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2022年8月29日

持続可能でサーキュラーなバイオエコノミーにおける微細藻類の役割

#SDGs#エネルギー#サーキュラー#バイオレメディエーション#バイオ素材#循環型バイオエコノミー#持続可能な食料システム#生態系#資源

【概要】

藻類は多くの重要な生態系サービスを提供している。藻類は地球上の一次生産に大きく貢献する一方、周辺環境からの溶存栄養塩の吸収、沿岸の危険な波からの防御、そして潜在的には炭素隔離において重要な役割を担っている。

藻類バイオマスは、食料、飼料、医薬品、バイオプラスチック、肥料、バイオ燃料の生産に利用できる有用な分子を幅広く含んでいます。その用途の多さのために微細藻類は、持続可能な開発目標を達成するための重要な要素になる可能性を秘めている。最近の経済研究は、微細藻類産業の発展が進行中の市場分野であることを証明している。世界の微細藻類市場は、2020年に9億7730万ドルと評価され、2028年には14億8510万ドルに達すると予測されている。

欧州では、藻類の利用に関する多くのEUまたは国出資の研究プロジェクト（Pro Future、AlgaCycleなど）に加え、微細藻類を栽培し、抗酸化物質、色素、油、ミネラル、ビタミンなど、これらの植物から抽出できる多くの成分を販売する企業が複数存在する。これらの企業の多くは、食品や動物飼料、化粧品、バイオプラスチックやバイオ燃料の生産者、農業用肥料産業や廃水処理など、複数の商品分野に一度に製品を販売している。微細藻類を生産する方法と、そこから栄養分を抽出する方法はいくつかある。微細藻類を培養・加工する企業が、独自のシステムで特許を取得しているケースも少なくない。

しかし、ヨーロッパにおける藻類とスピルリナの分野はまだ未成熟であり、そのため比較的小規模である。今後の成長は、生産コストを削減しつつ、生産の規模を拡大するための技術革新に依存する。さらに、藻類とスピルリナ商品の市場を拡大し多様化すること、既存の製品と生産方法の統一基準を開発すること、顧客に情報を提供し規制と行政手続き（例えば、新しい藻類ベースの製品、生産ユニットのライセンス）を簡略化することも重要なニーズである。

【注目ポイント】

・問題点
私たちの社会は、気候変動、環境悪化、食糧・土地不足など、世界の食糧安全保障に影響を与える大規模な課題に直面しています。

・背景
欧州連合は、グリーン、循環、カーボンニュートラルな社会への移行を目指す「欧州グリーンディール」などの目標を通じて、これらの課題に取り組もうとしています。微細藻類バイオマスの幅広い用途のため、微細藻類産業は、食料と飼料システムの持続可能性と安全性、および経済の循環性をサポートすることができます。

・解決策
藻類は、多くの重要な生態系サービスを提供します。藻類は世界の一次生産に大きく貢献する一方、周辺環境からの溶存栄養塩の吸収、危険な波からの沿岸防衛、潜在的には炭素隔離において重要な役割を担っている。

藻類には、肉眼で見える多細胞の海藻である大型藻類と、主に単細胞の微細な生物である植物プランクトンの2種類が存在します。

ヨーロッパでは、藻類の利用に関する多くの国費研究プロジェクト（Pro FutureやAlgaCycleなど）がある一方、微細藻類を培養し、抗酸化物質、色素、油、ミネラル、ビタミンなど、これらの植物から抽出できる多くの成分を販売する企業もいくつか存在します。

これらのEU企業のほとんどは、食品や動物飼料から化粧品、バイオプラスチックやバイオ燃料の生産者、農業用肥料産業や廃水処理まで、複数の商品分野に一度に販売している。

・インパクト・ステートメント
微細藻類は、その複数の用途のために、持続可能な開発目標を達成するための重要な要素になる可能性を持っている。
目標2：飢餓ゼロ、目標6：清潔な水と衛生、目標7：安価でクリーンなエネルギー、目標12：責任ある消費と生産、目標14：水面下の生命、目標15：陸上の生命など、多くの国連SDGsの持続可能な開発目標達成に重要な要素となる可能性を持っている。

・システムの視点
欧州の藻類・スピルリナ部門はまだ未成熟であり、比較的小規模である。今後の成長は、生産コストを下げながら生産の規模を拡大するための技術革新に依存する。また、微細藻類を用いた養殖の産業化を促進するために、バイオマスの安全性、経済性、収穫方法に関する課題に対処する必要がある。

微細藻類を利用した製品の状況は、アカデミア、新興企業、多国籍企業によって生み出された急速に増加する科学的情報によって、その潜在的な特徴から改善される可能性が高いです。

【事例概要】

藻類は、多くの重要な生態系サービスを提供しています。藻類は、地球上の一次生産に大きく貢献する一方、周辺環境からの溶存栄養塩の吸収、波浪からの沿岸防衛、炭素隔離などにも重要な役割を果たしています。藻類には、肉眼で見える多細胞の海藻である大型藻類と、微細な単細胞生物である植物プランクトンの2種類があり、微細藻類は植物プランクトンとして知られています。

微細藻類は、光合成のプロセスを通じて太陽光を利用し、無機分子（二酸化炭素、栄養分、水）をタンパク質、脂肪、炭水化物、およびその他の有機化合物のホストに変換し、成長と生存を助けることによって、海、淡水湖、川におけるすべての生命を支えています。微細藻類には根や葉、茎がないため、陸上植物よりも効率的に二酸化炭素や栄養分を利用でき、より速く成長することができる。また、比較的容易に栽培・収穫ができ、バイオマス作物（藻類培養）を生産することができる。

source: https://link.springer.com/article/10.1007/s43393-021-00038-8

微細藻類は、古くから栄養補助食品として考えられてきた。メキシコと異なるアフリカの国からの人々は、食品成分としてスピルリナを使用して報告されています。日本人はまた、食用シアノバクテリアを使って郷土料理「水前寺のり」を調理していた。

藻類バイオマスは、食品、飼料、医薬品、バイオプラスチック、肥料、バイオ燃料の生産に使用できる有用な分子を幅広く含んでいます。微細藻類は、その多様な用途のために、持続可能な開発目標を達成するための重要な要素となる可能性を秘めています。最近の経済研究は、微細藻類産業の発展が進行中の市場分野であることを証明している。世界の微細藻類市場は、2020年に9億7730万ドルと評価され、2028年には14億8510万ドルに達すると予測されている。

欧州のグリーンディールでは、持続可能な食料システムと世界の食料安全保障のための代替タンパク質源として、藻類の重要な役割を認めている。Farm to Forkやバイオエコノミー戦略、ブルーバイオエコノミーフォーラム、再生可能エネルギー指令などのさまざまなイニシアチブが、藻の可能性をよりよく活用するための地域社会の行動を呼びかけている。現在、EU委員会は、持続可能な生産の増加、安全な消費の確保、藻類および藻類を原料とする製品の革新的利用の促進により、藻類部門に利益をもたらすさまざまな政策オプションの評価を行っている。2022年末までに、欧州委員会は、欧州における藻類を促進するための行動計画を伴う「EU Algae initiative」を発表する予定である。

欧州では、微細藻類バイオマスの主な用途は、食品サプリメントおよび栄養補助食品（24％）、化粧品（24％）、飼料（19％）で、合計で用途全体の67％に寄与している。

大型藻類および微細藻類生産企業による商業用バイオマス用途のシェア。結果は、企業数でのシェア（数量ではありません）。

Overview of the algae production industry in Europe

EUや国が出資する藻類利用に関する研究プロジェクト（Pro Future、AlgaCycleなど）に加え、微細藻類を培養し、抗酸化物質、色素、油、ミネラル、ビタミンなど、植物に似たこの生物から抽出できる多くの成分を販売する企業が複数存在する。

これらの企業の多くは、食品や動物飼料、化粧品、バイオプラスチックやバイオ燃料の生産者、農業用肥料産業や廃水処理など、複数の商品分野に一度に販売している。
微細藻類を生産する方法と、そこから栄養分を抽出する方法はいくつかある。微細藻類を培養・加工する企業が、独自のシステムで特許を取得しているケースも少なくない。

ヨーロッパでは、微細藻類生産の上位3カ国はドイツ、スペイン、イタリアですが、大陸の他の国でも成長しており、有望な微細藻類分野での機会を探る企業が増えてきています。

アルガエナジー社（スペイン）は、微細藻類培養の分野でバイオテクノロジーを基盤としたリーディングカンパニーであり、研究開発プログラムを推進または共有し、その結果、生物学的プロセスの信頼性と最先端の培養システムの高い性能を保証しています。AlgaEnergyは、150以上の研究パートナーからなるイノベーションネットワークを確立し、公的研究機関、大学、微細藻類のバイオテクノロジー分野における他のクラスターと契約しています。

Neoalgae（スペイン）は、微細藻類の応用分野における実験室規模と工業プロセスの間のギャップを埋めること、および食品と飼料、化粧品などのさまざまな分野における微細藻類の利用を促進することを目的として、2012年に設立されたプロジェクトです。彼らは、技術、生産とR＆D：3相互に接続された部門を持っています。ヒトと動物の食品、化粧品、または薬用化粧品として多様な分野で使用するための微細藻類の異なる種の生産。彼らはまた、微細藻類の異なる種の培養のための光バイオリアクターの実装のための技術的なアドバイスを提供します。

Algatek社（スペイン）はバイオテクノロジー企業で、藻の成長因子に有害な特定の太陽光線から藻を保護するために、屋内生産施設で使用する新しいタイプのバイオリアクター「Algatek Algae Accelerator（AAA）」を開発し、特許を取得しています。太陽光の代わりにLEDを使用し、1日22〜24時間、1年365日の生産サイクルを実現しています。この方法により、消費地に近い場所で食品を生産できるようになり、食品廃棄物やフードマイレージを減らすことができます。同社はまた、栄養価の高い製品（A3-MaxTM Algae Formula）と世界初の藻類ブレンドコーヒーも開発しました。

Consonni Bioalgaeは、1996年に設立されたイタリア初の藻類専門会社で、主に栄養剤や化粧品に携わっている。同社は、自社ブランドの完成品と原料の両方を製造しています。同社の藻類は、オーガニックで環境に優しいと認定されています。

TOLO Greenは、2009年に設立されたTOLOグループの会社で、再生可能エネルギー源の計画と発電に関する投資の開発・管理を専門としています。

近年、同社のビジネスモデルは、前期に開拓され、すでにイタリア国内外の様々な地域に存在する微細藻類生産プラントの価値向上、そして現在、その後のアップグレードに焦点を合わせています。グループは、2021年以降、CO2回収、食肉代替食品、ヘルスケアといった革新的な分野で、パートナーとの共同研究やオーガニック分野の製品を通じて事業を展開しています。

Algàdemyは、2019年にイタリアのアグリビジネスの中心地であるレッジョ・エミリアで設立された会社です。Algàdemyは、制御と品質の面で最高水準に従って光バイオリアクターで栽培された最高品質の微細藻類をベースにした食品サプリメントを市場に提供しています。微細藻類ベースのサプリメントの独自のラインを販売するだけでなく、Algàdemyは、栄養補助食品、医薬品、食品業界などのさまざまな市場のための純粋な原料の形で微細藻類を提案します。

Azienda agricola Serenissima – AlgaVenice（イタリア）は、何世紀にもわたって農業生産に専念してきた地域、ベネチアラグーンの後背地のことに位置しています。微細藻類の生産は、ウッドチップコジェネレーターを併設した工場で行われ、枝をガス化して微細藻類の増殖に必要な熱を供給するため、大気汚染を避けることができ、ゼロインパクト工場と呼ぶことができる。これにより、欧州共同体が推進する「HORIZON 2020プロジェクト」の枠組みの中で、「ECO-LOGIC GREEN FARM」プロジェクトの認定を受け、地域支援に取り組むことができました。

Aliga社は、デンマークに本社を置く、世界の養殖産業向けの微細藻類生産に特化した企業です。同社は、クリーンで完全に制御されたバイオセキュアな室内環境で、自然界に存在する光合成プロセスをシミュレーションし、監視し、最適化することを可能にする独自の最先端バイオリアクター技術によって、さまざまな微細藻類の培養に革命を起こしたと主張している。また、動物プランクトンや幼虫の餌に適した生化学的組成を持ち、防腐剤、重金属、病原体を含まない高濃度の細胞培養物を製造しています。穏やかな収穫、脱水、包装工程を通じて、彼らは培養タンクに希釈したときに新鮮な、生きている微細藻類の特性と属性を持つ濃縮ペースト製品を提供します。

A4Fは、微細藻類の研究開発および微細藻類の生産（最大工業規模）で20年以上の経験を持つ、ポルトガルに位置するバイオテクノロジー企業、です。A4F社は、さまざまな技術を用いた商業規模の微細藻類生産装置の設計、構築、運用、譲渡（DBOT）を専門としています。同社は、食品、飼料、化粧品、医薬品、バイオ繊維、肥料、廃水処理、土壌浄化、バイオ燃料のためのアップスイング世界市場における原材料や最終製品の新たな持続可能なソースとして微細藻類バイオマスの経験とビジョンを共有しています。

アルゴソース社（フランス）は、微細藻類の生産技術から価値創造、産業開発まで、エンドツーエンドでサービスを提供する微細藻類の世界的なエキスパートです。同社は、微細藻類からの機能性成分の研究、選択、培養、抽出、製剤化において30年近い経験を持っています。数十種類の微細藻類から最も有望な分子を特定し、培養と抽出プロセスの専門知識を応用して、臨床栄養学、栄養補助食品、化粧品向けに開発しています。

Microphykos社（ギリシャ）は、藻類と水産養殖のプロジェクトを開発している会社です。現在、海洋孵化場の植物プランクトン生産システム（フォトバイオリアクター）、スピルリナ、屋内および屋外の藻類農場向けに、藻類培養システムをオーダーメイドで製造しています。藻類、ワムシ、アルテミア孵化場生産、スピルリナ養殖、藻類天然物開発、藻類プロジェクト開発および資金調達についてアドバイスします。Microphykosは、パートナーのKuntze Instruments GmbHと共同で、養殖やその他の産業向けの自動水分析および制御を提供しています。

Greenskill (UK) は、持続可能なエネルギー源を使用して、汚染ガスや廃水を価値の高い化学物質に経済的に変換する微細藻類を使用した、堅牢でスケーラブルな産業用生物技術の革新を行っています。微細藻類バイオテクノロジーと持続可能なエンジニアリングに40年近く取り組み、1992年に英国初の微細藻類による下水処理プロセスを、2008年には世界初の炭素捕捉微細藻類バイオリファイナリーを展開した。温室効果ガスの排出を削減し、水域環境の汚染を防ぎ、化石燃料ベースの製品への依存を減らし、代わりに代替品を経済的に、クリーンに、カーボンニュートラルに、持続的に生産するバイオテクノロジーのソリューションを開拓することを目的としています。

KeyNatura社（アイスランド）は、微細藻類から作られた抗酸化製品を専門に扱っています。この製品は、Nutraceuticalsを含む食品サプリメント市場ですでに販売されている。微細藻類から抗酸化物質を生産・抽出するために、キーナチュラ社は独自の技術を使用している。微細藻類は、閉鎖型タンクベースの光バイオリアクターで人工光により成長し、完全にカーボンニュートラルなプロセスで生産される。生産は、24時間365日、一年中行われています。生産は24時間365日、年中無休で行われ、場所に依存しないため、他の国でも再現することができます。キーナチュラは、この藻類培養技術の特許を取得し、さらなる商業化を目指している。長期的には、抗酸化製品の小売顧客と、培養技術に興味を持つ藻類バイオマス企業の2種類の顧客が現れると予想される。また、キーナチュラは、バイオマスのあらゆる部分に付加価値をつけることで、廃棄物ゼロの生産プロセスを実現することを計画しています。

スウェーデン藻類工場が開発した主な製品は、微細藻類から抽出された高度なナノ多孔質材料であるシリカです。シリカは主に2つの用途があります。1つはソーラーパネルの効率向上剤として、もう1つは高級パーソナルケア製品の吸湿・保湿剤として使用されています。残りの有機バイオマスは、飼料、肥料、燃料などに有効利用できる。スウェーデン藻類工場は、独自の技術を保護するために、すでに特許を申請しています。

【影響評価】

金銭的なインパクト世界の微細藻類市場は、2020年には9億7730万ドルとなり、2028年には14億8510万ドルに達すると予測されています。

source: How microalgal biotechnology can assist with the UN Sustainable Development Goals for natural resource management

微細藻類バイオテクノロジーの新たな応用は、これらの生物が国連の多くのSDGsの達成を支援する可能性を示している。最近の研究では、SDGsの複数の目標達成を支援することができる複数の微細藻類の役割を特定した。

○SDGsにおける微細藻類の役割

a) 人間が消費する食品添加物、または農業や養殖のための飼料補足物としての高品質なタンパク質。
b) 多価不飽和脂肪酸：人間の食生活における持続可能な代替栄養源として、また養殖動物の飼料補助として。
c) 健康増進のための健康補助食品と栄養補助食品

a) 微細藻類バイオマスへの栄養取り込みによる廃水処理
b) 光合成による高溶存酸素と pH により、HRAPs における太陽紫外線を介した病原体殺菌を強化する。
c) 汚染物質の生物学的吸収、生物学的取り込み、または生物分解による新たな汚染物質のバイオレメディエーション。

バイオディーゼル、ブタノール、バイオエタノール、バイオガス（メタン）、バイオオイル、ジェット燃料などの第三世代バイオ燃料の原料。

Microalgal bioplastics produced either through:

微小藻類バイオプラスチック a) 微小藻類バイオマスからの直接生産 b) 微小藻類バイオマスの混合。
b) 合成プラスチックと微細藻類を混合し、ハイブリッドプラスチックを作る。
c) 微細藻類の細胞成分からの生産

人工流路に生育する糸状藻類バイオマスへの栄養同化を通じた拡散性汚染のバイオレメディエーション。

微細藻類由来のバイオスティミュラントによる
a) 作物植物の成長と収量を改善する b) 植物のストレス耐性を改善する
c) 土壌の状態および安定性の改善 d) 肥料散布量の削減

国連SDGsの達成を支援する微細藻類の技術革新の役割の概念図

欧州規模では、微細藻類の生産に関する公式統計は限られており、断片的である。最近の研究では、微細藻類の乾燥重量（DW）182トン、スピルリナの乾燥重量（DW）142トンの生産量に関するデータを収集した。クロレラ属とH. pluvialisは、研究で収集された総値の80％以上に相当する、量の面で最も生産された微細藻類である。

【システムの視点】

様々な研究（下記参照）により、バイオベース部門としてのヨーロッパの藻類産業は、EUのカーボンニュートラル、栄養価が高く持続可能な食品へのアクセスを保証する革新的なフードシステム、そして最終的には、持続可能で循環するヨーロッパのバイオエコノミーへのサポートなどの重要な社会的課題にさらに発展し貢献するかなりの可能性があることが示されている。バイオテクノロジーにおける微細藻類の応用範囲は実に広い。栄養価の面では、微細藻類の高付加価値代謝物はオンデマンドであるが、生産コストが高く、下流工程での技術的困難、機能性食品開発時の官能・口当たりの問題から商業開発はまだ初期段階である。

欧州の藻類とスピルリナ部門はまだ未成熟であるため、比較的小規模である。欧州の藻類セクターは、現在、少ない種数で大量のバイオマス生産に依存している。さまざまな研究の結果、現在、他のさまざまな種が生産されていることがわかった。これは、生産量をアップスケールして、増加する市場の需要に対応したり、低いバイオマス量に基づく他の高価値の商業的応用を模索する機会となり得る。

藻類セクターの将来の成長は、生産コストを削減しつつ、生産規模を拡大するための技術革新に依存する。さらに、主に食品や食品関連用途に向けられた藻類やスピルリナ商品の市場を拡大し多様化すること、既存の製品や生産方法の統一基準を開発し、顧客に情報を提供し規制や行政手続き（例えば、新規藻類ベースの製品、生産ユニットのライセンス）を簡素化することも重要なニーズである。

バイオリファイナリーアプローチ（藻類バイオファクトリー）は、既存の従来型工業プロセスの環境持続性と経済性を高める手段として、現在研究されている。藻類バイオリファイナリー製品の使用、抽出、価値化のために、さまざまな潜在的な変換経路が研究されている（Zhang and Thomsen, 2019）。さらに、バイオマス栽培システムの技術的改善が集中的に研究されている（例：沖合養殖、バイオマス最適化の実践、微細藻類の生産と加工に関する技術準備、排水処理とCO2緩和における藻類生産の取り込み）。微細藻類の細胞工場を利用してバイオディーゼルを生産することや、排水を微細藻類増殖用のブロスとして利用することは、経済的実現性を向上させる可能性がある。

また、小型の生産設備が多いものの、欧州の沿岸地域では重要な生計手段となっているようである。今後数年間、ヨーロッパにおける藻類とスピルリナ分野の発展が期待されるが、持続可能で責任ある産業の確立を保証するためには、これらの沿岸および淡水ベースの生態系が提供する環境およびレクリエーションサービスの保護と結びつける必要がある。

また、大規模な産業アプリケーションで微細藻類を使用するいくつかの欠点があります。大規模で微細藻類を収穫することは、いくつかの実用的な制限があります。また、開放型培養システムで微細藻類の培養における細菌汚染の可能性があります。そのような細菌は、水生生物の成長と生存に影響を与える毒性がある可能性があります。したがって，微細藻類を用いた水産養殖の産業化を促進するためには，バイオマスの安全性，経済性，収穫方法に関する課題に取り組む必要がある。

以上のことから，微細藻類を利用した製品が市場競争に勝つためには，技術的・経済的にまだ困難な状況にあることがわかる。しかし、学術界、新興企業、多国籍企業によって生み出された科学的情報の急速な増加によって伝えられるように、その潜在的な特徴によって、この状況は逆転する可能性がある。いずれにせよ、微細藻類製品を市場に投入しようとする場合、品質保証、安全性、規制と表示の問題、環境への影響に適切に対処しなければならず、商業生産までの期間が必然的に長くなる。

参考文献
・機能性食品および飼料産業における微細藻類の潜在的な産業応用と商業化。A Short Review. Mar Drugs. 2019 May 28;17(6):312. doi: 10.3390/md17060312. PMID: 31141887; PMCID: PMC6628611.

・Udayan, A., Pandey, A.K., Sharma, P. et al. Emerging industrial applications of microalgae: challenges and future perspectives（微細藻類の新たな産業利用：課題と将来の展望）。Syst Microbiol and Biomanuf 1, 411-431 (2021)。https://doi.org/10.1007/s43393-021-00038-8。

・Araújo R, Vázquez Calderón F, Sánchez López J, Azevedo IC, Bruhn A, Fluch S, Garcia Tasende M, Ghaderiardakani F, Ilmjärv T, Laurans M, Mac Monagail M, Mangini S, Peteiro C, Rebours C, Stefansson T and Ullmann J (2021) Current Status of the Algae Production Industry in Europe: ブルーバイオエコノミーの新興セクター．Front. Mar. Sci. 7:626389. doi: 10.3389/fmars.2020.626389.

【リンク・お問い合わせ先】

AlgaEnergy: https://www.algaenergy.com/contact/contact-information/
Neoalgae: https://neoalgae.es/contacto/?lang=en
Algatek: https://algatek.uk/contact-us/
Consonni Bioalghe: info@consonnibioalghe.it
Tolo Green: https://www.tologreen.it/en/contacts/
Algàdemy: https://algademy.com/en/contact-us
Alga Venice: https://www.algavenice.it/contatti/
Aliga Microalgae: admin@aliga.dk , sales@aliga.dk
A4F: https://a4f.pt/en/contacts
AlgoSource: https://algosource.com/contact/?lang=en
MicroPhykos: info@microphykos.com, sales@microphykos.com, service@microphykos.com
Greenskill: https://www.photobioreactor.co.uk/Contact-Us.html
KeyNatura: keynatura@keynatura.com
Swedish Algae Factory: contact@swedishalgaefactory.com

Aug 29, 2022

The Role of Microalgae in Sustainable Circular Bioeconomy

#sdgs#energy#circular#bioremediation#bio-based-materials#circular-bioeconomy#sustainable-food-system#ecosystem#resource

【Abstract】

Algae provides many essential ecosystem services. They contribute significantly to the global primary production while also playing an important role in the uptake of dissolved nutrients from the surrounding environment, coastal defence from hazardous waves and potentially in carbon sequestration.

Algal biomass contains a wide range of useful molecules that can be used to produce food, feed, pharmaceuticals, bioplastics, fertilisers and biofuels. Because of the multitude of its uses microalgae have the potential to become an important component in reaching sustainable development targets. Recent economic studies have proved that the development of microalgal industries is a progressing market field. The global microalgae market was valued at $977.3 million in 2020 and is projected to reach $1,485.1 million by 2028.

In addition to the many EU or national funded research projects on the use of algae (like Pro Future, and, AlgaCycle), there are several companies in Europe that cultivate microalgae and market the many components that can be extracted from these plants, such as antioxidants, pigments, oils, minerals and vitamins. Most of these companies sell to multiple commodity sectors at once, from food and animal feed, to cosmetics, to producers of bioplastics or biofuels, as well as the agricultural fertiliser industry or for wastewater treatments. There are several ways to produce microalgae, as well as to extract nutrients from them. In more than one case, companies that grow and process microalgae have patented their own systems.

Still, the algae and Spirulina sector in Europe is still immature and thus relatively small. Its future growth relies on technical innovations to upscale the production, while reducing the production costs. Additional key needs are to expand and diversify the market for algae and Spirulina commodities and to develop uniform standards for existing products and production methods while informing customers and simplifying regulatory and administrative procedures (e.g., for novel algae-based products, licensing of production units).

【Main Highlights】

Problem:
● Our society is facing massive challenges like climate change, environmental degradation and food and land scarcity that affects global food security.

Context:
● The European Union tries to tackle these challenges through objectives such as the European Green Deal, the transition to a green, circular and carbon-neutral community. Due to the wide range of applications of microalgae biomass the microalgae industry can support the sustainability and security of food and feed systems as well as the circularity of our economy.

Solution:
● Algae provide many essential ecosystem services. They contribute significantly to the global primary production while also playing an important role in the uptake of dissolved nutrients from the surrounding environment, coastal defence from hazardous waves and potentially in carbon sequestration.

● There are two major types of algae: macroalgae – the multicellular type, visible to the naked eye, also known as seaweed, and microalgae – microscopic, mainly unicellular organisms, also known as phytoplankton.

● In Europe, there are many national funded research projects on the use of algae (like Pro Future and AlgaCycle) but also several companies that cultivate microalgae and market the many components that can be extracted from these plants, such as antioxidants, pigments, oils, minerals and vitamins.

● Most of these EU companies sell to multiple commodity sectors at once, from food and animal feed to cosmetics, to producers of bioplastics or biofuels, as well as the agricultural fertiliser industry or for wastewater treatments.

Impact Statement:
● Because of its multiple uses microalgae has the potential to become an important
component in reaching sustainable development targets a number of UN SDGs such as Goal 2: Zero Hunger, Goal 6: Clean Water and Sanitation, Goal 7: Affordable and Clean Energy, Goal 12: Responsible Consumption and Production, Goal 14: Life Below Water and Goal 15: Life on Land.

Systems Perspective:
● The algae and Spirulina sector in Europe is still immature and thus relatively small. Its future growth relies on technical innovations to upscale the production, while reducing the production costs. It is also necessary to address the challenges regarding biomass safety, economic viability and harvesting methods to facilitate the industrialization of microalgae-based aquaculture.

● The situation of microalgae-based products is likely to be improved due to their potential features, as conveyed by a fast-growing body of scientific information generated by academia, startups, and multinational companies.

【Case Overview】

Algae provides many essential ecosystem services. They contribute significantly to the global primary production while also playing an important role in the uptake of dissolved nutrients from the surrounding environment, coastal defence from hazardous waves and potentially in carbon sequestration. There are two major types of algae: macroalgae – the multicellular type, visible to the naked eye, also known as seaweed, and microalgae – microscopic, mainly unicellular organisms, also known as phytoplankton.

Microalgae support all life in our oceans, freshwater lakes and rivers, by using sunlight through the process of photosynthesis to convert inorganic molecules (carbon dioxide, nutrients and water) into proteins, fats and carbohydrates, plus a host of other organic compounds that help them grow and survive. As microalgae do not have roots, leaves and stems, they can use carbon dioxide and nutrients more efficiently than land plants, enabling them to grow more rapidly. They can be relatively easily cultivated and harvested to produce biomass crops (“algaculture”).

source: https://link.springer.com/article/10.1007/s43393-021-00038-8

Microalgae has been considered a food supplement from ancient times. People from Mexico and different African countries have reported using Spirulina as a food ingredient. Japanese people also used edible cyanobacteria to prepare their native food ‘Suizenji-nori’.

Algal biomass contains a wide range of useful molecules that can be used to produce food, feed, pharmaceuticals, bioplastics, fertilisers and biofuels. Because of its multiple uses microalgae has the potential to become an important component in reaching sustainable development targets. Recent economic studies have proved that the development of microalgal industries is a progressing market field. The global microalgae market was valued at $977.3 million in 2020 and is projected to reach $1,485.1 million by 2028.

The https://ec.europa.eu/info/sites/info/files/european-green-deal-communication_en.pdf the important role of algae as a source of alternative protein for a sustainable food system and global food security. Various initiatives such as the Farm to Fork and the Bioeconomy Strategies, the Blue Bioeconomy Forum and the Renewable Energy Directive call on community action to better utilise the potential of algae. Currently, the EU Commission is assessing different policy options that would benefit the algae sector by increasing sustainable production, ensuring safe consumption and boosting innovative use of algae and algae-based products. By the end of 2022, the Commission will release an EU Algae initiative accompanied by an Action plan to promote algae in Europe.

In Europe, the main applications of microalgae biomass are food supplements and nutraceuticals (24%), cosmetics (24%), and feed (19%), contributing together to 67% of the total uses.

Share of commercial biomass applications by macroalgae and microalgae production companies. Results are based on the share in the number of companies (not by volume)

Overview of the algae production industry in Europe

In addition to the many EU or national funded research projects on the use of algae (like Pro Future, AlgaCycle, …), there are several companies that cultivate microalgae and market the many components that can be extracted from these plant-like organisms, such as antioxidants, pigments, oils, minerals and vitamins.

Most of these companies sell to multiple commodity sectors at once, from food and animal feed to cosmetics, to producers of bioplastics or biofuels, as well as the agricultural fertilizer industry or for wastewater treatments.
There are several ways to produce microalgae, as well as to extract nutrients from them. In more than one case, companies that grow and process microalgae have patented their own systems.

In Europe, the top three nations for microalgae production are Germany, Spain, and Italy, but it is growing in other countries across the continent, with more companies exploring opportunities in the promising microalgae sector.

AlgaEnergy (Spain) is a leading biotechnology-based company in the sector of the microalgae culture, that has promoted or is sharing R&I programs, whose results ensure the reliability of its biological processes and high performance in its forefront culture systems. AlgaEnergy has established an innovation network comprising over 150 research partners, being contractually linked to public research organizations, universities and other clusters in the biotechnology of microalgae sector.

Neoalgae (Spain) is a project created in 2012 with the objectives of bridging the gap between laboratory scale and industrial processes in the field of applications of microalgae and of promoting the usage of microalgae in different sectors such as food and feed, and cosmetics. They have three interconnected divisions: technology, production and R & D. They provide service in the following areas: Production of different species of microalgae for use in sectors as diverse as human and animal food, cosmetics, or pharmacosmetics. They also give technical advice for the implementation of photobioreactors for the cultivation of different species of microalgae.

Algatek (Spain) is a biotech company that has developed and patented a new type of bioreactor, the Algatek Algae Accelerator (AAA), to be operated in indoor production facilities to shield the algae from certain sun spectrums that are detrimental to the algae growth factor. The sunlight has been substituted by LED light, which allows a production cycle between 22 to 24 hours per day, 365 days per year. Their method allows producing food closer to where it is consumed, which reduces food waste and food miles. The company also created a nutritious product (A3-MaxTM Algae Formula) and the world’s first Algae blended coffee.

Consonni Bioalgae is the first Italian company to specialize in algae since 1996 and is mainly involved in nutrition and cosmetics. They create both company-branded finished products and raw materials. Their algae are certified organic and environmentally friendly.

TOLO Green is a TOLO Group Company, founded in 2009, dedicated to the development and management of investments in the planning and generation of Energy from Renewable Sources.

The company’s business model in recent years has focused on the valorization of microalgae production plants pioneered in the previous period and already existing in various areas in Italy and abroad, and now, in the subsequent upgrading of the same. The group through its brands has been present since 2021 in the innovative sectors of CO2 capture, alternative food to meat and health care resulting from research conducted with its partners and with products from the organic area.

Algàdemy is a company founded in 2019 in Reggio Emilia, in the heart of Italian agribusiness. Algàdemy offers the market food supplements based on the highest quality microalgae, grown in photobioreactors according to the highest standards in terms of control and quality. In addition to marketing its own line of microalgae-based supplements, Algàdemy proposesmicroalgae in the form of pure raw material for different markets such as nutraceuticals, pharmaceuticals and the food industry.

Azienda agricola Serenissima – AlgaVenice (Italy) is located in an area that has been devoted to agricultural production for centuries, that of the hinterland of the Venetian lagoon. The production of microalgae takes place through a plant side by side with a woodchip cogenerator, which gasifies the branches and provides the heat necessary for the growth of microalgae to avoid air pollution, so it can be called the zero-impact plant. This has enabled the company to achieve its ECO-LOGIC GREEN FARM project recognition and support the community within the framework of the HORIZON 2020 Project promoted by the European Community.

Aliga microalgae is a Danish-based company specializing in producing microalgae for the aquaculture industry worldwide. They claim to have revolutionized the cultivation of different microalgae strains through their proprietary and leading bioreactor technology which enables them to simulate, monitor and optimize nature’s own photosynthesis process in a clean, fully controlled and bio-secured indoor environment. The cultivars they produce have a high cell concentration, free of preservatives, heavy metals and pathogens as well as the biochemical composition suitable for zooplankton and larvae feed. Through gentle harvesting, dewatering and packaging processes they deliver concentrated paste products with the characteristics and attributes of fresh, live microalgae when diluted into culture tanks.

A4F is a biotechnology company, located in Portugal, with more than 20 years of experience in microalgae Research & Development and microalgae production (up to industrial scale). A4F is specialized in the design, build, operation and transfer (DBOT) of commercial-scale microalgae production units, using different technologies. The company shares its experience and vision for microalgae biomass as an emerging sustainable source of raw materials or as final products, in an upswing global market for food, feed, cosmetics, pharma, bio fibres, fertilizers, wastewater treatment, soil remediation, and biofuel.

AlgoSource (France) is a world expert in microalgae that offers an end-to-end range of services, from production engineering to value creation and the industrial development of microalgae. The company has nearly three decades of experience in the research, selection, cultivation, extraction and formulation of functional ingredients from microalgae. They identify the most promising molecules in several dozen varieties of microalgae and apply their expertise in cultivation and extraction processes to develop them for clinical nutrition, nutraceuticals and cosmetics.

Microphykos (Greece) is a company developing algae and aquaculture projects. Currently, manufactures algae culture systems tailor-made for marine hatchery phytoplankton production systems (photobioreactors), Spirulina and algae farms both indoors and outdoors. Microphykos advises on algae, rotifers and Artemia hatchery production; Spirulina farming; algae natural products development; algae projects development and funding. Microphykos offers automated water analysis and control for aquaculture and other industries, in collaboration with their partner Kuntze Instruments GmbH.

Greenskill(UK) innovates robust and scalable industrial biological technologies employing microalgae that economically convert polluting gases and wastewater into high-value chemicals, using sustainable energy sources. They have worked in microalgal biotechnology and　sustainable engineering for nearly 40 years, deploying the UK’s first microalgae-based sewage treatment process in 1992 and the World’s first Carbon Capture Microalgal Biorefinery in 2008. They aim to pioneer engineered biotechnological solutions which will reduce greenhouse gas emissions, prevent the pollution of aquatic environments, cut our reliance on fossil-fuel-based products, and instead produce replacement alternatives economically, cleanly, carbon negatively and sustainably.

KeyNatura (Iceland) specialises in antioxidant products made from microalgae. The products are already available on the food supplements market, which includes Nutraceuticals. In order to produce and extract antioxidants from microalgae, KeyNatura uses a unique technology: microalgae are grown in a closed tank-based photobioreactor with artificial light, through a process that is entirely carbon negative. The production takes place 24/7 and all year round. It is not location-dependent, which means it can be replicated in other countries. KeyNatura has patented its algae cultivation technology and aims to further commercialise it. In the long run, the company anticipates two kinds of customers emerging: retail customers of its antioxidant products; and algal biomass companies interested in its cultivation technology. KeyNatura also plans to make its production a zero-waste process by adding value to every part of the biomass.

The main product developed by Swedish Algae Factory is silica, an advanced nano-porous material extracted from microalgae. Silica has two major usages: firstly, it is used in solar panels as an efficiency enhancer; and secondly, it is applied in luxury personal care products as an absorbent and moisturising agent. The remaining organic biomass can be put to good use in animal feed, fertiliser or fuel, to name a few. Swedish Algae Factory has already filed a patent to protect its unique technology.

【Impact Statement】

Monetary impact: The global microalgae market was valued at $977.3 million in 2020 and is projected to reach $1,485.1 million by 2028.

source: How microalgal biotechnology can assist with the UN Sustainable Development Goals for natural resource management

● Emerging applications of microalgal biotechnology demonstrate the potential for these organisms to assist with the achievement of a number of the UN SDGs. A recent study identified multiple microalgal roles that can assist in achieving multiple SDG goals.

○Microalgal role

a) High-quality protein as a food additive for human consumption or feed supplement for agriculture and aquaculture.
b) Polyunsaturated fatty acids as a sustainable alternative dietary source in human diets and as a feed supplement for farmed animals.
c) Health supplements and nutraceuticals for improved health outcomes.

a) Wastewater treatment through nutrient uptake into microalgal biomass
b) Enhance solar UV- mediated pathogen disinfection in HRAPs, due to photosynthetically driven high dissolved oxygen and pH
c) Emerging contaminant bioremediation through bioabsorption, bio-uptake, or biodegradation of contaminants of concern.

Feedstock for third-generation biofuels, including biodiesel, butanol, bioethanol, biogas (methane), bio-oil, and jet fuel

Microalgal bioplastics produced either through:
a) the direct production from microalgal biomass;
b) blending of microalgae with synthetic plastics to create hybrid plastics or
c) production from microalgal cellular components

Bioremediation of diffuse pollution through nutrient assimilation into filamentous algae biomass growing on artificial flow-ways.

Microalgal-derived biostimulants to
a) improve crop plant growth and yield, b) improve plant stress tolerance,
c) improve soil condition and stability and d) reduce fertilizer application

Role of microalgae in assisting with the achievement of the United Nations Sustainable Development Goals (SDG)

Conceptual diagram of the role of microalgal technological innovations in supporting the achievement of the UN SDGs

● At the European scale, official statistics on microalgae production are limited and fragmented. A recent study gathered data on production volumes of 182 tons of dry weight (DW) of microalgae and 142 tons (DW) of Spirulina. Chlorella spp. and H. pluvialis are the most produced microalgae in terms of volumes, corresponding to more than 80% of the total values gathered in the study.

【Systems Perspective】

Different studies (see references below), show that the European algae industry as a bio-based sector has a considerable potential to further develop and contribute to critical societal challenges such as the EU carbon neutrality, an innovative food system that ensures access to nutritious and sustainable food, and, ultimately, the support to a sustainable and circular European bioeconomy. There is indeed a wide range of applications of microalgae in biotechnology. In terms of nutritional value, microalgal high-value metabolites are on-demand but commercial development is still in early stages due to high production costs, technical difficulties in downstream processing, and sensory and palatability problems during the development of functional foods.

The algae and Spirulina sector in Europe is still immature and thus relatively small. The algae sector in Europe currently relies on the production of large biomass volumes of a reduced number of species. The results of different studies show that a variety of other species is currently produced, which can be an opportunity to upscale the production volumes and meet increasing market demands or explore other high-value commercial applications based on low biomass volumes.

The algae sector’s future growth relies on technical innovations to upscale production, while reducing production costs. Additional key needs are to expand and diversify the market for algae and Spirulina commodities – which are mainly directed to food and food-related uses – and to develop uniform standards for existing products and production methods while informing　customers and simplifying regulatory and administrative procedures (e.g., for novel algae-based products, licensing of production units).

The biorefinery approach (algae biofactory) is currently being investigated as a means to increase the environmental sustainability and economic feasibility of existing conventional industrial processes. Different potential conversion pathways are being researched for the use, extraction and valorization of algae biomass biorefinery products (Zhang and Thomsen, 2019). Additionally, technological improvements in the biomass cultivation systems are intensively researched (e.g., offshore aquaculture, biomass optimization practices, technology readiness for microalgae production and processing, incorporation of algae production in wastewater treatment and CO2 mitigation). Taking advantage of microalga cell factories to also produce biodiesel, or using wastewater as broth for microalgae growth are but two possibilities likely to improve economic feasibility.

Additionally, although many of the compiled production units are of small size, the activities related to the sector appear to represent an important source of livelihood in several coastal areas in Europe. The expected boost in the development of the algae and Spirulina sector in Europe in the coming years needs also to be coupled with the protection of the environmental and recreational services provided by these coastal and fresh water-based ecosystems in order to guarantee the establishment of sustainable and responsible industries.

There are also several drawbacks of using microalgae in large-scale industrial applications. Harvesting microalgae on a larger scale has several practical limitations. Moreover, there are chances of bacterial contamination in microalgal culture in open cultivation systems. Such bacteria can be toxic which affects the growth and survival of aquatic organisms. Therefore, it is necessary to address the challenges regarding biomass safety, economic viability and harvesting methods to facilitate the industrialization of microalgae-based aquaculture.

Considering the above facts, microalgae-based products still face technological and economic difficulties to win the market battle. However, this situation is likely to be reversed due to their potential features, as conveyed by a fast-growing body of scientific information generated by academia, startups, and multinational companies. In any case, quality assurance, safety, regulatory and labelling issues, and environmental impact have to be duly addressed when attempting to bring a microalgal product to the market which will necessarily extend the time period prior to commercial production.

References:
● Camacho F, Macedo A, Malcata F. Potential Industrial Applications and Commercialization of Microalgae in the Functional Food and Feed Industries: A Short Review. Mar Drugs. 2019 May 28;17(6):312. doi: 10.3390/md17060312. PMID: 31141887; PMCID: PMC6628611.

● Udayan, A., Pandey, A.K., Sharma, P. et al. Emerging industrial applications of microalgae: challenges and future perspectives. Syst Microbiol and Biomanuf 1, 411–431 (2021). https://doi.org/10.1007/s43393-021-00038-8

● Araújo R, Vázquez Calderón F, Sánchez López J, Azevedo IC, Bruhn A, Fluch S, Garcia Tasende M, Ghaderiardakani F, Ilmjärv T, Laurans M, Mac Monagail M, Mangini S, Peteiro C, Rebours C, Stefansson T and Ullmann J (2021) Current Status of the Algae Production Industry in Europe: An Emerging Sector of the Blue Bioeconomy. Front. Mar. Sci. 7:626389. doi: 10.3389/fmars.2020.626389

【Links and Contact Information】

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that aims to help humanity solve these four survival challenges in one generation – between 2020-2050.
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