藻類の培養装置
【課題】藻類の培養液に十分な二酸化酸素を供給するとともに、ｐＨ値の低下を抑制し、簡易かつ低コストで効率的に藻類を培養することを可能にする藻類の培養装置を提供する。
【解決手段】本発明は、上記課題を解決するため、藻類を培養する培養液が入れられる密閉式培養槽と、前記密閉式培養槽中の気相に二酸化炭素ガスを注入するとともに所定以上の圧力を自動排出する通気手段とからなり、通性嫌気的雰囲気下で藻類を培養することを特徴とする藻類の培養装置の構成とした。
【解決手段】本発明は、上記課題を解決するため、藻類を培養する培養液が入れられる密閉式培養槽と、前記密閉式培養槽中の気相に二酸化炭素ガスを注入するとともに所定以上の圧力を自動排出する通気手段とからなり、通性嫌気的雰囲気下で藻類を培養することを特徴とする藻類の培養装置の構成とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光合成生物である藻類の培養装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、藻類２０の培養装置としては、図８に示すようなバブリング式培養装置１０が一般に採用されてきた。バブリング式培養装置１０は、開放式培養槽１１に満たされた培養液２１に、空気などの二酸化炭素源をポンプ１２を用いて培養液２１中に置かれた微細孔を有する気泡発生部５ｃに送ることで、培養液２１中に気泡５ｄを多量かつ連続的に発生させ、藻類の光合成に必要な二酸化炭素ガスを培養液２１に供給するものである。
【０００３】
藻類２０は、太陽光、照明からの光を受けて培養液２１中の二酸化炭素を同化し、酸素Ｏ２（Ａｑ）を培養液２１中に放出し、培養液２１中の溶存酸素量が飽和すると大気中に酸素（Ｇａｓ）が放出される。このとき藻類２０は、増殖しながら二次代謝物として有用物質を含む種々の代謝物を蓄積する。
【０００４】
図９に、図８に示すバブリング式培養装置１０において、藻類を培養したときの結果を示す。図９（Ａ）は二酸化炭素ガス１％含有空気、（Ｂ）は二酸化炭素ガス１５％含有空気を培養液に、連続通気したときのｐＨ値及び藻類の増殖結果である。
【０００５】
・藻類
後述のバイノスを使用した。バイノスの培養液は以下のようにして調整した。
・液体培地（図７に示す無機培地）
ＫＮＯ３（２．５ｇ／Ｌ）、ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ（７．５ｇ／Ｌ）、ＫＨ２ＰＯ４（１７．５／Ｌ）、ＣａＣｌ２（２．５ｇ／Ｌ）、ＮａＣｌ（２．５ｇ／Ｌ）、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４（２０ｇ／Ｌ）の各水溶液を１０ｍＬずつ９４０ｍＬ蒸留水に添加し、１％（ｗ／ｖ）ＦｅＣｌ３を１滴（２０μＬ）及びＡｒｎｏｎ‘ｓＡ５溶液を２ｍＬ添加した。必要に応じて、ｐＨを６．５に調整した後、１２１℃、１５分間のオートクレーブ処置した。
【０００６】
・培養条件
バイノスの培養は、密閉式培養槽の前記培養液１Ｌに、バイノスの純粋培養液を種菌約１．０×１０６を植え継ぎ、３０℃、明条件（約３，０００又は１５、０００Ｌｕｘ）で、１％二酸化炭素ガス混合空気（Ａ）、１５％二酸化炭素ガス混合空気（Ｂ）を２５ｃｃ／分の流量で連続通気（バブリング）した好気的条件下で行った。
【０００７】
試験の結果、１％二酸化炭素ガス混合空気（Ａ）では、ｐＨ値はｐＨ７．０〜８．５以内に維持され、極端なｐＨ低下は起きなかった。従って、スタート菌数約１．９×１０５のバイノスは、試験開始６日目では約５０倍（約９．０×１０６）に増殖し、１０日目では２オーダー弱（約１．３×１０７）まで良好な増殖を示した。なお、バイノスの分裂時間は、通常空気をバブリングした場合の上記培地では７．８時間である。
【０００８】
一方、１５％二酸化炭素ガス混合空気（Ｂ）では、上記条件では、試験開始翌日には培養液のｐＨ値はｐＨ５．５に低下し、その後もｐＨ５．０〜６．０の範囲にあった。スタート菌数約１．０×１０５のバイノスは、６日間で４倍（約４．０×１０６）弱程度の増殖に留まった。なお、バイノスの増殖における至適ｐＨ域は、ｐＨ７．０付近であると推定されている。
【０００９】
開放式のとき、二酸化炭素源が空気であれば、そもそも二酸化炭素ガス濃度が低く、十分な二酸化炭素ガスを培養液２１中に供給できず効率的に藻類を培養でない。藻類は、上限はあるものの一般に二酸化炭素ガス濃度が高濃度であるほど光合成能は高まると考えられている。
【００１０】
図９に示すように、１５％二酸化炭素ガス混合空気（Ｂ）を連続通気によるバブリングした場合には、光合成により消費される以上の二酸化炭素ガスが培地中に溶存し、下記平衡式（１）〜（３）にしたがって、培養液のｐＨ値は急激に低下し、バイノスの増殖を阻害する。また、二酸化炭素ガスの溶解が進まなくなり、通気ガスの多量のロスも発生する。従って、光合成には培養液中の二酸化炭素ガスが高濃度であることが効率的であるものの培養液のｐＨ低下を抑制しなければ高濃度二酸化炭素二酸をバブリングに使用することは意味がない。加えて、大量培養では、培地、器具を滅菌することが困難で、培養環境を清浄化することも容易ではない。
【００１１】
他方、バブリングは密閉式培養槽においても一般的に使用されている。密閉式培養槽であっても、バブリングガスは培養液に連続通気され、排気は制御されない。
【００１２】
なお、藻類２０を無菌的にスモールスケールで培養する場合は、密閉式の培養槽に、培養液２１を充填し、滅菌した後、純粋種培養液を無菌的に培養液２１に添加して培養を開始する。通気は、フィルター濾過した空気などをポンプ１２で培養液２１中の気泡発生部５ｃに送り、培養液２１中に気泡５ｄを連続的に発生させ、二酸化炭素ガスを培炭素養液２１中に供給する。しかしながら、密閉式培養槽は、滅菌、無菌的培養の問題から大量培養には向かない。
【００１３】
一方、密閉式培養槽の気相に二酸化炭ガスを注入する藻類の培養方法として、特許文献１に記載の光合成微生物培養方法及び装置がある。特許文献１に記載の発明は、大量培養を可能とし、省エネルギー的で運転操作の容易な新しい光合成微生物の培養方法（要約）というものである。特に、特許文献１の図１に培養液中に空気又は／及び二酸化炭素ガス富化空気を二酸化炭素ガス及び酸素透過膜を通し供給している。
【００１４】
また特許文献２には、大量の藍藻類を工業的に効率良く且つ低コストで培養する藍藻類の培養方法が開示されている。具体的には、「海洋深層水を含む培養液を用いて温度：１５〜４２℃、最適には、２２〜３４℃、照射光量：２０００〜６５００ルクス、最適には、４０００〜５０００ルクス及び炭酸ガス濃度：０．０３ｖｏｌ％以上に保たれた農業用ハウス内に設置した培養池中で藍藻類を培養する。前記藍藻類は、例えば、スピルリナ・プラテンシス、スピルリナ・マキシマ、スピルリナ・イエンネリ、スピルリナ・フラボリエンス、スピルリナ・ラキシシマ、又は、スピルリナ・マイオールである。前記培養液のｐＨは、８以上、好ましくは、９〜１１に保たれる。前記農業用ハウスは、金属フレーム及びこれを覆う透明樹脂フィルムで形成されている。」（要約）というものである。
【００１５】
特許文献２に記載の発明は、農業用ハウス内に培養池中で、半密閉状態で藻類を工業的に大量培養方法する方法であり、農業ハウス内の二酸化炭素ガスの濃度、培養液ｐＨの管理について言及されているものの、具体的手法については何ら開示されていない。二酸化炭素源についてボイラーの排ガスを利用するものであるが、場所、使用時期に制限があり容易に実施できるものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平０５−６４５７７号公報
【特許文献２】特開２００２−２６２８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
藻類は、培地に溶解したＣＯ２（Ａｑ）を光合成に使用する。しかしながら、バブリング式では、空気を通気した場合でも、光合成に必要な二酸化炭素ガスを十分に供給することができない。大気中の二酸化炭素ガスそのものが低濃度であること、また空気中の二酸化炭素は、下記式に従って水素イオン等と平衡になり不足する。
【００１８】
（１）気体状のＣＯ２（Ｇａｓ）←→培地に溶解したＣＯ２（Ａｑ）
（２）ＣＯ２（Ａｑ）←→炭酸Ｈ２ＣＯ３
（３）Ｈ２ＣＯ３←→炭酸イオンＨＣＯ３−＋水素イオンＨ＋
【００１９】
他方、高濃度二酸化炭素ガスをバブリングすることも考えられるが、炭酸イオン（ＨＣＯ３−）及び水素イオン（Ｈ＋）の発生がより顕著で、培養液２１のｐＨ値が低下し、二酸化炭素ガスの溶解が促進されず、藻類の生育を阻害する。また、ｐＨ緩衝剤によって、培養液２１のｐＨ値を一定に維持することも考えられるが、大量培養においてはｐＨ緩衝剤のコストが嵩む。
【００２０】
藻類は、一般に中性域のｐＨを好む。藻類の増殖量と、培養液のｐＨ及び二酸化炭素濃度とは深い関係にある。ｐＨの低下は藻類に致死的であるとともに、ｐＨ低下により溶存二酸化炭素ガス量も減少する。従って、藻類の効率的な増殖を促進するためには、光合成の必須の培養液中の二酸化炭素濃度（分圧）を一定に維持しつつ、ｐＨ低下を抑制することが重要である。
【００２１】
そこで、本発明は、藻類の培養液に十分な二酸化酸素を供給するとともに、ｐＨ値の低下を抑制し、簡易かつ低コストで効率的に藻類を培養することを可能にする藻類の培養装置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】
【００２２】
本発明は、上記の課題を解決するために、藻類を培養する培養液が入れられる密閉式培養槽と、前記密閉式培養槽中の気相に二酸化炭素ガスを注入するとともに所定以上の圧力を自動排出する通気手段とからなり、通性嫌気的雰囲気下で藻類を培養することを特徴とする藻類の培養装置の構成とした。また前記二酸化炭素ガスを、間欠的に注入する特徴とする前記藻類の培養装置の構成とした。
【００２３】
また、前記通性嫌気的雰囲気が、前記培養積の溶存酸素量値３．０ｍｇ／Ｌ以下、かつ酸化還元電位値５０〜１５０ｍＶの範囲であることを特徴とする前記何れかに記載の藻類の培養装置の構成とし、前記通気手段に、前記気相の二酸化炭素分圧を測定する分圧計からのＣＯ２濃度シグナルを基に、密閉式培養槽の入口側のコントロールバルブ開閉をフィードバック制御する制御装置を備え、前記気相の二酸化炭素分圧を所定値に近づけるように自動制御することを特徴とする前記何れかに記載の藻類の培養装置の構成とし、前記通気手段に、さらに、二酸化炭素ガスを強制注入するブロアを備え、前記制御装置により、前記コントロールバルブの開閉とともに、前記ブロアの駆動制御が制御させることを特徴とする前記藻類の培養装置の構成とした。
【００２４】
さらに、前記制御装置には、前記培養液のｐＨを測定するｐＨメーターからの水素イオン濃度シグナルを基に、前記培養液のｐＨ値が所定ｐＨ以下になった場合に二酸化炭素ガスの注入量を削減するフィードバック制御を備えることを特徴とする前記藻類の培養装置の構成とした。
【００２５】
加えて、前記二酸化炭素ガスが、大気中の二酸化炭素ガス濃度より高い高濃度二酸化炭素ガスであることを特徴とする前記何れかに記載の光合成生物の培養装置の構成とした。
【００２６】
そして、密閉式培養槽の気相に、二酸化炭素ガスを注入するとともに所定以上の圧力を自動排出し、通性嫌気的雰囲気下で藻類を培養することを特徴とする藻類の培養方法の構成とした。さらに、前記の何れかに記載の藻類の培養装置を用いて、前記培養液に、光合成生物と光合成生物の二次代謝物を炭素源とすることが可能な他の微生物を共存させ、培養液、器具の滅菌処理を行わず、吸気側に濾過フィルターを使用しないで藻類を培養することを特徴とする微生物の混合培養方法の構成とした。
【００２７】
ここで、「藻類」には、原核生物、真核生物を問わず、緑藻類、褐藻類、藍藻類、紅色光合成細菌等の原生動物、水草等の水生の光合成能を有する生物が含まれる。より具体的には、光合成緑藻類のクロレラ、バイノス（パラクロレラ属微細藻類パラクロレラ・エスピー・バイノス（Ｐａｒａｃｈｌｏｒｅｌｌａ ｓｐ．ｂｉｎｏｓ）、重油を生産するボトリオコッカス、アスタキサンチンを生産することで知られるヘマトコッカスなどが例示できる。褐藻類としてはワカメ、昆布等の海草類が例示できる。藍藻類としてはスピルリナ、シアノバクテリアなどが例示できる。これら藻類の培養に本発明の培養装置を用いることができる。
【００２８】
パラクロレラ・エスピー・バイノスとしては、発明者等が新規に単利し、（独）産業技術総合研究所特許生物寄託センターに、２００８年２月２８日付けで寄託した寄託番号ＦＥＲＭ ＡＢＰ−１０９６９（以下、単に「バイノス」という。）が利用できる。
【００２９】
藻類２０の培養液２１は、特に限定されず、培養する藻類に適した培地を適宜選択することができる。従属栄養生物と藻類を混合培養する場合には、藻類が菌体外に分泌する多糖類を他の微生物の炭素源に利用する。また、グルコース等の炭素源を別途培養液に添加してもよい。
【００３０】
本願発明では、気相を二酸化炭素ガスで充満させることもでき、また酸素ガス注入せず、窒素ガスなどに置換することも可能であるので、嫌気的条件を低コスト、かつ容易に作り出し、維持することができる。
【００３１】
密閉式培養槽２は、太陽光、照明を密閉式培養槽２外から供給する場合には、アクリルなどの透過性素材を用いる。密閉式培養槽２内に照明を設置する場合には、透過性素材でなくてもよい。
【００３２】
密閉式培養槽の気相への通気は、連続であってもよいが、タイマーなどにより所定の間隔で、一定時間通気する間欠的な通気でもよい。高濃度二酸化炭素ガスを使用すればその間隔はより長くて済む。本発明では、１００％二酸化炭素ガスをも利用することができる。本発明では密閉式培養槽で、間欠的通気も可能であるので、通気ガスを最小限度に抑えることができる。従って、極めて効率的で、低コストに藻類の大量培養を実現することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明は、上記構成であるので以下の効果を発揮する。培養液中にバブリングで二酸化炭素源を通気することなく、密閉場様槽の気相に二酸化炭素ガスを注入することで、高濃度例えば１００％二酸化炭素ガスであっても培養液のｐＨ値が低下せず、培養液のｐＨを設置値に近づけ、維持することができるため、培養液のｐＨ低下による藻類の増殖低下が起こらず、効率的な培養が可能になる。
【００３４】
また、気相に二酸化炭素ガスを注入しても、培養液に二酸化炭素が溶解し、過剰に炭酸に起因する水素イオン（Ｈ＋）の発生、平衡が進まず、藻類の光合成に必要な二酸化炭素を培養液に十分供給することができる。また、密閉式培養槽であるので、二酸化炭素ガスのロスが少なく、ｐＨ緩衝液を使用する必要もないので、経済的であり、大量培養であっても低コストで藻類を培養できる。
【００３５】
また、気相に連続通気することなく、間欠注入であっても、藻類の光合成に必要な二酸化炭素ガスを培養液に十分に溶解供給できるので、極めて効率的に高濃度二酸化炭素を利用することができる。
【００３６】
また、光合成の産物である培養液中の溶存酸素量（ＤＯ）、及び／又は酸化還元電位値を測定し、注入する二酸化炭素ガス量にフィードバック制御することで、より経済的な二酸化炭素ガス使用量で藻類を増殖低下させることなく培養することができる。
【００３７】
また、気相中の二酸化炭素分圧、及び／又は水素イオン濃度を所定値になるよう管理、制御することで、より精度の高い二酸化炭素ガス注入量で藻類を培養することができる。
【００３８】
また、培養液のｐＨを測定するｐＨメーターからの水素イオン濃度シグナルを基に、前記培養液のｐＨ値が所定ｐＨ以下になった場合に二酸化炭素ガスの注入量を削減するフィードバック制御を備えることで、培養液のｐＨ低下による増殖低下を防止することができる。
【００３９】
また、大気より高濃度の二酸化炭素ガス、概ね０．０４％（モル比）以上の高濃度の二酸化炭素ガス、例えば１００％であっても培養液のｐＨ値低下が起こらず、藻類の増殖を妨げず、効率的な藻類の培養が低コストでできる。
【００４０】
そして、気相に二酸化炭素ガスを注入することで、通性嫌気性雰囲気を維持し、培地、培養機器、注入ガスを滅菌することなく、雑菌の増殖を抑えつつかつ経済的な大量培養が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明である藻類の培養装置の模式図である。
【図２】気相通気とバブリングによる二酸化炭素の溶解量、ｐＨ変化の対比試験結果（４Ｌ／分通気）である。
【図３】気相通気とバブリングによる二酸化炭素の溶解量、ｐＨ変化の対比試験結果（２０Ｌ／分通気）である。
【図４】気相通気とバブリングによる圧力損失の比較結果を示す図である。
【図５】１００％二酸化炭素ガスを未滅菌培養液を充填した密閉式培養槽の気相に通気し、培養したときのＭＬＳＳの変化を示す図である。
【図６】１５％二酸化炭素ガスを未滅菌培養液を充填した密閉式培養槽の気相に通気し、培養したときのＭＬＳＳの変化を示す図である。
【図７】バイノスの培養液の組成例である。
【図８】従来の藻類の培養装置（バブリング式培養措置）の模式図である。
【図９】培養液に二酸化炭素ガスをバブリングしたときの培養液のｐＨ値の変化と、藻類の増殖結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、本発明で藻類の培養装置について図面を参照しながら詳述する。
【実施例１】
【００４３】
図１は、本発明である藻類の培養装置の模式図（１例）である。藻類の培養装置１は、藻類２０を培養する培養液２１が入れられる密閉式培養槽２と、密閉式培養槽２中の気相４に二酸化炭素ガスを注入するとともに所定以上の圧力を自動排出する通気手段３とからなる。
【００４４】
密閉式培養槽２には、二酸化炭素ガスの入口２ａと出口２ｂが気相４に連通して設けられている。また、必要に応じて、密閉式培養槽２には、気相４に接続するように分圧計８、培養液２１中には溶存酸素量を測定するＤＯメーター６及びｐＨ値を測定するｐＨ計９を備える。
【００４５】
通気手段３は、ボンベなどに充填された二酸化炭素源５と、密閉式培養槽２の入口２ａ、出口２ｂにそれぞれ設けられた入口側のコントロールバルブ５ａ及び出口側の圧力調節弁５ｂとからなり、密閉式培養槽２の密閉が確保させる。必要に応じて採用する入口２ａ経路に設けられ必要に応じて二酸化炭素源５を強制注入するブロア３ａとからなる。
【００４６】
コントロールバルブ５ａが開閉することにより、二酸化炭素ガスを密閉式培養槽２に注入させる。圧力調節５ｂは、気相４が所定圧力以上になると開放され、気相４の圧力を一定に維持するよう動作する。
【００４７】
ブロア３ａは、二酸化炭素源５以上の圧力の気相４であっても、二酸化炭素源５から二酸化炭素ガスを気相４に注入することができる。また、気相を加圧することにより、二酸化炭素分圧を上げ、培養液への混入、また藻類への二酸化炭素の吸収効率を上げることができる。
【００４８】
コントロールバルブ５ａの開閉及びブロア３ａの駆動は、手動、タイマー方式によって制御される。或いはＰＣなどの制御装置７でコントロールバルブ５ａの開閉及びブロア３ａの駆動を自動制御し、二酸化炭素ガスの注入量を制御する。
【００４９】
前記自動制御としては、次のフィードバック制御７ａを例示した。分圧計８からのＣＯ２濃度シグナル８ａを基に、気相４中のＣＯ２分圧が低下した場合にコントロールバルブ５ａを開放し、必要に応じてブロア３ａを駆動する。一方、分圧計８において、気相４のＣＯ２分圧が所定値を示した場合にはコントロールバルブ５ａを閉鎖し、ブロア３ａが駆動していた場合には停止させる。なお、気相４の圧力は、圧力調節弁５ｂの開閉により、所定の一定値で維持される。 その結果、気相４の二酸化炭素ガス濃度は、培養に好適な所定の一定値を維持する制御が可能になる。
【００５０】
また、次ぎのフィードバック制御も本願発明には採用できる。ｐＨ計９からの水素イオン濃度シグナル９ａを基に、ｐＨ値が所定値になるよう、制御装置７が、コントロールバルブ５ａ、必要に応じてブロア３ａの駆動を、分圧計８にフィードバック制御と同様に制御して、二酸化炭素ガスの気相４への注入量を制御してもよい。また、分圧計８、ｐＨ計９で得られるデータ双方を併用して、二酸化炭素ガスの注入量を制御してもよい。ＤＯメーター６での測定値は、モニタ６ａでモニタし、二酸化炭素ガスの供給量制御にフィードバックしてもよい。
【００５１】
このようにしてなる本願発明である藻類の培養装置では、図１に示すように、気相４からＣＯ２（Ｇａｓ）が、培養液２１中にＣＯ２（Ｇａｓ）として溶解し、効率的に藻類２０の光合成に使用され、炭酸イオン、水素イオンに起因する培養液のｐＨ低下による藻類の増殖阻害を抑制し、藻類の増殖を促進する。
【実施例２】
【００５２】
図２、３は気相通気とバブリングによる二酸化炭素ガスの溶解量、ｐＨ変化の対比試験結果であり、図２ではガス通気量は４Ｌ／分、図３ではガス通気量は２０Ｌ／分である。また、いずれも（Ａ）が気相通気であり、（Ｂ）がバブリングである。
【００５３】
気相通気の試験は、藻類の培養装置１においてブロア３ａを定量ポンプに置換した培養装置を用いて行った。容積７５Ｌの密閉式培養槽２に蒸留水５２．５Ｌ充填して培養装置を所定期間稼働させた。なお、バブリングによる試験は、前記通気試験において、密閉式培養槽２の入口２０ａ側から図８に示すように、気泡発生部５ｃを密閉式培養槽２底部に置き行った。このときの通気及びバブリングに用いたガスは、モル比で二酸化炭素ガス１５％、空気８５％の混合ガスであった。
【００５４】
図２、３の第１縦軸ｐＨは蒸留水のｐＨ、第２縦軸ＤＯ（ｍｇ／Ｌ）は溶存酸素量、Ｌｉｑ−Ｔｅｍｐ（℃）は蒸留水の温度、Ｇａｓ−Ｔｅｍｐ（℃）混合ガスの温度、Ｌｉｑ−ＣＯ２％（％ｓａｔ）は蒸留水中の二酸化炭素濃度（Ａｑ／溶解）である。横軸は、培養装置の稼働時間である。図３（Ａ）では、図中のＰｕｍｐ−ｏｆｆの縦線位置で、定量ポンプの駆動を止めた。
【００５５】
図２、３においても、気相への通気の方が、バブリング式に比べ、稼働初期のｐＨの急激な低下がなく、緩やかに低下していることが分かる。特に、図２における４Ｌ／分の試験では、ｐＨ変化の差が一層顕著で、気相通気では極めて緩やかなｐＨ低下を示した。他方、緩やかではあるが、蒸留水中の二酸化炭素濃度も上昇している。従って、二酸化炭素ガスを気相に通気することで、培養液中の二酸化炭素濃度を上昇させつつ、培養液の急激なｐＨ低下を防ぎ藻類を培養することができることとなる。
【００５６】
実際にバイノスをガス供給以外の条件を同一にして上記条件で培養したところ（データ示さず）、気相通気とバブリングにおいて、バイオマス量に差異はなかった。従って、通気気相でも十分バイノス等藻類を培養することが可能になる。そして、通気ガス総量が極めて少なくて済み経済的である。
【実施例３】
【００５７】
図４は、気相通気とバブリングによる圧力損失の比較結果を示す図である。培養液１２０ｍ３、ガス流用４，８００ｍ３／分（ヘリカルブロア２４台の場合）、他共通条件で、密閉式培養槽の気相への二酸化炭素ガス通気（図５Ａ．）と、培養液中への空気通気（バブリング）（図４Ｂ．）による培養負荷を調べ、比較した。
【００５８】
培養液中へのバブリングＡ．では、ガス吐出口が培養液中にあり、その水頭圧は、合計１０ＫＰａとなる。従って、ブロアが必須となり、電力を消費する。培養期間中のブロアによる電力消費総量は３１２ｋＷであった。
【００５９】
一方、気相通気Ｂ．では、ガスボンベの弁を開放すれば、電力消費なく所定量のガス流量を確保することができる。従って、気相へのガス通気Ｂ．は、極めて経済的である。従って藻類の培養において、密閉式培養槽の気相への二酸化炭素ガスの通気は有効な手段といえる。
【実施例４】
【００６０】
図５は、１００％二酸化炭素ガスを未滅菌培溶液を充填した密閉式培養槽の気相に間欠的に通気し、培養したときのＭＬＳＳの変化を示す図で、嫌気従属栄養を想定した培養試験結果である。ＭＬＳＳ（Mixed liquor Suspended Solid）とは、一般に曝気槽内の活性汚泥浮遊物質で、重量法（ｍｇ／Ｌ）で表示される。なお、ＭＬＳＳの測定は、１９９７年版「下水試験方法」上巻第６節［活性汚泥浮遊物質］の測定方法に準じて行った（以下、同じ。）。ＭＬＳＳ値を測定することによりバイノスの増殖度合いを知ることができる。即ち、ＭＬＳＳ値は、藻類の増殖程度（菌数）の指標となる。
【００６１】
培養条件を以下説明する。密閉式培養槽は容積１Ｌの三角フラスコで、藻類はバイノスを使用した。培養液は、図７に示すグルコース含有オグモナ培地で、ｐＨ調整を行わなかった。大量培養において、培地試験器具は滅菌処理、滅菌操作を行うことなく試験した。また三角フラスコは、アネロパックにて嫌気的雰囲気を保った。
【００６２】
図７に示す無機培地で純粋培養し、濃縮したｐＨ８．０に調整したバイノス５０ｍｌ（ＭＬＳＳ４ｇ／Ｌ）を上記培地５００ｍＬを充填した上記三角フラスコに植え継ぎ、次の条件で培養した。開始時のＭＳＬＬは、４００ｍｇ／Ｌであった。
【００６３】
培養液温度２０〜２５℃、照度１０，０００Ｌｕｘ、培養期間は２日間攪拌培養を行った。バイノスの増殖は毎日ＭＬＳＳ値を測定するとともに、図８の無機培地に寒天１．５％添加し、オートクレーブ滅菌し平板培地を使用し、培養液をプレートアウトしてバイノスのコロニーを確認した。その他の菌は、ＬＢ培地に培養液を塗布して確認した。
【００６４】
図５の結果から、高濃度（１００％）二酸化炭素ガスを密閉式培養槽の気相に間欠的ｎ通気した場合であっても、培養液のｐＨ低下が起こらなかった。また、試験中の培養液のｐＨ値は培養初期に最低でｐＨ５．１〜５．４の間で維持した。
【００６５】
また、二酸化炭素ガスの培養液への溶解が阻害されることなく、藻類の良好な増殖が確認された。また、三角フラスコ内は嫌気的に保持されているので、炭素源（グルコース）を含有する培養液であっても、滅菌処理などすることなく、コンタミネーションの発生は確認されなかった。従って、高濃度二酸化炭素ガスで密閉培養槽の気相を充満せることは、藻類の大量培養、特に純粋培養に極めて有効であることが示された。
【実施例５】
【００６６】
図６は、１５％二酸化炭素ガスを未滅菌培養液を充填した密閉式培養槽の気相に通気し、培養したときのＭＬＳＳの変化を示す図であり、嫌気独立栄養を想定した培養試験結果である。
【００６７】
培養条件を以下説明する。三角フラスコを密閉した密閉式培養槽での培養液は６Ｌで、藻類はバイノスを使用した。培養液は、図７に示す無機培地で、ｐＨ調整を行わなかった。大量培養において、培地試験器具は滅菌処理、滅菌操作を行うことなく試験した。
【００６８】
図７に示す無機培地で純粋培養し、濃縮したｐＨ８．０に調整したバイノス５０ｍｌ（ＭＳＬＬ４ｇ／Ｌ）を上記培地６Ｌを充填した上記密閉式培養槽に植え継ぎ、次の条件で培養した。開始時のＭＬＳＳは、６０ｍｇ／Ｌであった。
【００６９】
培養液温度２０〜３０℃、照度１０，０００Ｌｕｘ（２３Ｗ蛍光灯ランプ４本）、気相へ通気する二酸化炭素源は１５％二酸化炭素ガスとし、残り８５％は窒素ガスとした。通気は、２００ｍＬ／ｍｉｎの流速で連続送気した。培養期間は１０日間で、バイノスの増殖は、ＭＬＳＳ値を測定して確認した。
【００７０】
図６の試験の結果、ＭＬＳＳが増加していることから、バイノスの良好な増殖が確認できるとともに、コンタミネーションの増殖は確認できなかった。なお、コンタミネーションの確認は、ＬＢ培地に培養液を塗布して行った。また、試験中の培養液のｐＨ値は培養初期に最低でｐＨ５．１があったものの、培養中盤〜後半は、５．６、５．７で維持した。
【００７１】
加えて、滅菌処理することなく、気相に充満した二酸化炭素ガスにより、密閉式培養液槽内が嫌気的に保たれ、好気的微生物のコンタミネーションも起こらず、当該培養装置及び培養方法は、藻類の純粋大量培養に極めて有効である。また、低コストかつ簡易な藻類の培養手段であといえる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明である藻類の培養装置は、二酸化炭素ガスを気相へ通気するため、培養液への二酸化炭素の過剰溶解がないこと、気相への通気においても培養液の溶存酸素量と溶解二酸化炭素とに相関関係があること、培養液中へのバブリングと異なり電力消費がないことから、藻類の培養において、密閉式培養槽の気相への二酸化炭素ガスの通気は有効な手段である。
【００７３】
従って、藻類の培養、特に大量培養に好適で、低コスト且つ簡易に藻類を培養でき、高濃度二酸化炭素ガスをも使用できるため、産業界から排出される二酸化炭素ガスを固定することができるとともに、藻類の効率的な増殖を可能にし、藻類の代謝物を低コストで得ることができる。従って、環境分野、藻類を用いた有用物質の生産分野に大きく貢献できることとなる。
【符号の説明】
【００７４】
１ 藻類の培養装置
２ 密閉式培養槽
２ａ 入口
２ｂ 出口
３ 通気手段
３ａ ブロア
４ 気相
５ 二酸化炭素源
５ａ コントロールバルブ
５ｂ 圧力調節弁
５ｃ 気泡発生部
５ｄ 気泡
６ ＤＯメーター
６ａ モニタ
７ 制御装置
７ａ フィードバック制御
８ 分圧計
８ａ ＣＯ２濃度シグナル
９ ｐＨ計
９ａ 水素イオン濃度シグナル
１０ バブリング式培養装置
１１ 開放式培養槽
１２ ポンプ
２０ 藻類
２１ 培養液
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光合成生物である藻類の培養装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、藻類２０の培養装置としては、図８に示すようなバブリング式培養装置１０が一般に採用されてきた。バブリング式培養装置１０は、開放式培養槽１１に満たされた培養液２１に、空気などの二酸化炭素源をポンプ１２を用いて培養液２１中に置かれた微細孔を有する気泡発生部５ｃに送ることで、培養液２１中に気泡５ｄを多量かつ連続的に発生させ、藻類の光合成に必要な二酸化炭素ガスを培養液２１に供給するものである。
【０００３】
藻類２０は、太陽光、照明からの光を受けて培養液２１中の二酸化炭素を同化し、酸素Ｏ２（Ａｑ）を培養液２１中に放出し、培養液２１中の溶存酸素量が飽和すると大気中に酸素（Ｇａｓ）が放出される。このとき藻類２０は、増殖しながら二次代謝物として有用物質を含む種々の代謝物を蓄積する。
【０００４】
図９に、図８に示すバブリング式培養装置１０において、藻類を培養したときの結果を示す。図９（Ａ）は二酸化炭素ガス１％含有空気、（Ｂ）は二酸化炭素ガス１５％含有空気を培養液に、連続通気したときのｐＨ値及び藻類の増殖結果である。
【０００５】
・藻類
後述のバイノスを使用した。バイノスの培養液は以下のようにして調整した。
・液体培地（図７に示す無機培地）
ＫＮＯ３（２．５ｇ／Ｌ）、ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ（７．５ｇ／Ｌ）、ＫＨ２ＰＯ４（１７．５／Ｌ）、ＣａＣｌ２（２．５ｇ／Ｌ）、ＮａＣｌ（２．５ｇ／Ｌ）、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４（２０ｇ／Ｌ）の各水溶液を１０ｍＬずつ９４０ｍＬ蒸留水に添加し、１％（ｗ／ｖ）ＦｅＣｌ３を１滴（２０μＬ）及びＡｒｎｏｎ‘ｓＡ５溶液を２ｍＬ添加した。必要に応じて、ｐＨを６．５に調整した後、１２１℃、１５分間のオートクレーブ処置した。
【０００６】
・培養条件
バイノスの培養は、密閉式培養槽の前記培養液１Ｌに、バイノスの純粋培養液を種菌約１．０×１０６を植え継ぎ、３０℃、明条件（約３，０００又は１５、０００Ｌｕｘ）で、１％二酸化炭素ガス混合空気（Ａ）、１５％二酸化炭素ガス混合空気（Ｂ）を２５ｃｃ／分の流量で連続通気（バブリング）した好気的条件下で行った。
【０００７】
試験の結果、１％二酸化炭素ガス混合空気（Ａ）では、ｐＨ値はｐＨ７．０〜８．５以内に維持され、極端なｐＨ低下は起きなかった。従って、スタート菌数約１．９×１０５のバイノスは、試験開始６日目では約５０倍（約９．０×１０６）に増殖し、１０日目では２オーダー弱（約１．３×１０７）まで良好な増殖を示した。なお、バイノスの分裂時間は、通常空気をバブリングした場合の上記培地では７．８時間である。
【０００８】
一方、１５％二酸化炭素ガス混合空気（Ｂ）では、上記条件では、試験開始翌日には培養液のｐＨ値はｐＨ５．５に低下し、その後もｐＨ５．０〜６．０の範囲にあった。スタート菌数約１．０×１０５のバイノスは、６日間で４倍（約４．０×１０６）弱程度の増殖に留まった。なお、バイノスの増殖における至適ｐＨ域は、ｐＨ７．０付近であると推定されている。
【０００９】
開放式のとき、二酸化炭素源が空気であれば、そもそも二酸化炭素ガス濃度が低く、十分な二酸化炭素ガスを培養液２１中に供給できず効率的に藻類を培養でない。藻類は、上限はあるものの一般に二酸化炭素ガス濃度が高濃度であるほど光合成能は高まると考えられている。
【００１０】
図９に示すように、１５％二酸化炭素ガス混合空気（Ｂ）を連続通気によるバブリングした場合には、光合成により消費される以上の二酸化炭素ガスが培地中に溶存し、下記平衡式（１）〜（３）にしたがって、培養液のｐＨ値は急激に低下し、バイノスの増殖を阻害する。また、二酸化炭素ガスの溶解が進まなくなり、通気ガスの多量のロスも発生する。従って、光合成には培養液中の二酸化炭素ガスが高濃度であることが効率的であるものの培養液のｐＨ低下を抑制しなければ高濃度二酸化炭素二酸をバブリングに使用することは意味がない。加えて、大量培養では、培地、器具を滅菌することが困難で、培養環境を清浄化することも容易ではない。
【００１１】
他方、バブリングは密閉式培養槽においても一般的に使用されている。密閉式培養槽であっても、バブリングガスは培養液に連続通気され、排気は制御されない。
【００１２】
なお、藻類２０を無菌的にスモールスケールで培養する場合は、密閉式の培養槽に、培養液２１を充填し、滅菌した後、純粋種培養液を無菌的に培養液２１に添加して培養を開始する。通気は、フィルター濾過した空気などをポンプ１２で培養液２１中の気泡発生部５ｃに送り、培養液２１中に気泡５ｄを連続的に発生させ、二酸化炭素ガスを培炭素養液２１中に供給する。しかしながら、密閉式培養槽は、滅菌、無菌的培養の問題から大量培養には向かない。
【００１３】
一方、密閉式培養槽の気相に二酸化炭ガスを注入する藻類の培養方法として、特許文献１に記載の光合成微生物培養方法及び装置がある。特許文献１に記載の発明は、大量培養を可能とし、省エネルギー的で運転操作の容易な新しい光合成微生物の培養方法（要約）というものである。特に、特許文献１の図１に培養液中に空気又は／及び二酸化炭素ガス富化空気を二酸化炭素ガス及び酸素透過膜を通し供給している。
【００１４】
また特許文献２には、大量の藍藻類を工業的に効率良く且つ低コストで培養する藍藻類の培養方法が開示されている。具体的には、「海洋深層水を含む培養液を用いて温度：１５〜４２℃、最適には、２２〜３４℃、照射光量：２０００〜６５００ルクス、最適には、４０００〜５０００ルクス及び炭酸ガス濃度：０．０３ｖｏｌ％以上に保たれた農業用ハウス内に設置した培養池中で藍藻類を培養する。前記藍藻類は、例えば、スピルリナ・プラテンシス、スピルリナ・マキシマ、スピルリナ・イエンネリ、スピルリナ・フラボリエンス、スピルリナ・ラキシシマ、又は、スピルリナ・マイオールである。前記培養液のｐＨは、８以上、好ましくは、９〜１１に保たれる。前記農業用ハウスは、金属フレーム及びこれを覆う透明樹脂フィルムで形成されている。」（要約）というものである。
【００１５】
特許文献２に記載の発明は、農業用ハウス内に培養池中で、半密閉状態で藻類を工業的に大量培養方法する方法であり、農業ハウス内の二酸化炭素ガスの濃度、培養液ｐＨの管理について言及されているものの、具体的手法については何ら開示されていない。二酸化炭素源についてボイラーの排ガスを利用するものであるが、場所、使用時期に制限があり容易に実施できるものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平０５−６４５７７号公報
【特許文献２】特開２００２−２６２８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
藻類は、培地に溶解したＣＯ２（Ａｑ）を光合成に使用する。しかしながら、バブリング式では、空気を通気した場合でも、光合成に必要な二酸化炭素ガスを十分に供給することができない。大気中の二酸化炭素ガスそのものが低濃度であること、また空気中の二酸化炭素は、下記式に従って水素イオン等と平衡になり不足する。
【００１８】
（１）気体状のＣＯ２（Ｇａｓ）←→培地に溶解したＣＯ２（Ａｑ）
（２）ＣＯ２（Ａｑ）←→炭酸Ｈ２ＣＯ３
（３）Ｈ２ＣＯ３←→炭酸イオンＨＣＯ３−＋水素イオンＨ＋
【００１９】
他方、高濃度二酸化炭素ガスをバブリングすることも考えられるが、炭酸イオン（ＨＣＯ３−）及び水素イオン（Ｈ＋）の発生がより顕著で、培養液２１のｐＨ値が低下し、二酸化炭素ガスの溶解が促進されず、藻類の生育を阻害する。また、ｐＨ緩衝剤によって、培養液２１のｐＨ値を一定に維持することも考えられるが、大量培養においてはｐＨ緩衝剤のコストが嵩む。
【００２０】
藻類は、一般に中性域のｐＨを好む。藻類の増殖量と、培養液のｐＨ及び二酸化炭素濃度とは深い関係にある。ｐＨの低下は藻類に致死的であるとともに、ｐＨ低下により溶存二酸化炭素ガス量も減少する。従って、藻類の効率的な増殖を促進するためには、光合成の必須の培養液中の二酸化炭素濃度（分圧）を一定に維持しつつ、ｐＨ低下を抑制することが重要である。
【００２１】
そこで、本発明は、藻類の培養液に十分な二酸化酸素を供給するとともに、ｐＨ値の低下を抑制し、簡易かつ低コストで効率的に藻類を培養することを可能にする藻類の培養装置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】
【００２２】
本発明は、上記の課題を解決するために、藻類を培養する培養液が入れられる密閉式培養槽と、前記密閉式培養槽中の気相に二酸化炭素ガスを注入するとともに所定以上の圧力を自動排出する通気手段とからなり、通性嫌気的雰囲気下で藻類を培養することを特徴とする藻類の培養装置の構成とした。また前記二酸化炭素ガスを、間欠的に注入する特徴とする前記藻類の培養装置の構成とした。
【００２３】
また、前記通性嫌気的雰囲気が、前記培養積の溶存酸素量値３．０ｍｇ／Ｌ以下、かつ酸化還元電位値５０〜１５０ｍＶの範囲であることを特徴とする前記何れかに記載の藻類の培養装置の構成とし、前記通気手段に、前記気相の二酸化炭素分圧を測定する分圧計からのＣＯ２濃度シグナルを基に、密閉式培養槽の入口側のコントロールバルブ開閉をフィードバック制御する制御装置を備え、前記気相の二酸化炭素分圧を所定値に近づけるように自動制御することを特徴とする前記何れかに記載の藻類の培養装置の構成とし、前記通気手段に、さらに、二酸化炭素ガスを強制注入するブロアを備え、前記制御装置により、前記コントロールバルブの開閉とともに、前記ブロアの駆動制御が制御させることを特徴とする前記藻類の培養装置の構成とした。
【００２４】
さらに、前記制御装置には、前記培養液のｐＨを測定するｐＨメーターからの水素イオン濃度シグナルを基に、前記培養液のｐＨ値が所定ｐＨ以下になった場合に二酸化炭素ガスの注入量を削減するフィードバック制御を備えることを特徴とする前記藻類の培養装置の構成とした。
【００２５】
加えて、前記二酸化炭素ガスが、大気中の二酸化炭素ガス濃度より高い高濃度二酸化炭素ガスであることを特徴とする前記何れかに記載の光合成生物の培養装置の構成とした。
【００２６】
そして、密閉式培養槽の気相に、二酸化炭素ガスを注入するとともに所定以上の圧力を自動排出し、通性嫌気的雰囲気下で藻類を培養することを特徴とする藻類の培養方法の構成とした。さらに、前記の何れかに記載の藻類の培養装置を用いて、前記培養液に、光合成生物と光合成生物の二次代謝物を炭素源とすることが可能な他の微生物を共存させ、培養液、器具の滅菌処理を行わず、吸気側に濾過フィルターを使用しないで藻類を培養することを特徴とする微生物の混合培養方法の構成とした。
【００２７】
ここで、「藻類」には、原核生物、真核生物を問わず、緑藻類、褐藻類、藍藻類、紅色光合成細菌等の原生動物、水草等の水生の光合成能を有する生物が含まれる。より具体的には、光合成緑藻類のクロレラ、バイノス（パラクロレラ属微細藻類パラクロレラ・エスピー・バイノス（Ｐａｒａｃｈｌｏｒｅｌｌａ ｓｐ．ｂｉｎｏｓ）、重油を生産するボトリオコッカス、アスタキサンチンを生産することで知られるヘマトコッカスなどが例示できる。褐藻類としてはワカメ、昆布等の海草類が例示できる。藍藻類としてはスピルリナ、シアノバクテリアなどが例示できる。これら藻類の培養に本発明の培養装置を用いることができる。
【００２８】
パラクロレラ・エスピー・バイノスとしては、発明者等が新規に単利し、（独）産業技術総合研究所特許生物寄託センターに、２００８年２月２８日付けで寄託した寄託番号ＦＥＲＭ ＡＢＰ−１０９６９（以下、単に「バイノス」という。）が利用できる。
【００２９】
藻類２０の培養液２１は、特に限定されず、培養する藻類に適した培地を適宜選択することができる。従属栄養生物と藻類を混合培養する場合には、藻類が菌体外に分泌する多糖類を他の微生物の炭素源に利用する。また、グルコース等の炭素源を別途培養液に添加してもよい。
【００３０】
本願発明では、気相を二酸化炭素ガスで充満させることもでき、また酸素ガス注入せず、窒素ガスなどに置換することも可能であるので、嫌気的条件を低コスト、かつ容易に作り出し、維持することができる。
【００３１】
密閉式培養槽２は、太陽光、照明を密閉式培養槽２外から供給する場合には、アクリルなどの透過性素材を用いる。密閉式培養槽２内に照明を設置する場合には、透過性素材でなくてもよい。
【００３２】
密閉式培養槽の気相への通気は、連続であってもよいが、タイマーなどにより所定の間隔で、一定時間通気する間欠的な通気でもよい。高濃度二酸化炭素ガスを使用すればその間隔はより長くて済む。本発明では、１００％二酸化炭素ガスをも利用することができる。本発明では密閉式培養槽で、間欠的通気も可能であるので、通気ガスを最小限度に抑えることができる。従って、極めて効率的で、低コストに藻類の大量培養を実現することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明は、上記構成であるので以下の効果を発揮する。培養液中にバブリングで二酸化炭素源を通気することなく、密閉場様槽の気相に二酸化炭素ガスを注入することで、高濃度例えば１００％二酸化炭素ガスであっても培養液のｐＨ値が低下せず、培養液のｐＨを設置値に近づけ、維持することができるため、培養液のｐＨ低下による藻類の増殖低下が起こらず、効率的な培養が可能になる。
【００３４】
また、気相に二酸化炭素ガスを注入しても、培養液に二酸化炭素が溶解し、過剰に炭酸に起因する水素イオン（Ｈ＋）の発生、平衡が進まず、藻類の光合成に必要な二酸化炭素を培養液に十分供給することができる。また、密閉式培養槽であるので、二酸化炭素ガスのロスが少なく、ｐＨ緩衝液を使用する必要もないので、経済的であり、大量培養であっても低コストで藻類を培養できる。
【００３５】
また、気相に連続通気することなく、間欠注入であっても、藻類の光合成に必要な二酸化炭素ガスを培養液に十分に溶解供給できるので、極めて効率的に高濃度二酸化炭素を利用することができる。
【００３６】
また、光合成の産物である培養液中の溶存酸素量（ＤＯ）、及び／又は酸化還元電位値を測定し、注入する二酸化炭素ガス量にフィードバック制御することで、より経済的な二酸化炭素ガス使用量で藻類を増殖低下させることなく培養することができる。
【００３７】
また、気相中の二酸化炭素分圧、及び／又は水素イオン濃度を所定値になるよう管理、制御することで、より精度の高い二酸化炭素ガス注入量で藻類を培養することができる。
【００３８】
また、培養液のｐＨを測定するｐＨメーターからの水素イオン濃度シグナルを基に、前記培養液のｐＨ値が所定ｐＨ以下になった場合に二酸化炭素ガスの注入量を削減するフィードバック制御を備えることで、培養液のｐＨ低下による増殖低下を防止することができる。
【００３９】
また、大気より高濃度の二酸化炭素ガス、概ね０．０４％（モル比）以上の高濃度の二酸化炭素ガス、例えば１００％であっても培養液のｐＨ値低下が起こらず、藻類の増殖を妨げず、効率的な藻類の培養が低コストでできる。
【００４０】
そして、気相に二酸化炭素ガスを注入することで、通性嫌気性雰囲気を維持し、培地、培養機器、注入ガスを滅菌することなく、雑菌の増殖を抑えつつかつ経済的な大量培養が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明である藻類の培養装置の模式図である。
【図２】気相通気とバブリングによる二酸化炭素の溶解量、ｐＨ変化の対比試験結果（４Ｌ／分通気）である。
【図３】気相通気とバブリングによる二酸化炭素の溶解量、ｐＨ変化の対比試験結果（２０Ｌ／分通気）である。
【図４】気相通気とバブリングによる圧力損失の比較結果を示す図である。
【図５】１００％二酸化炭素ガスを未滅菌培養液を充填した密閉式培養槽の気相に通気し、培養したときのＭＬＳＳの変化を示す図である。
【図６】１５％二酸化炭素ガスを未滅菌培養液を充填した密閉式培養槽の気相に通気し、培養したときのＭＬＳＳの変化を示す図である。
【図７】バイノスの培養液の組成例である。
【図８】従来の藻類の培養装置（バブリング式培養措置）の模式図である。
【図９】培養液に二酸化炭素ガスをバブリングしたときの培養液のｐＨ値の変化と、藻類の増殖結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、本発明で藻類の培養装置について図面を参照しながら詳述する。
【実施例１】
【００４３】
図１は、本発明である藻類の培養装置の模式図（１例）である。藻類の培養装置１は、藻類２０を培養する培養液２１が入れられる密閉式培養槽２と、密閉式培養槽２中の気相４に二酸化炭素ガスを注入するとともに所定以上の圧力を自動排出する通気手段３とからなる。
【００４４】
密閉式培養槽２には、二酸化炭素ガスの入口２ａと出口２ｂが気相４に連通して設けられている。また、必要に応じて、密閉式培養槽２には、気相４に接続するように分圧計８、培養液２１中には溶存酸素量を測定するＤＯメーター６及びｐＨ値を測定するｐＨ計９を備える。
【００４５】
通気手段３は、ボンベなどに充填された二酸化炭素源５と、密閉式培養槽２の入口２ａ、出口２ｂにそれぞれ設けられた入口側のコントロールバルブ５ａ及び出口側の圧力調節弁５ｂとからなり、密閉式培養槽２の密閉が確保させる。必要に応じて採用する入口２ａ経路に設けられ必要に応じて二酸化炭素源５を強制注入するブロア３ａとからなる。
【００４６】
コントロールバルブ５ａが開閉することにより、二酸化炭素ガスを密閉式培養槽２に注入させる。圧力調節５ｂは、気相４が所定圧力以上になると開放され、気相４の圧力を一定に維持するよう動作する。
【００４７】
ブロア３ａは、二酸化炭素源５以上の圧力の気相４であっても、二酸化炭素源５から二酸化炭素ガスを気相４に注入することができる。また、気相を加圧することにより、二酸化炭素分圧を上げ、培養液への混入、また藻類への二酸化炭素の吸収効率を上げることができる。
【００４８】
コントロールバルブ５ａの開閉及びブロア３ａの駆動は、手動、タイマー方式によって制御される。或いはＰＣなどの制御装置７でコントロールバルブ５ａの開閉及びブロア３ａの駆動を自動制御し、二酸化炭素ガスの注入量を制御する。
【００４９】
前記自動制御としては、次のフィードバック制御７ａを例示した。分圧計８からのＣＯ２濃度シグナル８ａを基に、気相４中のＣＯ２分圧が低下した場合にコントロールバルブ５ａを開放し、必要に応じてブロア３ａを駆動する。一方、分圧計８において、気相４のＣＯ２分圧が所定値を示した場合にはコントロールバルブ５ａを閉鎖し、ブロア３ａが駆動していた場合には停止させる。なお、気相４の圧力は、圧力調節弁５ｂの開閉により、所定の一定値で維持される。 その結果、気相４の二酸化炭素ガス濃度は、培養に好適な所定の一定値を維持する制御が可能になる。
【００５０】
また、次ぎのフィードバック制御も本願発明には採用できる。ｐＨ計９からの水素イオン濃度シグナル９ａを基に、ｐＨ値が所定値になるよう、制御装置７が、コントロールバルブ５ａ、必要に応じてブロア３ａの駆動を、分圧計８にフィードバック制御と同様に制御して、二酸化炭素ガスの気相４への注入量を制御してもよい。また、分圧計８、ｐＨ計９で得られるデータ双方を併用して、二酸化炭素ガスの注入量を制御してもよい。ＤＯメーター６での測定値は、モニタ６ａでモニタし、二酸化炭素ガスの供給量制御にフィードバックしてもよい。
【００５１】
このようにしてなる本願発明である藻類の培養装置では、図１に示すように、気相４からＣＯ２（Ｇａｓ）が、培養液２１中にＣＯ２（Ｇａｓ）として溶解し、効率的に藻類２０の光合成に使用され、炭酸イオン、水素イオンに起因する培養液のｐＨ低下による藻類の増殖阻害を抑制し、藻類の増殖を促進する。
【実施例２】
【００５２】
図２、３は気相通気とバブリングによる二酸化炭素ガスの溶解量、ｐＨ変化の対比試験結果であり、図２ではガス通気量は４Ｌ／分、図３ではガス通気量は２０Ｌ／分である。また、いずれも（Ａ）が気相通気であり、（Ｂ）がバブリングである。
【００５３】
気相通気の試験は、藻類の培養装置１においてブロア３ａを定量ポンプに置換した培養装置を用いて行った。容積７５Ｌの密閉式培養槽２に蒸留水５２．５Ｌ充填して培養装置を所定期間稼働させた。なお、バブリングによる試験は、前記通気試験において、密閉式培養槽２の入口２０ａ側から図８に示すように、気泡発生部５ｃを密閉式培養槽２底部に置き行った。このときの通気及びバブリングに用いたガスは、モル比で二酸化炭素ガス１５％、空気８５％の混合ガスであった。
【００５４】
図２、３の第１縦軸ｐＨは蒸留水のｐＨ、第２縦軸ＤＯ（ｍｇ／Ｌ）は溶存酸素量、Ｌｉｑ−Ｔｅｍｐ（℃）は蒸留水の温度、Ｇａｓ−Ｔｅｍｐ（℃）混合ガスの温度、Ｌｉｑ−ＣＯ２％（％ｓａｔ）は蒸留水中の二酸化炭素濃度（Ａｑ／溶解）である。横軸は、培養装置の稼働時間である。図３（Ａ）では、図中のＰｕｍｐ−ｏｆｆの縦線位置で、定量ポンプの駆動を止めた。
【００５５】
図２、３においても、気相への通気の方が、バブリング式に比べ、稼働初期のｐＨの急激な低下がなく、緩やかに低下していることが分かる。特に、図２における４Ｌ／分の試験では、ｐＨ変化の差が一層顕著で、気相通気では極めて緩やかなｐＨ低下を示した。他方、緩やかではあるが、蒸留水中の二酸化炭素濃度も上昇している。従って、二酸化炭素ガスを気相に通気することで、培養液中の二酸化炭素濃度を上昇させつつ、培養液の急激なｐＨ低下を防ぎ藻類を培養することができることとなる。
【００５６】
実際にバイノスをガス供給以外の条件を同一にして上記条件で培養したところ（データ示さず）、気相通気とバブリングにおいて、バイオマス量に差異はなかった。従って、通気気相でも十分バイノス等藻類を培養することが可能になる。そして、通気ガス総量が極めて少なくて済み経済的である。
【実施例３】
【００５７】
図４は、気相通気とバブリングによる圧力損失の比較結果を示す図である。培養液１２０ｍ３、ガス流用４，８００ｍ３／分（ヘリカルブロア２４台の場合）、他共通条件で、密閉式培養槽の気相への二酸化炭素ガス通気（図５Ａ．）と、培養液中への空気通気（バブリング）（図４Ｂ．）による培養負荷を調べ、比較した。
【００５８】
培養液中へのバブリングＡ．では、ガス吐出口が培養液中にあり、その水頭圧は、合計１０ＫＰａとなる。従って、ブロアが必須となり、電力を消費する。培養期間中のブロアによる電力消費総量は３１２ｋＷであった。
【００５９】
一方、気相通気Ｂ．では、ガスボンベの弁を開放すれば、電力消費なく所定量のガス流量を確保することができる。従って、気相へのガス通気Ｂ．は、極めて経済的である。従って藻類の培養において、密閉式培養槽の気相への二酸化炭素ガスの通気は有効な手段といえる。
【実施例４】
【００６０】
図５は、１００％二酸化炭素ガスを未滅菌培溶液を充填した密閉式培養槽の気相に間欠的に通気し、培養したときのＭＬＳＳの変化を示す図で、嫌気従属栄養を想定した培養試験結果である。ＭＬＳＳ（Mixed liquor Suspended Solid）とは、一般に曝気槽内の活性汚泥浮遊物質で、重量法（ｍｇ／Ｌ）で表示される。なお、ＭＬＳＳの測定は、１９９７年版「下水試験方法」上巻第６節［活性汚泥浮遊物質］の測定方法に準じて行った（以下、同じ。）。ＭＬＳＳ値を測定することによりバイノスの増殖度合いを知ることができる。即ち、ＭＬＳＳ値は、藻類の増殖程度（菌数）の指標となる。
【００６１】
培養条件を以下説明する。密閉式培養槽は容積１Ｌの三角フラスコで、藻類はバイノスを使用した。培養液は、図７に示すグルコース含有オグモナ培地で、ｐＨ調整を行わなかった。大量培養において、培地試験器具は滅菌処理、滅菌操作を行うことなく試験した。また三角フラスコは、アネロパックにて嫌気的雰囲気を保った。
【００６２】
図７に示す無機培地で純粋培養し、濃縮したｐＨ８．０に調整したバイノス５０ｍｌ（ＭＬＳＳ４ｇ／Ｌ）を上記培地５００ｍＬを充填した上記三角フラスコに植え継ぎ、次の条件で培養した。開始時のＭＳＬＬは、４００ｍｇ／Ｌであった。
【００６３】
培養液温度２０〜２５℃、照度１０，０００Ｌｕｘ、培養期間は２日間攪拌培養を行った。バイノスの増殖は毎日ＭＬＳＳ値を測定するとともに、図８の無機培地に寒天１．５％添加し、オートクレーブ滅菌し平板培地を使用し、培養液をプレートアウトしてバイノスのコロニーを確認した。その他の菌は、ＬＢ培地に培養液を塗布して確認した。
【００６４】
図５の結果から、高濃度（１００％）二酸化炭素ガスを密閉式培養槽の気相に間欠的ｎ通気した場合であっても、培養液のｐＨ低下が起こらなかった。また、試験中の培養液のｐＨ値は培養初期に最低でｐＨ５．１〜５．４の間で維持した。
【００６５】
また、二酸化炭素ガスの培養液への溶解が阻害されることなく、藻類の良好な増殖が確認された。また、三角フラスコ内は嫌気的に保持されているので、炭素源（グルコース）を含有する培養液であっても、滅菌処理などすることなく、コンタミネーションの発生は確認されなかった。従って、高濃度二酸化炭素ガスで密閉培養槽の気相を充満せることは、藻類の大量培養、特に純粋培養に極めて有効であることが示された。
【実施例５】
【００６６】
図６は、１５％二酸化炭素ガスを未滅菌培養液を充填した密閉式培養槽の気相に通気し、培養したときのＭＬＳＳの変化を示す図であり、嫌気独立栄養を想定した培養試験結果である。
【００６７】
培養条件を以下説明する。三角フラスコを密閉した密閉式培養槽での培養液は６Ｌで、藻類はバイノスを使用した。培養液は、図７に示す無機培地で、ｐＨ調整を行わなかった。大量培養において、培地試験器具は滅菌処理、滅菌操作を行うことなく試験した。
【００６８】
図７に示す無機培地で純粋培養し、濃縮したｐＨ８．０に調整したバイノス５０ｍｌ（ＭＳＬＬ４ｇ／Ｌ）を上記培地６Ｌを充填した上記密閉式培養槽に植え継ぎ、次の条件で培養した。開始時のＭＬＳＳは、６０ｍｇ／Ｌであった。
【００６９】
培養液温度２０〜３０℃、照度１０，０００Ｌｕｘ（２３Ｗ蛍光灯ランプ４本）、気相へ通気する二酸化炭素源は１５％二酸化炭素ガスとし、残り８５％は窒素ガスとした。通気は、２００ｍＬ／ｍｉｎの流速で連続送気した。培養期間は１０日間で、バイノスの増殖は、ＭＬＳＳ値を測定して確認した。
【００７０】
図６の試験の結果、ＭＬＳＳが増加していることから、バイノスの良好な増殖が確認できるとともに、コンタミネーションの増殖は確認できなかった。なお、コンタミネーションの確認は、ＬＢ培地に培養液を塗布して行った。また、試験中の培養液のｐＨ値は培養初期に最低でｐＨ５．１があったものの、培養中盤〜後半は、５．６、５．７で維持した。
【００７１】
加えて、滅菌処理することなく、気相に充満した二酸化炭素ガスにより、密閉式培養液槽内が嫌気的に保たれ、好気的微生物のコンタミネーションも起こらず、当該培養装置及び培養方法は、藻類の純粋大量培養に極めて有効である。また、低コストかつ簡易な藻類の培養手段であといえる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明である藻類の培養装置は、二酸化炭素ガスを気相へ通気するため、培養液への二酸化炭素の過剰溶解がないこと、気相への通気においても培養液の溶存酸素量と溶解二酸化炭素とに相関関係があること、培養液中へのバブリングと異なり電力消費がないことから、藻類の培養において、密閉式培養槽の気相への二酸化炭素ガスの通気は有効な手段である。
【００７３】
従って、藻類の培養、特に大量培養に好適で、低コスト且つ簡易に藻類を培養でき、高濃度二酸化炭素ガスをも使用できるため、産業界から排出される二酸化炭素ガスを固定することができるとともに、藻類の効率的な増殖を可能にし、藻類の代謝物を低コストで得ることができる。従って、環境分野、藻類を用いた有用物質の生産分野に大きく貢献できることとなる。
【符号の説明】
【００７４】
１ 藻類の培養装置
２ 密閉式培養槽
２ａ 入口
２ｂ 出口
３ 通気手段
３ａ ブロア
４ 気相
５ 二酸化炭素源
５ａ コントロールバルブ
５ｂ 圧力調節弁
５ｃ 気泡発生部
５ｄ 気泡
６ ＤＯメーター
６ａ モニタ
７ 制御装置
７ａ フィードバック制御
８ 分圧計
８ａ ＣＯ２濃度シグナル
９ ｐＨ計
９ａ 水素イオン濃度シグナル
１０ バブリング式培養装置
１１ 開放式培養槽
１２ ポンプ
２０ 藻類
２１ 培養液
【特許請求の範囲】
【請求項１】
藻類を培養する培養液が入れられる密閉式培養槽と、前記密閉式培養槽中の気相に二酸化炭素ガスを注入するとともに所定以上の圧力を自動排出する通気手段とからなり、通性嫌気的雰囲気下で藻類を培養することを特徴とする藻類の培養装置。
【請求項２】
前記二酸化炭素ガスを、間欠的に注入する特徴とする請求項１に記載の藻類の培養装置。
【請求項３】
前記通性嫌気的雰囲気が、前記培養積の溶存酸素量値３．０ｍｇ／Ｌ以下、かつ酸化還元電位値５０〜１５０ｍＶの範囲であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の藻類の培養装置。
【請求項４】
前記通気手段に、前記気相の二酸化炭素分圧を測定する分圧計からのＣＯ２濃度シグナルを基に、密閉式培養槽の入口側のコントロールバルブ開閉をフィードバック制御する制御装置を備え、前記気相の二酸化炭素分圧を所定値に近づけるように自動制御することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の藻類の培養装置。
【請求項５】
前記通気手段に、さらに、二酸化炭素ガスを強制注入するブロアを備え、前記制御装置により、前記コントロールバルブの開閉とともに、前記ブロアの駆動制御が制御させることを特徴とする請求項４に記載の藻類の培養装置。
【請求項６】
さらに、前記制御装置には、前記培養液のｐＨを測定するｐＨメーターからの水素イオン濃度シグナルを基に、前記培養液のｐＨ値が所定ｐＨ以下になった場合に二酸化炭素ガスの注入量を削減するフィードバック制御を備えることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の藻類の培養装置。
【請求項７】
前記二酸化炭素ガスが、大気中の二酸化炭素ガス濃度より高い高濃度二酸化炭素ガスであることを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の光合成生物の培養装置。
【請求項８】
密閉式培養槽の気相に、二酸化炭素ガスを注入するとともに所定以上の圧力を自動排出し、通性嫌気的雰囲気下で藻類を培養することを特徴とする藻類の培養方法。
【請求項９】
請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の藻類の培養装置を用いて、前記培養液に、光合成生物と光合成生物の二次代謝物を炭素源とすることが可能な他の微生物を共存させ、培養液、器具の滅菌処理を行わず、吸気側に濾過フィルターを使用しないで藻類を培養することを特徴とする微生物の混合培養方法。
【請求項１】
藻類を培養する培養液が入れられる密閉式培養槽と、前記密閉式培養槽中の気相に二酸化炭素ガスを注入するとともに所定以上の圧力を自動排出する通気手段とからなり、通性嫌気的雰囲気下で藻類を培養することを特徴とする藻類の培養装置。
【請求項２】
前記二酸化炭素ガスを、間欠的に注入する特徴とする請求項１に記載の藻類の培養装置。
【請求項３】
前記通性嫌気的雰囲気が、前記培養積の溶存酸素量値３．０ｍｇ／Ｌ以下、かつ酸化還元電位値５０〜１５０ｍＶの範囲であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の藻類の培養装置。
【請求項４】
前記通気手段に、前記気相の二酸化炭素分圧を測定する分圧計からのＣＯ２濃度シグナルを基に、密閉式培養槽の入口側のコントロールバルブ開閉をフィードバック制御する制御装置を備え、前記気相の二酸化炭素分圧を所定値に近づけるように自動制御することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の藻類の培養装置。
【請求項５】
前記通気手段に、さらに、二酸化炭素ガスを強制注入するブロアを備え、前記制御装置により、前記コントロールバルブの開閉とともに、前記ブロアの駆動制御が制御させることを特徴とする請求項４に記載の藻類の培養装置。
【請求項６】
さらに、前記制御装置には、前記培養液のｐＨを測定するｐＨメーターからの水素イオン濃度シグナルを基に、前記培養液のｐＨ値が所定ｐＨ以下になった場合に二酸化炭素ガスの注入量を削減するフィードバック制御を備えることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の藻類の培養装置。
【請求項７】
前記二酸化炭素ガスが、大気中の二酸化炭素ガス濃度より高い高濃度二酸化炭素ガスであることを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の光合成生物の培養装置。
【請求項８】
密閉式培養槽の気相に、二酸化炭素ガスを注入するとともに所定以上の圧力を自動排出し、通性嫌気的雰囲気下で藻類を培養することを特徴とする藻類の培養方法。
【請求項９】
請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の藻類の培養装置を用いて、前記培養液に、光合成生物と光合成生物の二次代謝物を炭素源とすることが可能な他の微生物を共存させ、培養液、器具の滅菌処理を行わず、吸気側に濾過フィルターを使用しないで藻類を培養することを特徴とする微生物の混合培養方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１７７０４７（Ｐ２０１１−１７７０４７Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４２１３３（Ｐ２０１０−４２１３３）
【出願日】平成２２年２月２６日（２０１０．２．２６）
【出願人】（５０６０６６０９８）株式会社日本バイオマス研究所 (8)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２６日（２０１０．２．２６）
【出願人】（５０６０６６０９８）株式会社日本バイオマス研究所 (8)
【Ｆターム（参考）】
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