培養装置及び培養方法
【課題】培養効率の向上、培養の大容量化及びコストの削減を図ることができる培養装置及び培養方法を提供することを課題とする。
【解決手段】微生物を培養する培養液が流れる培養槽（チューブ型培養槽）２と、培養槽２に培養液を供給する培養液供給手段３と、培養槽２に二酸化炭素を含んだ気体を供給する気体供給手段４と、培養槽２内の培養液の容積変化を吸収する膨張タンク５と、を備えた微生物を培養する培養装置１であって、培養槽２の内部に、培養液がこの培養槽の軸線を周りながら流れるように誘導する混合羽根部材２１が形成されていることを特徴とする。
【解決手段】微生物を培養する培養液が流れる培養槽（チューブ型培養槽）２と、培養槽２に培養液を供給する培養液供給手段３と、培養槽２に二酸化炭素を含んだ気体を供給する気体供給手段４と、培養槽２内の培養液の容積変化を吸収する膨張タンク５と、を備えた微生物を培養する培養装置１であって、培養槽２の内部に、培養液がこの培養槽の軸線を周りながら流れるように誘導する混合羽根部材２１が形成されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光合成によって微生物を培養する培養装置及び培養方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化対策において、光合成によって微生物を培養し、二酸化炭素を削減する技術が知られている。微生物の培養を効率よく行うためには、培養液に光及び二酸化炭素を効果的に供給する必要があるため、これらを実現できる培養装置の開発が行われている。従来の培養装置は、培養槽に貯留された培養液が大気中に開放された開放系と、閉鎖された閉鎖系とに大きく分類される。
【０００３】
開放系の培養装置では、上方が開放した箱状の培養槽が用いられる。このような開放系の培養装置によれば、培養槽を簡素化できるため、初期投資を削減できるというメリットがある。しかし、外部から培養槽内に異物、雑菌等が混入し、培養に悪影響を与えるという問題がある。また、開放系の培養装置では、培養液に二酸化炭素を供給しても二酸化炭素が大気中に放出されてしまうため、培養効率が低下するという問題がある。
【０００４】
一方、閉鎖系の培養装置の一つとして、閉鎖空間を備えたチューブ型の培養槽（以下、チューブ型培養槽とも言う）が用いられる。このチューブ型培養槽の内部に培養液を流通させて微生物を培養させる（特許文献１参照）。特許文献１に係る発明によれば、異物の混入や二酸化炭素の放出等を防ぐことができるため、培養効率を高めることができる。
【０００５】
特許文献１に係る発明では、チューブ型培養槽の内径を５ｃｍに設定している。このようにチューブ型培養槽の内径が小さいと、チューブ型培養槽の内部を流通する培養液の温度が上昇しやすい。一般に、培養を行うための最適な温度は、２５〜３５℃と言われている。したがって、チューブ型培養槽を用いた従来の培養装置では、チューブ型培養槽の近くにスプリンクラーを設置して培養液の温度上昇を抑制することが行われている。
【０００６】
ここで、チューブ型培養槽の内径を大きくすれば、培養液の温度上昇を抑制することができ、さらには、培養液の容量を大きくできるので培養の大容量化を図ることができるとも考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０９−１２１８３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、チューブ型培養槽を用いた従来の培養装置において、チューブ型培養槽の内径を大きくすると、チューブ型培養槽の下部に流れる培養液に光が効果的に到達せず、培養効率が低下するという問題があった。そのため、チューブ型培養槽を用いた従来の培養方法では、チューブ型培養槽の内径を小さくせざるを得なかった。
【０００９】
また、内径が小さいチューブ型培養槽を用いて培養の大容量化を達成するためには、チューブ型培養槽の全長を長くしなければならなかった。そのため、イニシャルコストが嵩むとともに、広い設備面積を確保しなければならなかった。
【００１０】
また、前記したようにチューブ型培養槽の内径が小さいと、培養液の温度が上昇しやすいため、培養液の温度管理が困難であった。スプリンクラー等で対処することはできるが、スプリンクラーに対するイニシャルコスト及びランニングコストが嵩むという問題があった。
【００１１】
本発明は、前記した問題に鑑みて創案されたものであり、培養効率の向上、培養の大容量化さらにはコストの削減を図ることができる培養装置及び培養方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するため、本発明は、微生物を培養する培養液が流れるチューブ型培養槽と、前記チューブ型培養槽に前記培養液を供給する培養液供給手段と、前記チューブ型培養槽に二酸化炭素を含んだ気体を供給する気体供給手段と、を備えた微生物を培養する培養装置であって、前記チューブ型培養槽の内部に、前記培養液がこのチューブ型培養槽の軸線を周りながら流れるように誘導する混合羽根部材が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
かかる構成によれば、混合羽根部材を備えているため、培養液がチューブ型培養槽の軸線を周りながら流動し、混合される。これにより、チューブ型培養槽の内径を大きくしても、培養液に効果的に光を照射することができるため、培養効率を高めることができる。また、チューブ型培養槽の内径を大きく設定することができるため、培養の大容量化が図れる。また、チューブ型培養槽の内径を大きく設定できるため、培養液の温度上昇を抑制することができる。さらに、従来のように培養液を混合しない場合には、光が照射される培養液の上部の温度が顕著に上昇するものであったが、本発明によれば、混合により培養液の温度を均一にすることができる。これにより、培養液の温度管理が容易になる。また、培養の大容量化が図れるため、チューブ型培養槽の全長を短くでき、イニシャルコスト及びランニングコストを削減することができる。
【００１４】
また、前記混合羽部材は、培養液の流動方向に対して板状部材を右方向に捩った右捩り羽根と、培養液の流動方向に対して板状部材を左方向に捩った左捩り羽根と、を交互に並設して構成されていることが好ましい。かかる構成によれば、培養液をより効率よく混合することができる。
【００１５】
また、前記混合羽根部材は、光透過性材料で形成されていることが好ましい。かかる構成によれば、培養液に光をより効果的に照射することができる。
【００１６】
また、前記培養液に養分を供給する養分供給手段と、前記培養槽に照射される光エネルギーを計測する光計測器と、前記チューブ型培養槽内の前記微生物の濃度を計測する濃度計又は前記培養槽内のｐＨを計測するｐＨ計と、前記光計測器の計測結果と前記濃度計又は前記ｐＨ計の計測結果から、前記二酸化炭素を含む気体及び前記養分の供給量を演算する演算装置と、をさらに備えていることが好ましい。
【００１７】
かかる構成によれば、光エネルギー、微生物の濃度又はｐＨの数値に基づいて適量の二酸化炭素及び養分を供給することができるため培養の管理が容易になる。
【００１８】
また、前記チューブ型培養槽に形成された脱気用配管と、前記脱気用配管に連結され前記チューブ型培養槽で生成された酸素を吸引して大気に排出する排気手段と、をさらに有することが好ましい。
【００１９】
チューブ型培養槽内の酸素が飽和状態となると培養効率が低下する原因となるが、かかる構成によれば、チューブ型培養槽内の酸素を効果的に排気することができるため培養効率を高めることができる。
【００２０】
また、本発明は、チューブ型培養槽の内部に、微生物を培養する培養液と二酸化炭素を含んだ気体とを供給し、光を照射して前記微生物を培養する培養方法であって、前記チューブ型培養槽内の前記培養液をこのチューブ型培養槽の軸線を周りながら流れるように誘導させることを特徴とする。
【００２１】
かかる方法によれば、培養液がチューブ型培養槽の軸線を周りながら流動し、混合される。これにより、チューブ型培養槽の内径を大きくしても、培養液に効果的に光を照射することができるため、培養効率を高めることができる。また、チューブ型培養槽の内径を大きく設定することができるため、培養の大容量化が図れる。また、チューブ型培養槽の内径を大きく設定できるため、培養液の温度上昇を抑制することができる。これにより、培養液の温度管理が容易になる。また、大容量化が図れるため、チューブ型培養槽の全長を短くでき、イニシャルコスト及びランニングコストを削減することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る培養装置及び培養方法によれば、培養効率の向上、培養の大容量化及びコストの削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態に係る培養装置を示す概略図である。
【図２】本実施形態に係る第一培養槽を示す拡大図である。
【図３】（ａ）は、本実施形態に係る右捩り羽根部材を示し、（ｂ）は、本実施形態に係る左捩り羽根部材を示した側面図である。
【図４】図２のI-I断面図である。
【図５】他の実施形態に係る培養装置を示す概略図である。
【図６】他の実施形態に係る脱気用配管を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態に係る培養装置１は、培養槽２と、培養液供給手段３と、気体供給手段４と、膨張タンク５と、脱気器６と、光量子計７と、ｐＨ計８と、制御手段９とを主に有する。培養装置１は、培養槽２で光合成によって微生物を培養する閉鎖系の装置である。
【００２５】
培養槽２は、藻類等の微生物を含んだ培養液を流しつつ、光合成を行って微生物を増殖させる部分である。培養槽２は、本実施形態では、第一培養槽１１及び第二培養槽１２の２系統を備えている。培養槽２は、例えば日当たりの良い屋外に設置して、太陽光を照射させる。培養槽２に照射する光は、蛍光灯等で発生した人工的な光であってもよい。培養液内の微生物の種類は特に制限されるものではない。
【００２６】
第一培養槽１１は、図２に示すように、一定の内径を備えた円筒状を呈するチューブ型培養槽であって、平面視して蛇行状に形成されている。第一培養槽１１の上流端は、ヘッダ管１３に接続され、下流端は、ヘッダ管１４に接続されている。ヘッダ管１３から流入した培養液は、第一培養槽１１内を流れてヘッダ管１４から排出するようになっている。第一培養槽１１の内径は、特に制限されないが、本実施形態では約２０ｃｍとなっている。また、第一培養槽１１の材料は、光透過性材料であれば特に制限されないが、本実施形態では例えば、アクリル樹脂を用いている。
【００２７】
第一培養槽１１は、一体成形されたチューブ（円筒管）を用いてもよいが、本実施形態では、複数の直線状のチューブ（１５ａ〜１５ｌ）と、湾曲状のチューブ（１６，１７）とを連結して構成されている。より詳しくは、第一チューブ１５ａ〜第四チューブ１５ｄを直列に連結して直線部１５Ａが構成されている。また、第五チューブ１５ｅ〜第八チューブ１５ｈを直列に連結して直線部１５Ｂが構成されている。また、第九チューブ１５ｉ〜第十二チューブ１５ｌを直列に連結して直線部１５Ｃが構成されている。直線部１５Ａと直線部１５Ｂとは、湾曲状のチューブ１６で連結され、直線部１５Ｂと直線部１５Ｃとは、湾曲状のチューブ１７で連結されている。
【００２８】
図２に示すように、第一チューブ１５ａの内部には、混合羽根部材２１が設けられている。混合羽根部材２１は、第一チューブ１５ａ内を流れる培養液が、第一チューブ１５ａの軸線を周りながら流れるように誘導する板状部材である。混合羽根部材２１は、本実施形態では、右捩り羽根２２と左捩り羽根２３とを１組として、３組並設して構成されている。
【００２９】
右捩り羽根２２は、図３の（ａ）に示すように、この図面の左側から見て、板状部材の一端側を右方向（時計回り方向）に１８０°捩って形成されている。右捩り羽根２２の端部２２ａ，２２ａの縦の長さは、第一チューブ１５ａの内径と同等の長さで形成されている。したがって、図４に示すように、第一チューブ１５ａの内部に右捩り羽根２２を固定すると、右捩り羽根２２の両側縁２２ｂ，２２ｂが、第一チューブ１５ａの内面に当接するように形成されている。
【００３０】
一方、左捩り羽根２３は、図３の（ｂ）に示すように、この図面の左側から見て、板状部材の一端側を左方向（反時計回り方向）に１８０°捩って形成されている。左捩り羽根２３の端部２３ａ，２３ａの縦の長さは、第一チューブ１５ａの内径と同等の長さで形成されている。具体的な図示はしないが、左捩り羽根２３の両側縁２３ｂ，２３ｂは、第一チューブ１５ａの内面に当接するように形成されている。右捩り羽根２２及び左捩り羽根２３の材料は特に制限されないが、光透過性材料であることが好ましいため、本実施形態では例えばアクリル樹脂を用いている。
【００３１】
右捩り羽根２２及び左捩り羽根２３の捩り角度は、本実施形態では１８０°に設定したが、捩り角度を１６５〜１９５°（より好ましくは１７０〜１９０°）の範囲で適宜設定してもよい。また、本実施形態では、右捩り羽根２２及び左捩り羽根２３のアスペクト比（縦の長さと横の長さの比）を１．５に設定したが、アスペクト比は適宜設定すればよい。
【００３２】
図２に示すように、本実施形態では、隣接する右捩り羽根２２と左捩り羽根２３との交叉角度が９０°となるように並設している。つまり、隣接する右捩り羽根２２の端部２２ａ（図３（ａ）参照）と左捩り羽根２３の端部２３ａ（図３の（ｂ）参照）とが断面視して略十字状を呈するように９０°ずらして並設している。本実施形態では右捩り羽根２２と左捩り羽根２３との交叉角度を９０°としたが、交叉角度を７０〜１１０°（より好ましくは８０〜１００°）の範囲で適宜設定してもよい。
なお、隣接する右捩り羽根２２と左捩り羽根２３の交叉角度を前記した角度に保つ方法としては、それぞれの羽根の中心部に切欠きを設け、これらの切欠き同士を組み合わせてもよい。隣接する右捩り羽根２２と左捩り羽根２３の交叉角度を保つ方法は他の方法であってもよい。
【００３３】
図２に示すように、第二チューブ１５ｂ〜第十二チューブ１５ｌの内部にも、第一チューブ１５ａと同様に、混合羽根部材２１が形成されている。これにより、第一培養槽１１の直線部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ内では、混合羽根部材２１に誘導されて培養液が混合される。
【００３４】
第一培養槽１１を形成する際には、単一のチューブ内に混合羽根部材２１を固定した部材を複数個作成した後、これらの部材を直列に連結して形成するのがよい。これにより、第一培養槽１１の長さの調節が容易になるとともに、メンテナンスに対しても好適である。
【００３５】
なお、単一のチューブ（例えば、第一チューブ１５ａ）に設けられる右捩り羽根２２及び左捩り羽根２３の設置個数や大きさ等は特に制限されるものではない。また、本実施形態では、混合羽根部材２１を前記したように構成したが、これに限定されるものではなく、第一培養槽１１の軸線を周るように培養液が流れるようであれば、他の構成であってもよい。
【００３６】
また、右捩り羽根２２の端部２２ａの長さ（左捩り羽根２３の端部２３ａの長さ）は、第一培養槽１１の内径よりも短くしてもよい。混合羽根部材２１と第一培養槽１１の内面との間に隙間がある場合は、シール材等を介設させて隙間が無いように形成することが好ましい。また、湾曲状のチューブ１６，１７に混合羽根部材を設けてもよい。
【００３７】
第二培養槽１２は、第一培養槽１１と略同等の構成であるため、共通する部分には同等の符号を付して第二培養槽１２の詳細な説明は省略する。
【００３８】
培養液供給手段３は、図１に示すように、培養液を流通（循環）させる動力源であって、管路Ｄ１を介してヘッダ管１３に接続されている。培養液供給手段３は、本実施形態ではポンプを用いている。培養液は、培養液供給手段３によって培養槽２内を所定の流速で流れるように設定されている。なお、培養液の流速は、０．１〜３．０ｍ／ｓ（より好ましくは、０．２〜２．０ｍ／ｓ）の範囲で適宜設定すればよい。
【００３９】
気体供給手段４は、図１に示すように、二酸化炭素を含んだ気体を培養槽２に供給する装置であって、管路Ｄ２を介して培養槽２に接続されている。気体供給手段４は、本実施形態では送風機を用いている。培養槽２に供給する気体は、例えば工場やプラント等から排気される二酸化炭素を含んだ気体を利用することが好ましい。
【００４０】
管路Ｄ２は、主管Ｄ２０と、主管Ｄ２０から分岐した分岐管Ｄ２１〜Ｄ２６とを備えている。分岐管Ｄ２１〜Ｄ２６の先端には、培養槽２に接続された気体供給ノズルＮ１〜Ｎ６がそれぞれ設けられている。
【００４１】
より詳しくは、第一培養槽１１においては、気体供給ノズルＮ１は、第一チューブ１５ａの最上流側に、気体供給ノズルＮ２は、第五チューブ１５ｅの最上流側に、気体供給ノズルＮ３は第九チューブ１５ｉの最上流側にそれぞれ設けられている。
また、第二培養槽１２においても、気体供給ノズルＮ４は、第一チューブ１５ａの最上流側に、気体供給ノズルＮ５は、第五チューブ１５ｅの最上流側に、気体供給ノズルＮ６は、第九チューブ１５ｉの最上流側にそれぞれ設けられている。このように、等間隔をあけて気体供給ノズルを設けることで、バランスよく二酸化炭素を含んだ気体を供給することができる。
【００４２】
分岐管Ｄ２１〜Ｄ２６には、図１に示すように、それぞれ電磁弁Ｅ１〜Ｅ６が設けられている。電磁弁Ｅ１〜Ｅ６は、制御手段９と電気的に接続されており、制御手段９からの制御信号に基づいて弁が開閉し、分岐管Ｄ２１〜Ｄ２６を気体流通可能な開状態と、気体流通を遮断する閉状態とを切り替える。
【００４３】
膨張タンク５は、図１に示すように、ヘッダ管１３に設置されている。太陽光が照射されて、培養槽２内で膨張した培養液や気体は、膨張タンク５によって吸収される。膨張タンク５の設置箇所は、特に制限されるものではない。
【００４４】
脱気器６は、管路Ｄ３を介してヘッダ管１４に接続されており、培養液内の酸素等の溶存気体を外部に排気する装置である。脱気器６には、冷却手段３１、養分供給手段３２及び補給水供給手段３３が接続されている。管路Ｄ３から脱気器６に流入した培養液は、冷却手段３１によって冷却され、培養液中に溶存する過剰酸素が外部に排気される。培養液は、培養槽２で太陽光に照射されるため、温度が上昇している。したがって、冷却手段３１によって、培養液を培養に最適な２５〜３５℃に降下させる。
【００４５】
養分供給手段３２は、脱気器６内の培養液に対して養分を供給する装置である。養分供給手段３２は、制御手段９と電気的に接続されており、制御手段９からの制御信号に基づいて、所定量の養分を供給する。供給する養分は特に制限されないが、例えば、窒素、リン酸、カリなどの無機養分やｐＨ調整剤等を供給する。
【００４６】
補給水供給手段３３は、脱気器６内の培養液に対して新たに水を供給する装置である。補給水供給手段３３は、断続的又は連続的に水を供給する。
【００４７】
光量子計７は、培養槽２に照射される光量子を計測する光計測器である。光量子計７は、制御手段９と電気的に接続されており、計測された結果を制御手段９に送信する。光量子計７は、本実施形態では、第一培養槽１１の最上流側及び第二培養槽１２の最上流側にそれぞれ設置されている。光量子計７の設置箇所や設置個数は制限されるものではない。光量子計７に換えて、照度計を用いてもよいし、培養槽２に照射される光エネルギーを計測する他の光計測器を用いてもよい。
【００４８】
ｐＨ計８は、培養液のｐＨを計測する装置である。ｐＨ計８は、制御手段９と電気的に接続されており、計測された結果を制御手段９に送信する。ｐＨ計８は、第一培養槽１１及び第二培養槽１２にそれぞれ三個ずつ設置されている。
【００４９】
より詳しくは、ｐＨ計８は、第一培養槽１１においては、第四チューブ１５ｄの最下流側に、第八チューブ１５ｈの最下流側に、第十二チューブ１５ｌの最下流側にそれぞれ設置されている。同様に、ｐＨ計８は、第二培養槽１２においても、第四チューブ１５ｄの最下流側に、第八チューブ１５ｈの最下流側に、第十二チューブ１５ｌの最下流側にそれぞれ設置されている。ｐＨ計８の設置箇所や設置個数は限定されるものではないが、本実施形態のように、均等な間隔をあけて複数個設置することで、上流側と下流側で変化する培養液のｐＨをより正確に把握することができる。
【００５０】
なお、ｐＨ計に換えて又はｐＨ計と併用して培養液中の微生物の濃度を計測する濃度計を用いてもよい。濃度計を用いる場合も、濃度計を制御手段９に接続し、計測された結果を制御手段９に送信させる。
【００５１】
また、第一培養槽１１及び第二培養槽１２には、培養液の温度を計測する温度計（図示省略）を備えている。温度計は、計測された結果を制御手段９に送信する。
【００５２】
制御手段９は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）からなる演算装置と、ＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリと、キーボード等の入力手段と、を備えている。本実施形態のように太陽光によって光合成を行う場合、１日又は１年を通して光の強さが異なる。また、微生物の光合成の活性量に伴って、培養液のｐＨや菌濃度等も変化するため、さらに、培養槽の光透過率も変化するため、これらの変化も考慮して、二酸化炭素を含んだ気体及び養分の供給量等を過不足なく供給することが好ましい。したがって、制御手段９は、効率よく培養を行うために、光の強さやｐＨに基づいて二酸化炭素の供給量及び養分の供給量等を演算し、各装置に制御信号を送信する。
【００５３】
制御手段９のメモリには、本実施形態で利用する気体の二酸化炭素の濃度や培養液中の微生物の最適な濃度等が記憶されているものとする。また、メモリには、微生物の濃度、二酸化炭素、培養液の温度、光量子、ｐＨ、菌濃度等に基づいて微生物の増加量や、最適な二酸化炭素及び養分の供給量を算出可能なプログラムが記憶されている。
【００５４】
演算装置は、本実施形態では、光量子計７から送信されたデータ及びｐＨ計から送信されたデータ等に基づいて、これらのデータに対応する微生物の増加量や、最適な気体の供給量及び養分の供給量を算出する。制御手段９は、演算装置で算出された結果に基づいて、気体供給手段４及び電磁弁Ｅ１〜Ｅ６に制御信号を送り、二酸化炭素を含んだ気体の供給量を制御する。また、制御手段９は、演算装置で算出された結果に基づいて、養分供給手段３２に制御信号を送り、養分の供給量を制御する。
【００５５】
例えば、日中など光の照射が強い場合は、微生物の光合成が盛んに行われるため、培養液中の二酸化炭素が減少する。また、二酸化炭素の減少に伴って、ｐＨが高くなる（アルカリ性になる）。したがって、この場合は、二酸化炭素を含んだ気体及び養分の供給量を多くする。これにより、培養液のｐＨを、光合成に最適な中性に保つことができる。
一方、夜間など光の照射が弱い場合は、微生物の光合成が沈静化するので、培養液中の二酸化炭素が増加する。また、二酸化炭素の増加に伴って、ｐＨが低くなる（酸性になる）。したがって、この場合は、二酸化炭素及び養分の供給量を少なくする。これにより、培養液のｐＨを、光合成に最適な中性に保つことができる。
【００５６】
ここで、光合成に必要な二酸化炭素の量については、光合成／カルビンサイクルに基づいて、次のように考えられる。
ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ＋８光量子 → １／６×Ｃ6Ｈ12Ｏ6＋Ｏ2（式１）
式１より、４４ｇの二酸化炭素と１８ｇの水と８光量子で、３０ｇの炭化水素が合成される。また、微生物中の炭素量が５５％（通常、４０〜７５％）である場合、質量１ｇの微生物中の炭素は０．５５ｇとなるが、この炭素は空中の二酸化炭素を固定したものである。したがって、炭素の原子量１２と二酸化炭素の分子量４４を考慮すると、０．５５ｇの炭素は約２ｇ（≒０．５５ｇ÷１２×４４）の二酸化炭素を固定したことになる。即ち、１ｇの微生物には２ｇの二酸化炭素が必要となる。
【００５７】
また、光合成に必要な養分（例えば、窒素）については、次のように考えられる。微生物中の蛋白質の約１６％が窒素であるため、微生物中の蛋白質量が５０％（通常、４０〜７０％）である場合、質量１ｇの微生物中の窒素は０．０８ｇとなる。即ち、１ｇの微生物には、０．０８ｇの窒素が必要となる。なお、窒素以外の養分は微量ではあるが、前記と同様にして質量１ｇの微生物に対する必要量を把握できる。
【００５８】
したがって、８光量子による光合成／カルビンサイクルには、４４ｇの二酸化炭素と１．７６ｇの窒素が必要であり、２２ｇの微生物の増加となるので、光量子計７によって光の強さを測定することにより、二酸化炭素の供給量、養分の供給量及び微生物の増加量が概略計算できる。
【００５９】
なお、制御手段の構成については、前記した構成に限定されるものではない。
【００６０】
次に、図１等を参照して培養装置１の動作について説明する。まず、培養液供給手段３から管路Ｄ１及びヘッダ管１３を介して培養槽２に藻類等の微生物を含んだ培養液が供給される。また、気体供給手段４によって、培養槽２に二酸化炭素を含んだ気体が供給される。
【００６１】
培養槽２に照射される光及び供給された二酸化炭素によって、培養液中の藻類が光合成を行って酸素を生成する。培養槽２から流出した培養液は、ヘッダ管１４を介して管路Ｄ３に流入する。管路Ｄ３では、培養液の一部が収穫され、残りは脱気器６に流入する。脱気器６では、培養液が冷却されるとともに、培養液中に溶存している酸素が外部に排出される。
【００６２】
脱気器６では、培養液に養分及び補給水が追加され、管路Ｄ４から培養液供給手段３に送られる。このように、培養装置１では、主に培養槽２、培養液供給手段３及び脱気器６で培養液を循環させつつ、微生物の培養を行う。培養槽２に供給される二酸化炭素を含んだ気体や養分の供給量は、最適な光合成が行われるように制御手段９によって制御されている。
【００６３】
以上説明した培養装置１によれば、培養槽２内に混合羽根部材２１を設けているため、培養槽２内を流れる培養液を混合させることができる。つまり、図４に示す第一培養槽１１を例に説明すると、培養液は、混合羽根部材２１の右捩り羽根２２の捩れ面によって誘導され、第一培養槽１１の軸線Ｃを周りながら流動する。これにより、第一培養槽１１内で培養液を効率よく混合することができる。
【００６４】
また、本実施形態では、培養液の流動方向に対して板状部材を右に捩った右捩り羽根２２と、培養液の流動方向に対して左に捩った左捩り羽根２３とを交互に、かつ、９０°位相をずらして並設したため、培養液の転換作用と分割作用を備えている。つまり、培養液が右捩り羽根２２及び左捩り羽根２３の捩れ面に沿って軸線Ｃから第一培養槽１１の内面方向へ又は、第一培養槽１１の内面から軸線Ｃ方向へ流動方向が転換するとともに、培養液が右捩り羽根２２の端部２２ａ及び左捩り羽根２３の端部２３ａ（図３の（ｂ）参照）に衝突して分割される。これにより、均一に培養液を混合することができる。
【００６５】
また、混合羽根部材２１を設けることで、混合羽根部材２１を設けない場合と比べて第一培養槽１１内の気体の移動距離、つまり、気体の溶解時間を長くすることができるため、培養槽２の長さに対する気体の溶解効率が高まる。また、第一培養槽１１内では、培養液中の気泡が混合羽根部材２１に衝突して微細化され、培養液との接触面積が大きくなるので、培養槽２の長さに対する気体の溶解効率をより高めることができる。
【００６６】
このように、本実施形態では培養槽２内に、混合羽根部材２１を備えているため、培養槽２の内径を大きく設定（本実施形態では、内径を２０ｃｍに設定）しても、培養槽２内の培養液に効果的に光を照射することができる。これにより、培養効率を高めることができるとともに、培養の大容量化を図れる。
【００６７】
また、従来の培養装置では、培養槽の内径が小さかったため、培養液の温度が上昇しやすかった。よって、培養槽に適切な温度（例えば、２５〜３５℃）を超えやすく、培養効率が低下したり、培養液中の微生物が死滅したりすることがあった。しかし、本実施形態によれば、培養槽２の内径を大きくすることができるため、培養槽２内の温度上昇を抑制することができる。これにより、培養液の温度管理が容易になる。仮に、培養槽２にスプリンクラーなどの冷却手段を設けたとしても、設置個数等を削減できる。よって、初期コスト及びランニングコストを削減することができる。また、本実施形態によれば、培養の大容量化を図れるため、従来に比べて培養槽２の全長を短くでき、さらなるコストの削減が図れる。
【００６８】
また、従来の培養装置では、培養槽の内径が小さかったため、培養槽単位断面積あたりの二酸化炭素の供給ポイントを多くせざるを得なかった。これにより、培養装置のコストの増加を伴っていた。しかし、本実施形態によれば、培養槽２の内径を大きくすることができるため、二酸化炭素の供給ポイント（気体供給ノズルＮ１〜Ｎ６）を比較的少なくすることができ、培養装置のコストを削減できる。
【００６９】
ここで、混合羽根部材２１と培養槽２の内面との間に隙間があると、その隙間に気体が流れて培養液に気体が溶解しなかったり、培養液の混合効率が低下したりして、培養効率が低下する。しかし、本実施形態では、図４に示すように、右捩り羽根２２の両側縁２２ｂ，２２ｂ（左捩り羽根２３の両側縁２３ｂ，２３ｂ）を培養槽２の内面に当接させているため、培養液への気体の溶解効率及び混合効率を高めることができ、ひいては培養効率を高めることができる。
【００７０】
また、培養槽２及び混合羽根部材２１をアクリル（光透過性材料）で形成しているため、より効果的に培養液に光を照射できる。また、光量子計７及びｐＨ計８の計測結果に基づいて、制御手段９が適切な量の二酸化炭素を含んだ気体及び養分を供給するため、培養効率を高めることができる。
【００７１】
また、培養液中に溶存する酸素が過多になると、光合成に悪影響を与えることになるが、脱気器６によって酸素を排気することで、培養効率を高めることができる。
【００７２】
次に、図５及び図６を用いて他の実施形態について説明する。他の実施形態では、図５に示すように、培養槽２内で混合羽根部材２１を所定の間隔をあけて設けている点及び脱気用配管４１及び排気手段４２を設けた点で前記した実施形態と相違する。他の構成については、前記した実施形態と同等であるため、共通する部分においては同等の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００７３】
第一培養槽１１’は、混合羽根部材２１を備えているチューブと備えていないチューブとを交互に有する。つまり、第二チューブ１５ｂ’、第四チューブ１５ｄ’、第六チューブ１５ｆ’、第八チューブ１５ｈ’、第十チューブ１５ｊ’及び第十二チューブ１５ｌ’には、混合羽根部材２１を設けていない。
【００７４】
脱気用配管４１は、図５に示すように、第一培養槽１１’及び第二培養槽１２’の長手方向中央にそれぞれ一つずつ設けられている。脱気用配管４１，４１は、管路Ｄ５を介して排気手段４２に接続されている。
【００７５】
排気手段４２は、本実施形態では、真空ポンプを用いている。脱気用配管４１及び排気手段４２によって、培養槽２内で生成された酸素を吸引して、外部に排気するように形成されている。また、排気手段４２は、管路Ｄ６を介して脱気器６に接続されており、脱気器６内の培養液に溶存する酸素を吸引して排気するように形成されている。
【００７６】
図６に示すように、第六チューブ１５ｆ’と第七チューブ１５ｇの間には、開口４３ａを備えた連結チューブ４３が介設されている。脱気用配管４１は、連結チューブ４３の開口４３ａに連通するノズル４４と、フィルタ４５とを有する。ノズル４４の先端には、排気手段４２（図５参照）に連通する管路Ｄ５が接続されている。ノズル４４の内部には、フィルタ４５が設けられている。フィルタ４５は、例えば多孔質セラミックスで形成されており、水を通しにくく、気体を通しやすくなっている。なお、フィルタ４５は、多孔質セラミックスに換えて、超極細繊維製不織布を用いてもよい。フィルタ４５の長さは、ノズル４４の長さよりも短くなっており、開口４３ａからフィルタ４５の端面の間に空気溜り４６が形成されている。空気溜り４６を設けることで、培養液に溶存する酸素がフィルタ４５側に流動しやすくなっている。
【００７７】
他の実施形態によれば、混合羽根部材２１の設置箇所を減らすことで、培養装置１’の製造コストを削減することができる。
【００７８】
また、脱気用配管４１及び排気手段４２を備えることで、培養液に溶存する酸素を効率よく外部に排気することができる。これにより、酸素過多による微生物の増殖速度の低下を回避することができる。
【００７９】
なお、脱気用配管４１の設置箇所や設置個数は、培養装置１’の大きさ等に応じて適宜設定すればよい。また、連結チューブ４３を用いずに、単一のチューブ（例えば、第六チューブ１５ｆ’に脱気用配管４１を設置してもよい。
【００８０】
以上発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。例えば、本実施形態では、第一培養槽及び第二培養槽と培養槽をニ系統設けたが、何系統設置してもよい。脱気用配管４１及び排気手段４２は、図１で示す培養装置１に設けてもよい。
【符号の説明】
【００８１】
１ 培養装置
２ 培養槽（チューブ型培養槽）
３ 培養液供給手段
４ 気体供給手段
５ 膨張タンク
６ 脱気器
７ 光量子計（光計測器）
８ ｐＨ計
９ 制御手段
１１ 第一培養槽
１２ 第二培養槽
１３ ヘッダ管
１４ ヘッダ管
１５ａ〜１５ｌ 直線状のチューブ
１６ 湾曲状のチューブ
１７ 湾曲状のチューブ
２１ 混合羽根部材
２２ 右捩り羽根
２３ 左捩り羽根
３１ 冷却手段
３２ 養分供給手段
３３ 補給水供給手段
４１ 脱気用配管
４２ 排気手段
４３ 連結チューブ
４４ ノズル
４５ フィルタ
４６ 空気溜り
Ｅ１〜Ｅ６ 電磁弁
Ｎ１〜Ｎ６ 気体供給ノズル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光合成によって微生物を培養する培養装置及び培養方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化対策において、光合成によって微生物を培養し、二酸化炭素を削減する技術が知られている。微生物の培養を効率よく行うためには、培養液に光及び二酸化炭素を効果的に供給する必要があるため、これらを実現できる培養装置の開発が行われている。従来の培養装置は、培養槽に貯留された培養液が大気中に開放された開放系と、閉鎖された閉鎖系とに大きく分類される。
【０００３】
開放系の培養装置では、上方が開放した箱状の培養槽が用いられる。このような開放系の培養装置によれば、培養槽を簡素化できるため、初期投資を削減できるというメリットがある。しかし、外部から培養槽内に異物、雑菌等が混入し、培養に悪影響を与えるという問題がある。また、開放系の培養装置では、培養液に二酸化炭素を供給しても二酸化炭素が大気中に放出されてしまうため、培養効率が低下するという問題がある。
【０００４】
一方、閉鎖系の培養装置の一つとして、閉鎖空間を備えたチューブ型の培養槽（以下、チューブ型培養槽とも言う）が用いられる。このチューブ型培養槽の内部に培養液を流通させて微生物を培養させる（特許文献１参照）。特許文献１に係る発明によれば、異物の混入や二酸化炭素の放出等を防ぐことができるため、培養効率を高めることができる。
【０００５】
特許文献１に係る発明では、チューブ型培養槽の内径を５ｃｍに設定している。このようにチューブ型培養槽の内径が小さいと、チューブ型培養槽の内部を流通する培養液の温度が上昇しやすい。一般に、培養を行うための最適な温度は、２５〜３５℃と言われている。したがって、チューブ型培養槽を用いた従来の培養装置では、チューブ型培養槽の近くにスプリンクラーを設置して培養液の温度上昇を抑制することが行われている。
【０００６】
ここで、チューブ型培養槽の内径を大きくすれば、培養液の温度上昇を抑制することができ、さらには、培養液の容量を大きくできるので培養の大容量化を図ることができるとも考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０９−１２１８３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、チューブ型培養槽を用いた従来の培養装置において、チューブ型培養槽の内径を大きくすると、チューブ型培養槽の下部に流れる培養液に光が効果的に到達せず、培養効率が低下するという問題があった。そのため、チューブ型培養槽を用いた従来の培養方法では、チューブ型培養槽の内径を小さくせざるを得なかった。
【０００９】
また、内径が小さいチューブ型培養槽を用いて培養の大容量化を達成するためには、チューブ型培養槽の全長を長くしなければならなかった。そのため、イニシャルコストが嵩むとともに、広い設備面積を確保しなければならなかった。
【００１０】
また、前記したようにチューブ型培養槽の内径が小さいと、培養液の温度が上昇しやすいため、培養液の温度管理が困難であった。スプリンクラー等で対処することはできるが、スプリンクラーに対するイニシャルコスト及びランニングコストが嵩むという問題があった。
【００１１】
本発明は、前記した問題に鑑みて創案されたものであり、培養効率の向上、培養の大容量化さらにはコストの削減を図ることができる培養装置及び培養方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するため、本発明は、微生物を培養する培養液が流れるチューブ型培養槽と、前記チューブ型培養槽に前記培養液を供給する培養液供給手段と、前記チューブ型培養槽に二酸化炭素を含んだ気体を供給する気体供給手段と、を備えた微生物を培養する培養装置であって、前記チューブ型培養槽の内部に、前記培養液がこのチューブ型培養槽の軸線を周りながら流れるように誘導する混合羽根部材が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
かかる構成によれば、混合羽根部材を備えているため、培養液がチューブ型培養槽の軸線を周りながら流動し、混合される。これにより、チューブ型培養槽の内径を大きくしても、培養液に効果的に光を照射することができるため、培養効率を高めることができる。また、チューブ型培養槽の内径を大きく設定することができるため、培養の大容量化が図れる。また、チューブ型培養槽の内径を大きく設定できるため、培養液の温度上昇を抑制することができる。さらに、従来のように培養液を混合しない場合には、光が照射される培養液の上部の温度が顕著に上昇するものであったが、本発明によれば、混合により培養液の温度を均一にすることができる。これにより、培養液の温度管理が容易になる。また、培養の大容量化が図れるため、チューブ型培養槽の全長を短くでき、イニシャルコスト及びランニングコストを削減することができる。
【００１４】
また、前記混合羽部材は、培養液の流動方向に対して板状部材を右方向に捩った右捩り羽根と、培養液の流動方向に対して板状部材を左方向に捩った左捩り羽根と、を交互に並設して構成されていることが好ましい。かかる構成によれば、培養液をより効率よく混合することができる。
【００１５】
また、前記混合羽根部材は、光透過性材料で形成されていることが好ましい。かかる構成によれば、培養液に光をより効果的に照射することができる。
【００１６】
また、前記培養液に養分を供給する養分供給手段と、前記培養槽に照射される光エネルギーを計測する光計測器と、前記チューブ型培養槽内の前記微生物の濃度を計測する濃度計又は前記培養槽内のｐＨを計測するｐＨ計と、前記光計測器の計測結果と前記濃度計又は前記ｐＨ計の計測結果から、前記二酸化炭素を含む気体及び前記養分の供給量を演算する演算装置と、をさらに備えていることが好ましい。
【００１７】
かかる構成によれば、光エネルギー、微生物の濃度又はｐＨの数値に基づいて適量の二酸化炭素及び養分を供給することができるため培養の管理が容易になる。
【００１８】
また、前記チューブ型培養槽に形成された脱気用配管と、前記脱気用配管に連結され前記チューブ型培養槽で生成された酸素を吸引して大気に排出する排気手段と、をさらに有することが好ましい。
【００１９】
チューブ型培養槽内の酸素が飽和状態となると培養効率が低下する原因となるが、かかる構成によれば、チューブ型培養槽内の酸素を効果的に排気することができるため培養効率を高めることができる。
【００２０】
また、本発明は、チューブ型培養槽の内部に、微生物を培養する培養液と二酸化炭素を含んだ気体とを供給し、光を照射して前記微生物を培養する培養方法であって、前記チューブ型培養槽内の前記培養液をこのチューブ型培養槽の軸線を周りながら流れるように誘導させることを特徴とする。
【００２１】
かかる方法によれば、培養液がチューブ型培養槽の軸線を周りながら流動し、混合される。これにより、チューブ型培養槽の内径を大きくしても、培養液に効果的に光を照射することができるため、培養効率を高めることができる。また、チューブ型培養槽の内径を大きく設定することができるため、培養の大容量化が図れる。また、チューブ型培養槽の内径を大きく設定できるため、培養液の温度上昇を抑制することができる。これにより、培養液の温度管理が容易になる。また、大容量化が図れるため、チューブ型培養槽の全長を短くでき、イニシャルコスト及びランニングコストを削減することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る培養装置及び培養方法によれば、培養効率の向上、培養の大容量化及びコストの削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態に係る培養装置を示す概略図である。
【図２】本実施形態に係る第一培養槽を示す拡大図である。
【図３】（ａ）は、本実施形態に係る右捩り羽根部材を示し、（ｂ）は、本実施形態に係る左捩り羽根部材を示した側面図である。
【図４】図２のI-I断面図である。
【図５】他の実施形態に係る培養装置を示す概略図である。
【図６】他の実施形態に係る脱気用配管を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態に係る培養装置１は、培養槽２と、培養液供給手段３と、気体供給手段４と、膨張タンク５と、脱気器６と、光量子計７と、ｐＨ計８と、制御手段９とを主に有する。培養装置１は、培養槽２で光合成によって微生物を培養する閉鎖系の装置である。
【００２５】
培養槽２は、藻類等の微生物を含んだ培養液を流しつつ、光合成を行って微生物を増殖させる部分である。培養槽２は、本実施形態では、第一培養槽１１及び第二培養槽１２の２系統を備えている。培養槽２は、例えば日当たりの良い屋外に設置して、太陽光を照射させる。培養槽２に照射する光は、蛍光灯等で発生した人工的な光であってもよい。培養液内の微生物の種類は特に制限されるものではない。
【００２６】
第一培養槽１１は、図２に示すように、一定の内径を備えた円筒状を呈するチューブ型培養槽であって、平面視して蛇行状に形成されている。第一培養槽１１の上流端は、ヘッダ管１３に接続され、下流端は、ヘッダ管１４に接続されている。ヘッダ管１３から流入した培養液は、第一培養槽１１内を流れてヘッダ管１４から排出するようになっている。第一培養槽１１の内径は、特に制限されないが、本実施形態では約２０ｃｍとなっている。また、第一培養槽１１の材料は、光透過性材料であれば特に制限されないが、本実施形態では例えば、アクリル樹脂を用いている。
【００２７】
第一培養槽１１は、一体成形されたチューブ（円筒管）を用いてもよいが、本実施形態では、複数の直線状のチューブ（１５ａ〜１５ｌ）と、湾曲状のチューブ（１６，１７）とを連結して構成されている。より詳しくは、第一チューブ１５ａ〜第四チューブ１５ｄを直列に連結して直線部１５Ａが構成されている。また、第五チューブ１５ｅ〜第八チューブ１５ｈを直列に連結して直線部１５Ｂが構成されている。また、第九チューブ１５ｉ〜第十二チューブ１５ｌを直列に連結して直線部１５Ｃが構成されている。直線部１５Ａと直線部１５Ｂとは、湾曲状のチューブ１６で連結され、直線部１５Ｂと直線部１５Ｃとは、湾曲状のチューブ１７で連結されている。
【００２８】
図２に示すように、第一チューブ１５ａの内部には、混合羽根部材２１が設けられている。混合羽根部材２１は、第一チューブ１５ａ内を流れる培養液が、第一チューブ１５ａの軸線を周りながら流れるように誘導する板状部材である。混合羽根部材２１は、本実施形態では、右捩り羽根２２と左捩り羽根２３とを１組として、３組並設して構成されている。
【００２９】
右捩り羽根２２は、図３の（ａ）に示すように、この図面の左側から見て、板状部材の一端側を右方向（時計回り方向）に１８０°捩って形成されている。右捩り羽根２２の端部２２ａ，２２ａの縦の長さは、第一チューブ１５ａの内径と同等の長さで形成されている。したがって、図４に示すように、第一チューブ１５ａの内部に右捩り羽根２２を固定すると、右捩り羽根２２の両側縁２２ｂ，２２ｂが、第一チューブ１５ａの内面に当接するように形成されている。
【００３０】
一方、左捩り羽根２３は、図３の（ｂ）に示すように、この図面の左側から見て、板状部材の一端側を左方向（反時計回り方向）に１８０°捩って形成されている。左捩り羽根２３の端部２３ａ，２３ａの縦の長さは、第一チューブ１５ａの内径と同等の長さで形成されている。具体的な図示はしないが、左捩り羽根２３の両側縁２３ｂ，２３ｂは、第一チューブ１５ａの内面に当接するように形成されている。右捩り羽根２２及び左捩り羽根２３の材料は特に制限されないが、光透過性材料であることが好ましいため、本実施形態では例えばアクリル樹脂を用いている。
【００３１】
右捩り羽根２２及び左捩り羽根２３の捩り角度は、本実施形態では１８０°に設定したが、捩り角度を１６５〜１９５°（より好ましくは１７０〜１９０°）の範囲で適宜設定してもよい。また、本実施形態では、右捩り羽根２２及び左捩り羽根２３のアスペクト比（縦の長さと横の長さの比）を１．５に設定したが、アスペクト比は適宜設定すればよい。
【００３２】
図２に示すように、本実施形態では、隣接する右捩り羽根２２と左捩り羽根２３との交叉角度が９０°となるように並設している。つまり、隣接する右捩り羽根２２の端部２２ａ（図３（ａ）参照）と左捩り羽根２３の端部２３ａ（図３の（ｂ）参照）とが断面視して略十字状を呈するように９０°ずらして並設している。本実施形態では右捩り羽根２２と左捩り羽根２３との交叉角度を９０°としたが、交叉角度を７０〜１１０°（より好ましくは８０〜１００°）の範囲で適宜設定してもよい。
なお、隣接する右捩り羽根２２と左捩り羽根２３の交叉角度を前記した角度に保つ方法としては、それぞれの羽根の中心部に切欠きを設け、これらの切欠き同士を組み合わせてもよい。隣接する右捩り羽根２２と左捩り羽根２３の交叉角度を保つ方法は他の方法であってもよい。
【００３３】
図２に示すように、第二チューブ１５ｂ〜第十二チューブ１５ｌの内部にも、第一チューブ１５ａと同様に、混合羽根部材２１が形成されている。これにより、第一培養槽１１の直線部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ内では、混合羽根部材２１に誘導されて培養液が混合される。
【００３４】
第一培養槽１１を形成する際には、単一のチューブ内に混合羽根部材２１を固定した部材を複数個作成した後、これらの部材を直列に連結して形成するのがよい。これにより、第一培養槽１１の長さの調節が容易になるとともに、メンテナンスに対しても好適である。
【００３５】
なお、単一のチューブ（例えば、第一チューブ１５ａ）に設けられる右捩り羽根２２及び左捩り羽根２３の設置個数や大きさ等は特に制限されるものではない。また、本実施形態では、混合羽根部材２１を前記したように構成したが、これに限定されるものではなく、第一培養槽１１の軸線を周るように培養液が流れるようであれば、他の構成であってもよい。
【００３６】
また、右捩り羽根２２の端部２２ａの長さ（左捩り羽根２３の端部２３ａの長さ）は、第一培養槽１１の内径よりも短くしてもよい。混合羽根部材２１と第一培養槽１１の内面との間に隙間がある場合は、シール材等を介設させて隙間が無いように形成することが好ましい。また、湾曲状のチューブ１６，１７に混合羽根部材を設けてもよい。
【００３７】
第二培養槽１２は、第一培養槽１１と略同等の構成であるため、共通する部分には同等の符号を付して第二培養槽１２の詳細な説明は省略する。
【００３８】
培養液供給手段３は、図１に示すように、培養液を流通（循環）させる動力源であって、管路Ｄ１を介してヘッダ管１３に接続されている。培養液供給手段３は、本実施形態ではポンプを用いている。培養液は、培養液供給手段３によって培養槽２内を所定の流速で流れるように設定されている。なお、培養液の流速は、０．１〜３．０ｍ／ｓ（より好ましくは、０．２〜２．０ｍ／ｓ）の範囲で適宜設定すればよい。
【００３９】
気体供給手段４は、図１に示すように、二酸化炭素を含んだ気体を培養槽２に供給する装置であって、管路Ｄ２を介して培養槽２に接続されている。気体供給手段４は、本実施形態では送風機を用いている。培養槽２に供給する気体は、例えば工場やプラント等から排気される二酸化炭素を含んだ気体を利用することが好ましい。
【００４０】
管路Ｄ２は、主管Ｄ２０と、主管Ｄ２０から分岐した分岐管Ｄ２１〜Ｄ２６とを備えている。分岐管Ｄ２１〜Ｄ２６の先端には、培養槽２に接続された気体供給ノズルＮ１〜Ｎ６がそれぞれ設けられている。
【００４１】
より詳しくは、第一培養槽１１においては、気体供給ノズルＮ１は、第一チューブ１５ａの最上流側に、気体供給ノズルＮ２は、第五チューブ１５ｅの最上流側に、気体供給ノズルＮ３は第九チューブ１５ｉの最上流側にそれぞれ設けられている。
また、第二培養槽１２においても、気体供給ノズルＮ４は、第一チューブ１５ａの最上流側に、気体供給ノズルＮ５は、第五チューブ１５ｅの最上流側に、気体供給ノズルＮ６は、第九チューブ１５ｉの最上流側にそれぞれ設けられている。このように、等間隔をあけて気体供給ノズルを設けることで、バランスよく二酸化炭素を含んだ気体を供給することができる。
【００４２】
分岐管Ｄ２１〜Ｄ２６には、図１に示すように、それぞれ電磁弁Ｅ１〜Ｅ６が設けられている。電磁弁Ｅ１〜Ｅ６は、制御手段９と電気的に接続されており、制御手段９からの制御信号に基づいて弁が開閉し、分岐管Ｄ２１〜Ｄ２６を気体流通可能な開状態と、気体流通を遮断する閉状態とを切り替える。
【００４３】
膨張タンク５は、図１に示すように、ヘッダ管１３に設置されている。太陽光が照射されて、培養槽２内で膨張した培養液や気体は、膨張タンク５によって吸収される。膨張タンク５の設置箇所は、特に制限されるものではない。
【００４４】
脱気器６は、管路Ｄ３を介してヘッダ管１４に接続されており、培養液内の酸素等の溶存気体を外部に排気する装置である。脱気器６には、冷却手段３１、養分供給手段３２及び補給水供給手段３３が接続されている。管路Ｄ３から脱気器６に流入した培養液は、冷却手段３１によって冷却され、培養液中に溶存する過剰酸素が外部に排気される。培養液は、培養槽２で太陽光に照射されるため、温度が上昇している。したがって、冷却手段３１によって、培養液を培養に最適な２５〜３５℃に降下させる。
【００４５】
養分供給手段３２は、脱気器６内の培養液に対して養分を供給する装置である。養分供給手段３２は、制御手段９と電気的に接続されており、制御手段９からの制御信号に基づいて、所定量の養分を供給する。供給する養分は特に制限されないが、例えば、窒素、リン酸、カリなどの無機養分やｐＨ調整剤等を供給する。
【００４６】
補給水供給手段３３は、脱気器６内の培養液に対して新たに水を供給する装置である。補給水供給手段３３は、断続的又は連続的に水を供給する。
【００４７】
光量子計７は、培養槽２に照射される光量子を計測する光計測器である。光量子計７は、制御手段９と電気的に接続されており、計測された結果を制御手段９に送信する。光量子計７は、本実施形態では、第一培養槽１１の最上流側及び第二培養槽１２の最上流側にそれぞれ設置されている。光量子計７の設置箇所や設置個数は制限されるものではない。光量子計７に換えて、照度計を用いてもよいし、培養槽２に照射される光エネルギーを計測する他の光計測器を用いてもよい。
【００４８】
ｐＨ計８は、培養液のｐＨを計測する装置である。ｐＨ計８は、制御手段９と電気的に接続されており、計測された結果を制御手段９に送信する。ｐＨ計８は、第一培養槽１１及び第二培養槽１２にそれぞれ三個ずつ設置されている。
【００４９】
より詳しくは、ｐＨ計８は、第一培養槽１１においては、第四チューブ１５ｄの最下流側に、第八チューブ１５ｈの最下流側に、第十二チューブ１５ｌの最下流側にそれぞれ設置されている。同様に、ｐＨ計８は、第二培養槽１２においても、第四チューブ１５ｄの最下流側に、第八チューブ１５ｈの最下流側に、第十二チューブ１５ｌの最下流側にそれぞれ設置されている。ｐＨ計８の設置箇所や設置個数は限定されるものではないが、本実施形態のように、均等な間隔をあけて複数個設置することで、上流側と下流側で変化する培養液のｐＨをより正確に把握することができる。
【００５０】
なお、ｐＨ計に換えて又はｐＨ計と併用して培養液中の微生物の濃度を計測する濃度計を用いてもよい。濃度計を用いる場合も、濃度計を制御手段９に接続し、計測された結果を制御手段９に送信させる。
【００５１】
また、第一培養槽１１及び第二培養槽１２には、培養液の温度を計測する温度計（図示省略）を備えている。温度計は、計測された結果を制御手段９に送信する。
【００５２】
制御手段９は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）からなる演算装置と、ＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリと、キーボード等の入力手段と、を備えている。本実施形態のように太陽光によって光合成を行う場合、１日又は１年を通して光の強さが異なる。また、微生物の光合成の活性量に伴って、培養液のｐＨや菌濃度等も変化するため、さらに、培養槽の光透過率も変化するため、これらの変化も考慮して、二酸化炭素を含んだ気体及び養分の供給量等を過不足なく供給することが好ましい。したがって、制御手段９は、効率よく培養を行うために、光の強さやｐＨに基づいて二酸化炭素の供給量及び養分の供給量等を演算し、各装置に制御信号を送信する。
【００５３】
制御手段９のメモリには、本実施形態で利用する気体の二酸化炭素の濃度や培養液中の微生物の最適な濃度等が記憶されているものとする。また、メモリには、微生物の濃度、二酸化炭素、培養液の温度、光量子、ｐＨ、菌濃度等に基づいて微生物の増加量や、最適な二酸化炭素及び養分の供給量を算出可能なプログラムが記憶されている。
【００５４】
演算装置は、本実施形態では、光量子計７から送信されたデータ及びｐＨ計から送信されたデータ等に基づいて、これらのデータに対応する微生物の増加量や、最適な気体の供給量及び養分の供給量を算出する。制御手段９は、演算装置で算出された結果に基づいて、気体供給手段４及び電磁弁Ｅ１〜Ｅ６に制御信号を送り、二酸化炭素を含んだ気体の供給量を制御する。また、制御手段９は、演算装置で算出された結果に基づいて、養分供給手段３２に制御信号を送り、養分の供給量を制御する。
【００５５】
例えば、日中など光の照射が強い場合は、微生物の光合成が盛んに行われるため、培養液中の二酸化炭素が減少する。また、二酸化炭素の減少に伴って、ｐＨが高くなる（アルカリ性になる）。したがって、この場合は、二酸化炭素を含んだ気体及び養分の供給量を多くする。これにより、培養液のｐＨを、光合成に最適な中性に保つことができる。
一方、夜間など光の照射が弱い場合は、微生物の光合成が沈静化するので、培養液中の二酸化炭素が増加する。また、二酸化炭素の増加に伴って、ｐＨが低くなる（酸性になる）。したがって、この場合は、二酸化炭素及び養分の供給量を少なくする。これにより、培養液のｐＨを、光合成に最適な中性に保つことができる。
【００５６】
ここで、光合成に必要な二酸化炭素の量については、光合成／カルビンサイクルに基づいて、次のように考えられる。
ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ＋８光量子 → １／６×Ｃ6Ｈ12Ｏ6＋Ｏ2（式１）
式１より、４４ｇの二酸化炭素と１８ｇの水と８光量子で、３０ｇの炭化水素が合成される。また、微生物中の炭素量が５５％（通常、４０〜７５％）である場合、質量１ｇの微生物中の炭素は０．５５ｇとなるが、この炭素は空中の二酸化炭素を固定したものである。したがって、炭素の原子量１２と二酸化炭素の分子量４４を考慮すると、０．５５ｇの炭素は約２ｇ（≒０．５５ｇ÷１２×４４）の二酸化炭素を固定したことになる。即ち、１ｇの微生物には２ｇの二酸化炭素が必要となる。
【００５７】
また、光合成に必要な養分（例えば、窒素）については、次のように考えられる。微生物中の蛋白質の約１６％が窒素であるため、微生物中の蛋白質量が５０％（通常、４０〜７０％）である場合、質量１ｇの微生物中の窒素は０．０８ｇとなる。即ち、１ｇの微生物には、０．０８ｇの窒素が必要となる。なお、窒素以外の養分は微量ではあるが、前記と同様にして質量１ｇの微生物に対する必要量を把握できる。
【００５８】
したがって、８光量子による光合成／カルビンサイクルには、４４ｇの二酸化炭素と１．７６ｇの窒素が必要であり、２２ｇの微生物の増加となるので、光量子計７によって光の強さを測定することにより、二酸化炭素の供給量、養分の供給量及び微生物の増加量が概略計算できる。
【００５９】
なお、制御手段の構成については、前記した構成に限定されるものではない。
【００６０】
次に、図１等を参照して培養装置１の動作について説明する。まず、培養液供給手段３から管路Ｄ１及びヘッダ管１３を介して培養槽２に藻類等の微生物を含んだ培養液が供給される。また、気体供給手段４によって、培養槽２に二酸化炭素を含んだ気体が供給される。
【００６１】
培養槽２に照射される光及び供給された二酸化炭素によって、培養液中の藻類が光合成を行って酸素を生成する。培養槽２から流出した培養液は、ヘッダ管１４を介して管路Ｄ３に流入する。管路Ｄ３では、培養液の一部が収穫され、残りは脱気器６に流入する。脱気器６では、培養液が冷却されるとともに、培養液中に溶存している酸素が外部に排出される。
【００６２】
脱気器６では、培養液に養分及び補給水が追加され、管路Ｄ４から培養液供給手段３に送られる。このように、培養装置１では、主に培養槽２、培養液供給手段３及び脱気器６で培養液を循環させつつ、微生物の培養を行う。培養槽２に供給される二酸化炭素を含んだ気体や養分の供給量は、最適な光合成が行われるように制御手段９によって制御されている。
【００６３】
以上説明した培養装置１によれば、培養槽２内に混合羽根部材２１を設けているため、培養槽２内を流れる培養液を混合させることができる。つまり、図４に示す第一培養槽１１を例に説明すると、培養液は、混合羽根部材２１の右捩り羽根２２の捩れ面によって誘導され、第一培養槽１１の軸線Ｃを周りながら流動する。これにより、第一培養槽１１内で培養液を効率よく混合することができる。
【００６４】
また、本実施形態では、培養液の流動方向に対して板状部材を右に捩った右捩り羽根２２と、培養液の流動方向に対して左に捩った左捩り羽根２３とを交互に、かつ、９０°位相をずらして並設したため、培養液の転換作用と分割作用を備えている。つまり、培養液が右捩り羽根２２及び左捩り羽根２３の捩れ面に沿って軸線Ｃから第一培養槽１１の内面方向へ又は、第一培養槽１１の内面から軸線Ｃ方向へ流動方向が転換するとともに、培養液が右捩り羽根２２の端部２２ａ及び左捩り羽根２３の端部２３ａ（図３の（ｂ）参照）に衝突して分割される。これにより、均一に培養液を混合することができる。
【００６５】
また、混合羽根部材２１を設けることで、混合羽根部材２１を設けない場合と比べて第一培養槽１１内の気体の移動距離、つまり、気体の溶解時間を長くすることができるため、培養槽２の長さに対する気体の溶解効率が高まる。また、第一培養槽１１内では、培養液中の気泡が混合羽根部材２１に衝突して微細化され、培養液との接触面積が大きくなるので、培養槽２の長さに対する気体の溶解効率をより高めることができる。
【００６６】
このように、本実施形態では培養槽２内に、混合羽根部材２１を備えているため、培養槽２の内径を大きく設定（本実施形態では、内径を２０ｃｍに設定）しても、培養槽２内の培養液に効果的に光を照射することができる。これにより、培養効率を高めることができるとともに、培養の大容量化を図れる。
【００６７】
また、従来の培養装置では、培養槽の内径が小さかったため、培養液の温度が上昇しやすかった。よって、培養槽に適切な温度（例えば、２５〜３５℃）を超えやすく、培養効率が低下したり、培養液中の微生物が死滅したりすることがあった。しかし、本実施形態によれば、培養槽２の内径を大きくすることができるため、培養槽２内の温度上昇を抑制することができる。これにより、培養液の温度管理が容易になる。仮に、培養槽２にスプリンクラーなどの冷却手段を設けたとしても、設置個数等を削減できる。よって、初期コスト及びランニングコストを削減することができる。また、本実施形態によれば、培養の大容量化を図れるため、従来に比べて培養槽２の全長を短くでき、さらなるコストの削減が図れる。
【００６８】
また、従来の培養装置では、培養槽の内径が小さかったため、培養槽単位断面積あたりの二酸化炭素の供給ポイントを多くせざるを得なかった。これにより、培養装置のコストの増加を伴っていた。しかし、本実施形態によれば、培養槽２の内径を大きくすることができるため、二酸化炭素の供給ポイント（気体供給ノズルＮ１〜Ｎ６）を比較的少なくすることができ、培養装置のコストを削減できる。
【００６９】
ここで、混合羽根部材２１と培養槽２の内面との間に隙間があると、その隙間に気体が流れて培養液に気体が溶解しなかったり、培養液の混合効率が低下したりして、培養効率が低下する。しかし、本実施形態では、図４に示すように、右捩り羽根２２の両側縁２２ｂ，２２ｂ（左捩り羽根２３の両側縁２３ｂ，２３ｂ）を培養槽２の内面に当接させているため、培養液への気体の溶解効率及び混合効率を高めることができ、ひいては培養効率を高めることができる。
【００７０】
また、培養槽２及び混合羽根部材２１をアクリル（光透過性材料）で形成しているため、より効果的に培養液に光を照射できる。また、光量子計７及びｐＨ計８の計測結果に基づいて、制御手段９が適切な量の二酸化炭素を含んだ気体及び養分を供給するため、培養効率を高めることができる。
【００７１】
また、培養液中に溶存する酸素が過多になると、光合成に悪影響を与えることになるが、脱気器６によって酸素を排気することで、培養効率を高めることができる。
【００７２】
次に、図５及び図６を用いて他の実施形態について説明する。他の実施形態では、図５に示すように、培養槽２内で混合羽根部材２１を所定の間隔をあけて設けている点及び脱気用配管４１及び排気手段４２を設けた点で前記した実施形態と相違する。他の構成については、前記した実施形態と同等であるため、共通する部分においては同等の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００７３】
第一培養槽１１’は、混合羽根部材２１を備えているチューブと備えていないチューブとを交互に有する。つまり、第二チューブ１５ｂ’、第四チューブ１５ｄ’、第六チューブ１５ｆ’、第八チューブ１５ｈ’、第十チューブ１５ｊ’及び第十二チューブ１５ｌ’には、混合羽根部材２１を設けていない。
【００７４】
脱気用配管４１は、図５に示すように、第一培養槽１１’及び第二培養槽１２’の長手方向中央にそれぞれ一つずつ設けられている。脱気用配管４１，４１は、管路Ｄ５を介して排気手段４２に接続されている。
【００７５】
排気手段４２は、本実施形態では、真空ポンプを用いている。脱気用配管４１及び排気手段４２によって、培養槽２内で生成された酸素を吸引して、外部に排気するように形成されている。また、排気手段４２は、管路Ｄ６を介して脱気器６に接続されており、脱気器６内の培養液に溶存する酸素を吸引して排気するように形成されている。
【００７６】
図６に示すように、第六チューブ１５ｆ’と第七チューブ１５ｇの間には、開口４３ａを備えた連結チューブ４３が介設されている。脱気用配管４１は、連結チューブ４３の開口４３ａに連通するノズル４４と、フィルタ４５とを有する。ノズル４４の先端には、排気手段４２（図５参照）に連通する管路Ｄ５が接続されている。ノズル４４の内部には、フィルタ４５が設けられている。フィルタ４５は、例えば多孔質セラミックスで形成されており、水を通しにくく、気体を通しやすくなっている。なお、フィルタ４５は、多孔質セラミックスに換えて、超極細繊維製不織布を用いてもよい。フィルタ４５の長さは、ノズル４４の長さよりも短くなっており、開口４３ａからフィルタ４５の端面の間に空気溜り４６が形成されている。空気溜り４６を設けることで、培養液に溶存する酸素がフィルタ４５側に流動しやすくなっている。
【００７７】
他の実施形態によれば、混合羽根部材２１の設置箇所を減らすことで、培養装置１’の製造コストを削減することができる。
【００７８】
また、脱気用配管４１及び排気手段４２を備えることで、培養液に溶存する酸素を効率よく外部に排気することができる。これにより、酸素過多による微生物の増殖速度の低下を回避することができる。
【００７９】
なお、脱気用配管４１の設置箇所や設置個数は、培養装置１’の大きさ等に応じて適宜設定すればよい。また、連結チューブ４３を用いずに、単一のチューブ（例えば、第六チューブ１５ｆ’に脱気用配管４１を設置してもよい。
【００８０】
以上発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。例えば、本実施形態では、第一培養槽及び第二培養槽と培養槽をニ系統設けたが、何系統設置してもよい。脱気用配管４１及び排気手段４２は、図１で示す培養装置１に設けてもよい。
【符号の説明】
【００８１】
１ 培養装置
２ 培養槽（チューブ型培養槽）
３ 培養液供給手段
４ 気体供給手段
５ 膨張タンク
６ 脱気器
７ 光量子計（光計測器）
８ ｐＨ計
９ 制御手段
１１ 第一培養槽
１２ 第二培養槽
１３ ヘッダ管
１４ ヘッダ管
１５ａ〜１５ｌ 直線状のチューブ
１６ 湾曲状のチューブ
１７ 湾曲状のチューブ
２１ 混合羽根部材
２２ 右捩り羽根
２３ 左捩り羽根
３１ 冷却手段
３２ 養分供給手段
３３ 補給水供給手段
４１ 脱気用配管
４２ 排気手段
４３ 連結チューブ
４４ ノズル
４５ フィルタ
４６ 空気溜り
Ｅ１〜Ｅ６ 電磁弁
Ｎ１〜Ｎ６ 気体供給ノズル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微生物を培養する培養液が流れるチューブ型培養槽と、
前記チューブ型培養槽に前記培養液を供給する培養液供給手段と、
前記チューブ型培養槽に二酸化炭素を含んだ気体を供給する気体供給手段と、を備えた微生物を培養する培養装置であって、
前記チューブ型培養槽の内部に、前記培養液がこのチューブ型培養槽の軸線を周りながら流れるように誘導する混合羽根部材が形成されていることを特徴とする培養装置。
【請求項２】
前記混合羽部材は、培養液の流動方向に対して板状部材を右方向に捩った右捩り羽根と、培養液の流動方向に対して板状部材を左方向に捩った左捩り羽根と、を交互に並設して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の培養装置。
【請求項３】
前記混合羽根部材は、光透過性材料で形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の培養装置。
【請求項４】
前記培養液に養分を供給する養分供給手段と、
前記培養槽に照射される光エネルギーを計測する光計測器と、
前記チューブ型培養槽内の前記微生物の濃度を計測する濃度計又は前記培養槽内のｐＨを計測するｐＨ計と、
前記光計測器の計測結果と前記濃度計又は前記ｐＨ計の計測結果から、前記二酸化炭素を含む気体及び前記養分の供給量を演算する演算装置と、をさらに備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の培養装置。
【請求項５】
前記チューブ型培養槽に形成された脱気用配管と、
前記脱気用配管に連結され前記チューブ型培養槽で生成された酸素を吸引して大気に排出する排気手段と、をさらに有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の培養装置。
【請求項６】
チューブ型培養槽の内部に、微生物を培養する培養液と二酸化炭素を含んだ気体とを供給し、光を照射して前記微生物を培養する培養方法であって、
前記チューブ型培養槽内の前記培養液をこのチューブ型培養槽の軸線を周りながら流れるように誘導させることを特徴とする培養方法。
【請求項１】
微生物を培養する培養液が流れるチューブ型培養槽と、
前記チューブ型培養槽に前記培養液を供給する培養液供給手段と、
前記チューブ型培養槽に二酸化炭素を含んだ気体を供給する気体供給手段と、を備えた微生物を培養する培養装置であって、
前記チューブ型培養槽の内部に、前記培養液がこのチューブ型培養槽の軸線を周りながら流れるように誘導する混合羽根部材が形成されていることを特徴とする培養装置。
【請求項２】
前記混合羽部材は、培養液の流動方向に対して板状部材を右方向に捩った右捩り羽根と、培養液の流動方向に対して板状部材を左方向に捩った左捩り羽根と、を交互に並設して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の培養装置。
【請求項３】
前記混合羽根部材は、光透過性材料で形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の培養装置。
【請求項４】
前記培養液に養分を供給する養分供給手段と、
前記培養槽に照射される光エネルギーを計測する光計測器と、
前記チューブ型培養槽内の前記微生物の濃度を計測する濃度計又は前記培養槽内のｐＨを計測するｐＨ計と、
前記光計測器の計測結果と前記濃度計又は前記ｐＨ計の計測結果から、前記二酸化炭素を含む気体及び前記養分の供給量を演算する演算装置と、をさらに備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の培養装置。
【請求項５】
前記チューブ型培養槽に形成された脱気用配管と、
前記脱気用配管に連結され前記チューブ型培養槽で生成された酸素を吸引して大気に排出する排気手段と、をさらに有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の培養装置。
【請求項６】
チューブ型培養槽の内部に、微生物を培養する培養液と二酸化炭素を含んだ気体とを供給し、光を照射して前記微生物を培養する培養方法であって、
前記チューブ型培養槽内の前記培養液をこのチューブ型培養槽の軸線を周りながら流れるように誘導させることを特徴とする培養方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２００１７７（Ｐ２０１１−２００１７７Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７１１９４（Ｐ２０１０−７１１９４）
【出願日】平成２２年３月２６日（２０１０．３．２６）
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２６日（２０１０．３．２６）
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
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