USD/m³ 程度と安価で、Spirulina の食品生産のように数千 m² 規模で展開できる一方、光利用率が 40% 程度と低く、降雨・蒸発・他生物の混入リスクがあります。チューブ型 PBR は 800 USD/m³ と 4 倍高価ですが光利用率 85%・密閉系で汚染しにくく、Haematococcus のアスタキサンチン高付加価値生産や、Nannochloropsis の EPA 製造のような単価の高い用途に向きます。本ツールは両者の体積生産性と CAPEX を同条件で比較できます。
Chlorella vulgaris は最大比成長速度 μ_max ≈ 1.2 1/day と速く、油脂含有率 25% でバイオディーゼル原料に向きます。Spirulina (Arthrospira) は μ_max ≈ 0.6 1/day と遅いものの最適温度 35℃ の好高温・好アルカリ性（pH 10）で雑菌が増えにくく、たんぱく質 60% を超える食品・サプリ用途で世界生産が確立されています。Nannochloropsis は油脂 40%・EPA 高含量、Haematococcus は強光ストレス下でアスタキサンチンを 4% 蓄積する化粧品原料です。
上がりません。Steele 型モデル μ = μ_max·I/(K_I+I) のとおり、光強度 I が半飽和定数 K_I（Chlorella で 200 μmol/m²/s 前後）を超えると飽和し、さらに 1000 μmol を超える強光では「光阻害（photoinhibition）」で逆に光合成が落ちます。実装上は I が K_I の 3〜5 倍程度になるよう撹拌・希釈・受光面積を設計し、培養槽の奥では自己遮光（self-shading）で光が指数的に減衰することを Beer-Lambert で見積もります。本ツールでは飽和カーブを直接確認できます。
条件付きで yes です。理論上、藻類は biomass 1 kg あたり 1.83 kg の CO₂ を固定し、燃焼で放出される CO₂ は培養時に吸収した分と同等なので「中立」になります。さらに搾油後の残渣を肥料・飼料に回し、培養エネルギーを太陽光・廃熱で賄えば LCA でカーボンネガティブに到達できます。ただし実プラントでは Raceway の撹拌動力・水の蒸発補給・脱水濃縮・抽出溶媒に化石燃料を使うことが多く、Algenol・Sapphire Energy など 2010 年代の大規模事業は採算が合わず撤退しました。現在は高付加価値の食品・化粧品・養殖飼料を主軸に、燃料は副生品として位置付ける戦略が主流です。
食品・サプリメント（Spirulina, Chlorella）：世界の Spirulina 年産は 1 万 t を超え、Cyanotech（Hawaii, Kona）、Earthrise（California）、DIC ライフテック（日本・タイ・米国）が主要プレイヤー。Chlorella はサンクロレラ・ヤエヤマ食品（石垣島）など日本企業が伝統的に強く、たんぱく質源・葉緑素サプリ・クロレラ培地として 50 年以上の量産実績があります。本ツールで Raceway 1000 m³ の年間生産量を出すと、なぜ 1〜数百 ha の池が必要かが直感的に分かります。
機能性油脂（Nannochloropsis EPA・Schizochytrium DHA）：魚油代替の長鎖オメガ 3 脂肪酸を、植物由来で安定供給する用途。Nannochloropsis は油脂 40% のうち 30% 以上が EPA で、DSM・Cellana・Qualitas Health などが商業生産。本ツールの油脂量出力に油脂中の EPA 比率を掛けると、機能性油脂の年産が概算できます。Schizochytrium（厳密には従属栄養の labyrinthulids）由来 DHA はベジタリアン・乳児用ミルクに使われ、DSM Life'sDHA が代表ブランド。
アスタキサンチン化粧品・サプリ（Haematococcus pluvialis）：強光ストレスで蓄積する赤色カロテノイドが強力な抗酸化作用を持ち、kg 単価 1〜10 万円台の高付加価値製品。AlgaTech（イスラエル）・Cyanotech・富士化学工業の Astaxanthin プラントが世界市場を分け合っています。Haematococcus は μ_max=0.4 と最も遅いため、本ツールで CAPEX 800〜1200 USD/m³ の閉鎖系チューブ／フラットパネル選択が必須なことが確認できます。
カーボンキャプチャ・廃水処理・養殖飼料：火力発電所排ガス（CO₂ 12〜15%）を直接 PBR に供給する CCU（Carbon Capture and Utilization）実証が IHI・三菱重工・Algenol などで進められています。本ツールの CO₂ 固定出力（化学量論 1.83 kg-CO2/kg-biomass）で、必要藻類量と発電所 CO₂ 排出量のオーダーを比較できます。並行して下水中の N・P を栄養塩として利用し処理水を清浄化する応用（NEDO・京都大学・ChitoseGroup MATSURI プロジェクト）も拡大中です。
まず最大の落とし穴が、「ラボの μ_max がそのまま屋外プラントで出ると思い込む」こと。本ツールの μ_max（Chlorella 1.2 1/day 等）は実験室の連続光・一定温度・最適 pH での代表値です。実プラントでは昼夜サイクルで光が当たる時間が 12 時間しかなく、夜間は呼吸で 5〜15% のバイオマスを失います。さらに屋外は気温の日変化・季節変動で Cardinal Temperature Model の f(T) が頻繁に 0.5 を切ります。実プラント生産性は理論値の 30〜50% を見ておくのが現実的で、本ツールの値は「最大ポテンシャル」と理解してください。
次に、「自己遮光（self-shading）と光阻害を無視した光強度設定」です。本ツールは平均光強度として I_avg = I·lightUtil で簡略化していますが、実際の培養液中では Beer-Lambert で I(z) = I0·exp(−ε·X·z) と指数減衰します。細胞密度 5 g/L・深さ 30 cm の Raceway では底部の光強度が表面の 1% 以下になり、ほとんどの細胞が暗反応で増殖していません。逆に表面では 2000 μmol を超え光阻害で光合成中心 (PSII) がダメージを受けます。撹拌で明暗サイクル（フラッシング効果）を作るのが PBR 設計の核心で、Taylor-Couette 流れや airlift downcomer がよく使われます。
最後に、「油脂量＝バイオディーゼル収率」ではない点。本ツールでは lipid_pct で計算しますが、これは細胞内の総脂質（極性脂質＋トリアシルグリセロール TAG）の和です。バイオディーゼルの原料になるのは TAG だけで、Chlorella の TAG/total lipid 比は通常 50〜70%。さらに窒素飢餓ストレスで TAG 蓄積を促すと細胞は分裂を止めて成長速度 μ が大きく落ち、生産性と油脂含有率はトレードオフになります（two-stage cultivation 戦略）。「油脂含有率 50% 達成」のニュースが流れても、それは μ がほぼゼロの条件下での値で、実際の油脂生産性 [g-lipid/L/day] は中庸条件で最大になることに注意してください。