(57)【要約】【課題】太陽などの光源からの光を効率的かつ有効に最適化利用して、これにより培養効率を向上させて、微細藻類の培養コストを低減できる装置等を提案することを目的とする。【解決手段】受光面が光源の方向に対して凹凸を有する波形状に保たれたフレキシブルシート状の培養生地を備え、培養生地は、受光面が順次に移動してベルトコンベア状に循環するように構成される微細藻類の培養装置とし、好ましくは培養生地が乾燥しない程度の所定の間隔を前記培養生地が移動する毎に、前記培養単体に培養液を供給するために複数の培養液供給部を備える微細藻類の培養装置とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光面が光源の方向に対して凹凸を有する波形状に保たれたフレキシブルシート状の培養生地を備え、
前記培養生地は、前記受光面が順次に移動してベルトコンベア状に循環するように構成される
ことを特徴とする微細藻類の培養装置。
【請求項２】
請求項１に記載の微細藻類の培養装置において、
前記培養生地が乾燥しない程度の所定の間隔を前記培養生地が移動する毎に、前記培養単体に培養液を供給するために複数の培養液供給部を備える
ことを特徴とする微細藻類の培養装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の微細藻類の培養装置において、
前記受光面における光強度は、培養対象となる微細藻類の飽和光強度である
ことを特徴とする微細藻類の培養装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の微細藻類の培養装置において、
前記培養生地を送出移動させながら、前記培養生地に付着する前記微細藻類を回収するように、固定された微細藻類回収ヘラと微細藻類回収トレイをさらに備える
ことを特徴とする微細藻類の培養装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の微細藻類の培養装置において、
前記光源は太陽であり、前記波形状の凸頭頂部の稜線及び凹底部の谷底線が東西方向に構成されており、
前記受光面が、
季節による太陽高度の変動の影響を受けることなく太陽方向を向くように、または、太陽の日中運動に起因する太陽の方角の変動の影響を低減するように、
前記受光面の向きを調整する可動機構をさらに備える
ことを特徴とする微細藻類の培養装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の微細藻類の培養装置において、
前記光源は太陽であり、前記波形状の凸頭頂部の稜線及び凹底部の谷底線が東西方向に構成されており、
前記受光面の面積は、培養対象となる微細藻類の光量子束密度に対する培養速度と、培養装置を設置する地点における日射量と、に基づいて、年間の前記微細藻類の生産量が最大となるように構成される
ことを特徴とする微細藻類の培養装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の微細藻類の培養装置において、
前記光源は太陽であり、前記波形状の凸頭頂部の稜線及び凹底部の谷底線が東西方向に構成されており、
前記受光面の面積は、前記受光面の水平面への投影面積に対して７倍である
ことを特徴とする微細藻類の培養装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の微細藻類の培養装置において、
前記受光面の面積Ａは、その投影面積Ｂに対する比Ａ／Ｂと、設置地点における１年間の藻類生産量と、の関係に基づいて、前記藻類生産量が飽和するところの面積として決定される
ことを特徴とする微細藻類の培養装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の微細藻類の培養装置において、
前記受光面の面積Ａは、その投影面積Ｂに対する比Ａ／Ｂと、設置地点における水平面に対する藻類生産量の比と、の関係に基づいて、前記水平面に対する藻類生産量が飽和するところの面積として決定される
ことを特徴とする微細藻類の培養装置。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の微細藻類の培養装置において、
前記光源は太陽であり、前記受光面の全体としての向きは、設置地点におけるソーラパネルによる年間発電量が最大化されるところの方位及び向きとされる
ことを特徴とする微細藻類の培養装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細藻類の培養装置及び培養方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオマス燃料は、ＣＯ２排出の削減およびエネルギー自給の観点から昨今特に注目されている。また、バイオマスの一つとして、微細藻類からバイオ燃料を生産する技術開発が行なわれていることが知られている。微細藻類からのバイオ燃料生産の実用化を商業的規模で行なうためには、微細藻類の培養方法や微細藻類の回収を効率的に遂行する方法が必要とされるが、当該技術については、未だ十分なレベルにまで開発されているとは言えず、そのコストが高いことが課題の一つとなっている。
【０００３】
微細藻類の培養は、主にレースウェイ形状などの池による液体培養法が採用されているが、このような液体培養法では、大気のＣＯ２濃度よりも高い濃度（例えば１％）のＣＯ２供給を必要とし、また、培養液を攪拌する必要があることから、攪拌に要する電力の電気代がバイオ燃料のコストを押し上げる一因となっている。
【０００４】
また、液体培養法は、培養液中に浮遊しながら微細藻類を育成させる方法であるので、培養後には、大量の培養液中から非常に希薄な濃度（例えば、０．５ｇ／Ｌ程度）の微細藻類を回収する必要が生じる。さらに微細藻類の育成のためには光エネルギーが必要であるところ、十分な光の照射量を確保するため、培養液中の微細藻類の濃度を過度に高くすることはできない。
【０００５】
また、そのような微細藻類の回収方法として、遠心分離機を用いる方法が知られているが、遠心分離機は電力消費量が極めて大きい。このため、高コストとならざるを得ず、微細藻類を原料とする製品は一部の高価格生産物を除いて未だ商業化されておらず、また、微細藻類を原料とするバイオ燃料（オイルなど）の低価格生産物においても、コスト及びエネルギー収支の観点から商業化には未だ成功していないのが実情である。
【０００６】
下記特許文献１及び特許文献２には、微細藻類の培養方法が開示されており、シート状の培養生地上にバイオフィルムを形成し微細藻類を培養する技術思想が記載されている。この培養方法によれば、従来の池による培養方法に比べて培養液の使用量が少なくて済み、培養物の含水率が低く微細藻類の回収が容易という特徴があることが記載されている。また、下記特許文献３には、液体培地の水面より上方にある三角波板状の培養生地に対して、毛細管現象を利用して水分および栄養素を供給する培養方法が開示されている。しかし、特許文献３においては、三角波板形状が太陽光から受ける光量子束密度をどのように最適化するのかに関する言及が無く、微細藻類の培養速度（培養効率）を高める形状等のアイデアに関する開示は何ら為されていない。
【０００７】
また、特許文献４には、紐を巻いて回転させ円筒型の培養生地を水平に設置する培養方法が示されており、特許文献５には、ベルト状の培養生地を移動させながら培養液に培養生地を浸す培養方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１５−２０４８１５号公報
【特許文献２】特開２０１６−５４３９号公報
【特許文献３】特開２０１７−９９３０１号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１１／０２１７７６４号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１８／０２０１８８７号明細書
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Bioprocess Biosyst Eng (2014) 37:1369-1375
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１、特許文献２に開示された培養方法のように、シート状の培養生地を並べただけでは、太陽光を利用して培養を行なう場合、培養生地上の光量子束密度が担体周辺部では高く中央部で低いという不均一な状態になり設置面積当たりの微細藻類の生産量を最大化できておらず、光量子束密度が低い部分では初期菌体量（培養開始時の微細藻類の量）が少なくなると培養速度が低下するという問題がある。また、商業的規模での培養を行なう場合に、シート状の培養生地を多数並べる設置方法では、培養生地ごとに個別の微細藻類回収が必要となるので、過大な手間を要するとともにコストが高い問題がある。
【００１１】
また、特許文献３においても微細藻類の収穫方法として、培養生地からヘラで藻類をそぎ落とす方法が示されているが、やはり培養生地毎にこのような作業を個々遂行して回収する必要があるため、コストが高く回収の自動化が困難という問題がある。さらに、特許文献４及び特許文献５には、いずれも太陽光を利用して培養する場合において、培養する微細藻類の光量子束密度に対する培養速度を考慮して生産量を最大化する培養生地の形態等に関する記載はなく培養効率を増大化させる考慮は何ら示されていない。
【００１２】
また、微細藻類に適した光量子束密度（光照射量や光強度）は、微細藻類の種類と生成物によってそれぞれ異なる場合がある。そして、ある程度の光照射量までの間は光照射量に応じて培養速度も増大するが、当該ある程度の光照射量以上光を照射したとしても微細藻類の培養速度は増大することはなくなり培養速度が飽和するものとなる。このため、光エネルギーを無駄にすることのない適切な光照射量として、培養するべき微細藻類に適した光量子束密度で培養できる培養装置が必要である。
【００１３】
例えば、屋外で太陽光を利用して微細藻類を培養する場合を考えると、池のような水平受光面では、光量子束密度が微細藻類の培養速度が飽和する光量を超えている（すなわち微細藻類が好む最適な光照射量を超えた太陽光が水面においては注がれている）ため、結果的に過剰な光強度を照射するものとなってしまうので、太陽光を効率的かつ有効に利用した培養になっているとはいえない。
【００１４】
また、逆に培養生地上の光量子束密度が低過ぎる場合（上記ある程度の光照射量より少ない光照射量の場合）には、典型的には初期菌体量（培養開始時の微細藻類の量）が少なくなると培養速度が極端に低下する（光が弱すぎて藻類が増殖しない）という問題がある。そこで、本発明は、太陽などの光源からの光を効率的かつ有効に最適化利用して、これにより培養効率を向上させて、微細藻類の培養コストを低減できる装置等を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の微細藻類の培養装置は、受光面が光源の方向に対して凹凸を有する波形状に保たれたフレキシブルシート状の培養生地を備え、培養生地は、受光面が順次に移動（例えば毎秒２ｃｍ程度の速度）してベルトコンベア状に循環するように構成されることを特徴とする。
【００１６】
本発明の微細藻類の培養装置は、好ましくは培養生地が乾燥しない程度の所定の間隔を培養生地が移動する毎に、培養単体に培養液を供給するために複数の培養液供給部を備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明の微細藻類の培養装置は、さらに好ましくは受光面における光強度が、培養対象となる微細藻類の飽和光強度であることを特徴とする。
【００１８】
本発明の微細藻類の培養装置は、さらに好ましくは培養生地を送出移動させながら、培養生地に付着する微細藻類を回収するように、固定された微細藻類回収ヘラと微細藻類回収トレイをさらに備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明の微細藻類の培養装置は、さらに好ましくは光源が太陽であり、前記波形状の凸頭頂部の稜線及び凹底部の谷底線が東西方向に構成されており、受光面が、季節による太陽高度の変動の影響を受けることなく太陽方向を向くように、または、太陽の日中運動に起因する太陽の方角の変動の影響を低減するように、受光面の向きを調整する可動機構をさらに備えることを特徴とする。
【００２０】
本発明の微細藻類の培養装置は、さらに好ましくは光源が太陽であり、前記波形状の凸頭頂部の稜線及び凹底部の谷底線が東西方向に構成されており、受光面の面積は、培養対象となる微細藻類の光量子束密度に対する培養速度と、培養装置を設置する地点における日射量と、に基づいて、年間の微細藻類の生産量が最大となるように構成されることを特徴とする。
【００２１】
本発明の微細藻類の培養装置は、さらに好ましくは光源は太陽であり、波形状の凸頭頂部の稜線及び凹底部の谷底線が東西方向に構成されており、受光面の面積は、受光面の水平面への投影面積（すなわち光源に対する受光面Ａに起因する水平地面上の影面積）に対して７倍であることを特徴とする。
【００２２】
さらに好ましくは、太陽光等の光源からの光に対して微細藻類の生産効率を最大化するために、培養生地を光源に向けて波形状として受光培養に寄与する表面積を広くし、さらに培養生地表面の光量子束密度を対象となる微細藻類に対して最適化する。一例として、『Pseudochlorococcum sp.』の光量子束密度に対する培養速度の特性（非特許文献１等を参照）を用いて培養生地受光面積に対する生産量を求めると、培養生地受光面積を増加させることで微細藻類の生産量を増加できることが理解でき、培養生地受光面積を投影面積に対して７倍にする場合に生産量が飽和する。
【００２３】
本発明の微細藻類の培養装置は、さらに好ましくは受光面の面積Ａが、その投影面積Ｂに対する比Ａ／Ｂと、装置の設置地点における１年間の藻類生産量と、の関係に基づいて、藻類生産量が飽和するところの面積として決定されることを特徴とする。
【００２４】
本発明の微細藻類の培養装置は、さらに好ましくは受光面の面積Ａが、その投影面積Ｂに対する比Ａ／Ｂと、設置地点における水平面に対する藻類生産量の比と、の関係に基づいて、水平面に対する藻類生産量が飽和するところの面積として決定されることを特徴とする。
【００２５】
この例では、『Pseudochlorococcum sp.』の培養には、培養生地受光面積を７倍以上とすることで設置面積当たりの微細藻類生産量を最大化できることが理解できる。培養生地受光面積を増加させる培養生地の形状としては、影のできにくい波形状が適しており、特に太陽光を使用する場合は、影ができにくい波形状として太陽等に向けて設置することが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、太陽などの光源からの光を効率的かつ有効に最適化利用して、これにより培養効率を向上させて、微細藻類の培養コストを低減できる装置等を提案できる。また、本発明の微細藻類の培養装置等によれば、好ましくは培養生地の形状を波形状として光源に向けて設置し、培養生地上の光量子束密度を微細藻類の特性に合わせて最適化した受光面積とした培養装置を用いるので、単位面積当たりの微細藻類生産量を最大化できるものとなる。
【００２７】
また、本発明の微細藻類の培養装置等によれば、好ましくは培養生地の形状を、受光面に影が生成され難く影の影響の受けにくい波形状とすることで、培養生地表面の光量子束密度を均一にでき、初期種藻密度の影響を受けず効率的に増殖させて、培養生地の全域で安定した培養を行うことができる。
【００２８】
また、本発明の微細藻類の培養装置等によれば、好ましくは培養生地を移動させながらその表面に付着する藻類及び生成物を回収ヘラで収穫することにより、消費エネルギーが大きく高価なろ過機や遠心分離機などを用いることなく、微細藻類の生成物を担体からそぎ落として回収可能となり培養・回収コストを低減できるものとなる。
【００２９】
また、本発明の微細藻類の培養装置等によれば、好ましくは太陽光を培養光源として利用する場合に、培養生地の設置方向を変えられる１軸以上の回転機構を備えることにより季節による太陽高度の変動の影響さらに好ましくは太陽の日中運動による方角変動の影響を受けることなく受光面を常に太陽方向に向けて、太陽が移動すること等に起因して受光面が影になることを防止・低減して、影の発生による培養生地の生産効率低下を防止することができる。
【００３０】
また、本発明の微細藻類の培養装置等によれば、好ましくは培養装置をビニールやガラス等の光が透過可能な風雨雪の遮蔽物の中に設置することにより、風雨雪の影響を低減して適切な温度を維持し、微細藻類の培養を安定して行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本実施形態の培養装置の全体構成について概要説明する斜視図である。
【図２】（ａ）は培養装置を説明する平面図であり、（ｂ）は培養装置を説明する正面図であり、（ｃ）は培養装置を説明する右側面図である。
【図３】『Pseudochlorococcum sp.』の光量子束密度に対する培養速度の関係性を示すデータ例である。
【図４】（ａ）が一日のある地点における日射量の時間変動を示すグラフであり、（ｂ）が（ａ）の日射量時間変動に対して培養生地の受光面積を増加させた時の微細藻類の生産量の計算結果を示すグラフであり、（ｃ）が受光面積の拡大割合について説明する図である。
【図５】本実施形態の他の態様となる培養液供給管についてさらに詳細に説明する
【図６】培養生地に培養液を供給する態様のバリエーションを説明する図である。
【図７】本発明の設置例として季節による太陽高度に対応して太陽に向けて設置する場合について配置説明する概略図である。
【図８】光が透過可能な遮蔽部材の内部に設置して、天候や気温などの外部環境の影響を受けないようにして微細藻類の培養を行う培養装置の設置態様を説明する図である。
【図９】最適な培養生地の受光面積Ａの決定方法について詳細かつ具体的に説明する図である。
【図１０】入射光に対する受光面の傾斜のみを変更した場合において、その他の培養条件は全て同一であると仮定した場合のモデルケースに基づいて、受光面の傾斜の最適なポイントを説明している図であり、（ａ）がＡ／Ｂ＝１（規格化）の場合を示し、（ｂ）がＡ／Ｂ＝２の場合を示し、（Ｃ）がＡ／Ｂ＝３の場合を示す概念説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本実施形態で説明する微細藻類の培養装置及び培養方法は、微細藻類に最適な光照射強度となるように光照射面に入射光に対して傾斜を付けて配置した連続的な一枚のフレキシブルシート状の培養生地とし、当該培養生地をモータでベルトコンベヤのように移動循環させる。入射光に対して傾斜を付けて配置された培養生地は、水平に配置された培養面（典型的には入射光に対して垂直に設置された培養面）に比較して入射光量を小さく調整することが可能となるので、比較的弱い光強度で最大培養速度となる微細藻類に対して最適な弱光量とすることができ、かつ培養生地が設置される地面の占有面積（または水平面への投影面積）よりも広い培養生地面積とできるので、効率的な培養が可能となる。
【００３３】
これにより、培養生地全体として、均一に光が照射されるものとなるとともに、培養生地全体に培養に必要な培養液を供給することが容易となる。また、培養生地は、入射光の方向に凹凸形状の波型とされ、光源を太陽とする場合にはその黄道方向（黄道に略平行に典型的には東西方向）に頭頂部（尾根部または稜線）及び谷底部が各々延伸するように（すなわち凹凸は典型的には南北方向に交互連続形成）配置することで、太陽の日中移動に伴い光照射量の変動や影部分の形成を低減できるものとなり、均一かつ高効率の培養が可能となる。
【００３４】
さらに、培養生地はベルトコンベアのように暫時、または連続して送出されて循環移動されるものとするが、培養生地が乾燥することのないように培養生地が一定距離移動するごとに培養液を生地に供給するものとすることが好ましい。培養液の供給は、例えば中空パイプに培養液を循環させておいて培養生地の一定間隔毎に当該中空パイプに開けた穴から培養生地に散布若しくは湿潤させるものとしてもよい。
【００３５】
そこで以下、図面に基づいて本実施形態の培養装置等について詳細に説明する。図１は、本実施形態の培養装置１０００の全体構成について概要説明する斜視図である。また、図２（ａ）は培養装置１０００を説明する平面図であり、図２（ｂ）は培養装置１０００を説明する正面図であり、図２（ｃ）は培養装置１０００を説明する右側面図である。
【００３６】
図１に示す培養装置１０００は、フレキシブルシート状でベルトコンベアのベルトのように輪状にされた培養生地１１００と、培養生地１１００を支持して波形状を形成させるフレーム１２００と、培養生地１１００に培養液を供給する培養液供給管１３００と、二つの培養液貯槽１４００（１），１４００（２）と、微細藻類回収ヘラ１５００と、微細藻類回収トレイ１６００と、培養液回収トレイ１７００と、培養生地１１００を循環移動させるモータ１８００と、培養生地１１００をスムースに移動させるガイド機能を有する複数の回転ローラ１９００を有している。
【００３７】
培養生地１１００は、上述したように全体として連続した輪帯状の形状を呈しており、フレーム１２００及び回転ローラ１９００等によって受光面が波形状に整形されて配置構成されている。また、培養生地１１００の材質は、綿、ベルベット、ポリエステル、ウール、アクリル、カシミヤ、レザー、麻布、ポリウレタン、オレフィン繊維、ファイバーグラス、多孔ＰＴＦＥコートファイバーグラス、シルクなどの布、不織布、ステンレスなどの金属、アルミニウムなどの非金属の網等任意のフレキシブルシートを用いることができるがこれらに限定されるものではない。
【００３８】
図１に示すように培養液は、ポンプ１４５０で培養液貯槽１４００（２）から培養液貯槽１４００（１）に汲み上げられて、培養液供給管１３００を介して培養生地１１００に供給される。また、図１から理解できるように、培養液供給管１３００は、重力で培養生地１１００に対して培養液を滴下供給できるように培養生地１１００の上方に設置されている。また、培養液供給管１３００は、不図示の培養液供給孔を備えるものとし、培養液供給孔から培養生地１１００に培養液を滴下等供給するものとしてもよいし、滲出供給方式とすることもできる。図１では示されていないが、培養液供給管１３００から培養生地１１００の頂部裏側の生地短手方向全体に培養液を供給するように、回転ローラ１９００に沿って該生地短手方向にも管が延伸されている。
【００３９】
また、培養液貯槽１４００（２）に貯蔵される培養液は、窒素分、リン酸、カリウム塩、カルシウム塩、マグネシウム塩、鉄イオン、コバルトイオンなどを含む水溶液であってもよい。培養液の供給量は、培養生地１１００の表面が常に乾かない程度の供給量を最少限とし、かつ、正常な培養速度での微細藻類の増殖に必要な栄養塩類を供給できる程度の量に設定されることができる。また、培養液供給管１３００は、培養生地１１００の任意の位置において供給可能とするように、複数設けることが可能であり、好ましくは、培養液を培養生地１１００へ等間隔で供給できるように配置されているものとする。そして、当該等間隔の間に培養生地１１００が乾燥することのないような移動速度で培養生地１１００が移動するものとする。また、培養液回収トレイ１７００は培養生地１１００から過剰な培養液を回収するものである。また、図１には示していないが、培養液回収トレイ１７００で回収した培養液を、不図示の回収ポンプ等を介して培養液貯槽１４００（１）等に回収して再利用するものとしてもよい。
【００４０】
また、培養生地１１００は、上述したように培養液供給管１３００による培養液供給の間隙で培養生地１１００が乾かないような速度となるようにモータ１８００で移動循環する。例えば培養生地１１００の移動速度は、培養生地１１００の表面が乾かない程度の移動速度より大きい速度となるように連続的にまたは間欠的に移動させるものとしてもよい。
【００４１】
図３は、”Pseudochlorococcum”の光量子束密度に対する培養速度の関係性を示すデータ例である。図３に示すように、横軸に微細藻類に照射する光強度であるＰＦＤ（μmolm-2S-1）をとり、縦軸に微細藻類密度（gm-2）と微細藻類成長レート（gm-2d-1）をとれば、光強度が約９０〜１００程度以上となると成長速度が飽和してそれ以上に光強度を上げても成長速度は増大しなくなり、すなわち飽和することが理解できる。本書面では、それ以上に光強度を上げても成長速度が増大しなくなる光強度のことを飽和光強度と称するものとする。
【００４２】
図３においては、微細藻類の典型例として”Pseudochlorococcum”の場合を示しているが、微細藻類の種類によってそれぞれ飽和光強度は異なるものの概ね図３に示すような特性を示すことから、各微細藻類に対応する飽和光強度で培養をすることにより、培養（成長速度）に資さない無駄な光照射を回避して、より少ない光エネルギーで最大限の培養効率を達成することが可能となる。
【００４３】
また、現実の培養装置を考える場合には、培養生地を設置するための占有面積も土地コストとして検討する必要がある。例えば、天然の池や培養池で培養する場合には、主として水面付近で微細藻類が繁殖することになるので、水面の面積がほぼ培養面積と考えることもできる。また、この場合には、例えば夏場の太陽光などは光量子束密度ＰＦＤ＝２０００〜３５００程度以上であって微細藻類にとっては極めて光強度が強過ぎる場合があり、培養に資さない過剰な光強度となっている場合も考えられる。
【００４４】
一方、フレキシブルシート状の培養生地を波形状に凹凸を付けて配置すれば、一定の占有面積に対して培養面積をより大きく確保することが可能となるだけではなく、凹凸に起因して光照射方向が培養生地に対して傾斜して入射することとなる。このため、凹凸の傾斜角度を適切に調整することで、培養生地に照射される光強度を培養に適切な飽和光強度にまで弱めることが可能となる。これにより、培養面積の増大も図り、かつ有限の光エネルギーを最大限効率的に有効利用できるものとなるので好ましい。他方、太陽光を利用して培養する場合には、太陽の日中運動及び天候や季節及び装置を設置する緯度等の各地域によって、太陽光の光照射量はかなり異なるものとなるので後述するような工夫が必要である。
【００４５】
そこで、本実施形態の培養装置１０００を用いた培養方法についてさらに説明する。培養の準備段階として、培養開始時に培養生地１１００に培養対象となる微細藻類の種藻を付着させる。種藻の付着は、培養生地１１００を微細藻類を分散させた培養液に浸たしたり、塗布するなどで行なうことができる。微細藻類を分散した培養液へ浸ける場合は、例えば図６に示す培養液トレイ６７００に微細藻類を分散させた培養液を満たしておいて、当該培養液トレイ６７００に培養生地１１００を順次コンベア移動させながら浸すことで種藻を付着させるものとしてもよい。また、培養液を培養生地１１００の下側の培養液トレイ６７００に貯留しておき、図６に示すように培養生地１１００を培養液に順次浸してから漸次送出することにより、培養生地１１００に培養液を絶やすことなく一定間隔で供給することもできる。
【００４６】
ここで、図６は、培養生地１１００に培養液を供給する態様のバリエーションを説明する図である。図６に示す態様では、培養液供給管１３００からの滴下等に替えて培養生地１１００を培養液トレイ６７００に順次に浸すことで培養液を培養生地１１００に供給している。そして、上述したように準備段階においては、図６の培養液トレイ６７００を微細藻類の種藻付着に利用することが可能である。なお、図６では、培養液供給管１３００及び培養液貯槽１４００（１）を備えない構成を示しているがこれらを設けるものとしてもよい。図６のその他の構成は図１、図２に示す培養装置１０００と同一であるので同一の符号を付して説明を省略する。
【００４７】
また、種藻の培養生地への塗布は、それ以外にも種々の方法で行なうことができる。例えば、スクレーパーや刷毛で塗ってもよいし、スプレーで吹き付けてもよい。培養する微細藻類としては、例えばNannochloropsis、Scenedesmus、Haematococcus、Botryococcus、Spirulina、Dunaliella Arthrospira、Porphyridium、Phaeodactylum、Nitzschia、Crypthecodinium、Schizochytrium、Pseudococcomyxa、Euglenaのグループに属するものを用いることができるがこれらに限定されるものではない。
【００４８】
微細藻類の培養では、培養液を培養液供給管１３００から培養生地１１００へ供給しながら、培養生地１１００を順次に移動させ循環させて培養生地１１００の表面に微細藻類のバイオフィルムを形成するものである。ここでバイオフィルムとは、微細藻類が自身の生産する粘液と共に形成する微細藻類の膜状の集合体である。
【００４９】
培養生地１１００の表面で培養された微細藻類は、適宜典型的には一定期間ごとに、回収するものとするが、好ましい生産量を確保できる条件において必ずしも一定間隔で回収する必要はない。バイオフィルム状となった微細藻類は、微細藻類回収ヘラ１５００で培養生地１１００表面から掻き落として微細藻類回収トレイ１６００に回収する。微細藻類回収ヘラ１５００は、例えばスクレーパー、ゴム板などを使用できる。
【００５０】
次に、波形状の培養生地１１００についてさらに詳細に説明する。培養生地１１００の波形状は、太陽光を受光する面積から決定される。微細藻類の培養速度は、図３に示すように、特定の光量子束密度（ＰＦＤ）にて飽和する特性を有する。”Pseudochlorococcum”の培養速度が飽和する光量子束密度（ＰＦＤ＝９０〜１００程度）は夏の晴れた日の太陽光の１０分の１程度に相当する光強度であって比較的低いものであり、当該微細藻類の適切な育成に対しては高い光量子束密度を必要としないことが理解できる。
【００５１】
すなわち、ＰＦＤ＝９０〜１００程度の比較的低い光量子束密度で”Pseudochlorococcum”の培養を行なっても、ＰＦＤ＝２００程度の場合に比較して培養速度は低下することがない。このため、波形状の凹凸となるように培養面積を増加させることで、例えば夏の強い日差しの日射を培養生地１１００に対して斜めに入射させて、これにより培養生地１１００単位面積あたりの光照射強度をＰＦＤ＝９０〜１００程度にまで低下させる。そして、これにより、培養生地１１００の単位面積あたりの培養速度を低下させることなく高く維持したまま、培養生地１１００全体の面積が凹凸で増大する分に対応して、装置占有面積に対する生産量を飛躍的に増加させることができる。すなわち、より少ない占有スペースでより大きな微細藻類生産量を実現することが可能となる。
【００５２】
そこで、本発明では、培養生地１１００の受光面積を微細藻類の光量子束密度に対する培養速度の関係（典型的には、図３に示す”Pseudochlorococcum”の場合の対応関係）から最適化するものである。具体的例示として、培養生地１１００の受光面積について、図３に示す”Pseudochlorococcum”の光量子束密度に対する培養速度と図４（ａ）に示す太陽光の１日の光量子束密度の変動を用いて受光面積に対する微細藻類の生産量を計算した結果を図４（ｂ）に示す。図４（ａ）が、一日のある地点における日射量の時間変動を示すグラフであり、図４（ｂ）が図４（ａ）の日射量時間変動に対して培養生地の受光面積を増加させた時の微細藻類の生産量の計算結果を示すグラフであり、図４（ｃ）が受光面積の拡大割合について説明する図である。
【００５３】
すなわち、図４（ｂ）の横軸である受光面積の拡大割合とは、図４（ｃ）に説明するように、培養生地１１００の受光面Ａ（太陽に対して傾斜した斜面となるクロスハッチ部位の総面積）と当該受光面Ａの水平平面への投影面積Ｂ（斜線部位の面積）との比（Ａ／Ｂ）を意味する。例えば、図４（ｂ）における”受光面積の拡大割合”が”７”である場合には、（Ａ／Ｂ）＝７であることを意味し、水平地面に形成される影面積Ｂに対応する太陽光の光エネルギーをその７倍の受光総面積Ａで希釈して、培養生地１１００で受光しているものとなる。
【００５４】
図４（ｂ）から理解できるように、ここ示す典型例では、受光面積Ａが、太陽光に対する水平面への投影面積Ｂに対して約７倍で飽和することがわかり、受光面積Ａを投影面積Ｂの７倍以上とすることで微細藻類の生産性を最大化できるものとなる。換言すれば、図４（ｂ）に示すように、（Ａ／Ｂ）を７以上にしたところで微細藻類の生産量は増えないものとなるので、培養生地１１００の面積をそれ以上大きくすることは培養効率の観点からは無駄ということも言える。
【００５５】
すなわち、図４（ｃ）に示すように、受光面Ａの総面積と受光面Ａの水平平面への投影面積Ｂとの比（Ａ／Ｂ）の増大と、受光面Ａの受光強度と、はトレードオフの関係にあり、かつ受光強度には飽和光強度が存在するので、両者がバランスする最適ポイントが存在するものであることを本件発明者は見出したのである。本実施形態では、培養生地１１００が光源に対して凸形状を有する凹凸波形状を維持するようにフレーム１２００で培養生地１１００を支持して、受光面積（培養面積）を培養する微細藻類の光量子束密度に対する培養速度の特性に合わせて、上述した”両者がバランスする最適ポイント”で設定することを特徴とする。これにより、装置の設置占有面積等に対して微細藻類の生産効率を最大化することが可能となり、生産効率も大いに向上させるものとなる。池などの水平平面で培養する場合に比べて、有効な培養面積の増大と日射量の最適化とを両立させて生産量を最大化できるものとなる。
【００５６】
次に、図５等を用いて、培養液供給管５３００についてさらに詳細に説明する。図５においては、培養液供給管５３００の配置及び構成を除いて図１並びに図２に示す培養装置１０００と同一であるので同一の符号を付してその説明を省略する。太陽光を利用して培養を行なう場合等において、図１に示す培養液供給管１３００に起因する影による生産性低下を防止するため、培養液供給管１３００の影が培養生地１１００の受光面に生成されないように、培養生地１１００の裏側に培養液供給管１３００を配置することが望ましいと考えられる。一方、図５に示すように、上述のような配置構成が設置スペースの関係等で困難な場合には、培養液供給管５３００を培養生地１１００の受光面側（光源側）に設置することもできる。また、培養液供給管５３００は、ガラスや透明プラスチック管等の光透過特性を有する部材で構成されるものとし、影の生成及びその影響を抑制するものとしてもよい。
【００５７】
上述したように、培養装置１０００は、光源からの光を有効利用できる方向と角度にて設置するものとする。縦方向の設置角度の典型例を図７（ａ）及び図７（ｂ）に示している。図７は、本発明の設置例として季節による太陽高度に対応して太陽に向けて設置する場合について配置説明する概略図である。図７（ａ）に示すように比較的太陽高度が低い冬場等においては、受光面が全体として低い太陽高度方向（すなわち地平線に近い方向）を向くように設置し、図７（ｂ）に示すように比較的太陽高度が高い夏場等においては、受光面が全体として高い太陽高度方向（すなわち天頂に近い方向）を向くように設置することができる。このため、培養装置１０００は、少なくともその向きの高度を変更調整可能なように、少なくとも１軸の向き調整機構（不図示）を備えるものとしてもよい。
【００５８】
すなわち、培養装置１０００は、光源７１３（典型的には太陽）を季節によって追尾するように、少なくとも１軸で縦方向角度（向きの高度）を可変とすることが好ましく、２軸で縦方向（典型的には南北または高度方向）と横方向角度（典型的には東西方向）を可変としてする図示しない１軸以上の向き可変機構を備えるものとし、太陽光を季節及び／または日中運動に対応追尾することで、光エネルギーを有効利用して微細藻類の培養を効率的に行なうこともできる。
【００５９】
また、例えば培養装置１０００を図８に示すように光が透過可能な遮蔽部材８１４の内部に設置して、天候や気温などの外部環境の影響を受けないようにして微細藻類の培養を行うことができる。遮蔽部材は、ポリエチレン等の有機高分子化合物、ガラス等の無機化合物が使用できるが、これらに限定されるものではない。また、現在ではソーラパネルの設置向き（設置角度）について最も効率の良い設置向きが広く知られているところ、本発明の培養装置１０００の設置向きについてもソーラーパネルと同様に決定することとしてもよい。典型的にはソーラーパネルでは、南向き設置で傾斜を３０°程度にするのが最適とされる事が多いものであるが、地域差もあることから、設置角度については年間で総合して一番多く発電できる設置方向及び角度というものが例えばＮＥＤＯ等から公開されている。
【００６０】
すなわち、ソーラパネルでの年間発電量が最大化される設置方向と設置角度ということは、装置方向等を固定化設置する場合に太陽光エネルギーを年間で最も多く取得可能であるということであるから、微細藻類の培養においても当該方向と角度とが太陽エネルギーの取り込みの観点では最も効果的であるはずである。このため、培養装置の受光面全体の向きとしては、当該地域の年間最大発電量が得られる方向と設置角度を採用するものとし、あとは受光面を光源に対して凹凸状態として入射光に対して受光面を斜めにすることで、微細藻類の年間生産量が最大化されるような受光面傾斜角度（受光面面積）とするものとする。
【００６１】
微細藻類の年間生産量が最大化されるような受光面傾斜角度は、微細藻類が最も良く培養される光照射環境であることと略等価なので、上述した飽和光強度に関連するはずであると思われる。なお、略等価というのは、現実には受光面の入射光に対する傾斜を大きくすれば、受光面面積が増えることとなるので生産量は増大するものとなり、一方で、傾斜を大きくし過ぎれば藻類の培養速度が低減するので培養面積の増大による生産量の増大を打ち消す程度にまで培養速度が低減すれば、そこで生産量が飽和乃至は低減するものとなり、生産量を最大化する最適なポイントが存在するものと思われる。
【００６２】
（培養生地１１００の面積決定方法）
次に、図９を用いて最適な培養生地１１００の面積決定方法についてさらの詳細に説明する。図９は、最適な培養生地１１００の受光面積Ａの決定方法について詳細かつ具体的に説明する図である。特に、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す微細藻類の年間生産量の計算方法に基づいて、受光面積と投影面積比（Ａ／Ｂ）を横軸として、『面積Ａと面積Ｂでの微細藻類年間生産量の比』を縦軸として、それらの関係を示した図である（但し、この場合の微細藻類は、”Pseudochlorococcum”を用いた）。図９（ｂ）の計算結果からは、（Ａ／Ｂ）を７以上とすることで藻類の生産量を５倍に増加させることができるので、生産効率を大きく向上させることが可能となる。
【００６３】
また、図９（ａ）に示すように、培養対象となる微細藻類の光量子束密度に対する培養速度の関係を把握し（図中（イ））、また培養装置１０００を設置する地点の年間の日射量データ（例えばＮＥＤＯデータベース等を利用できる）を入手する（図中（ロ））。ここで、日射量データは、光量子束密度に換算して変換し、３６５日の各１日の微細藻類の培養量を算出して、３６５日分を合算合計することにより、その地点における年間の微細藻類生産量見込みを算出する。このとき、現に培養を担う受光面積Ａ（図中（ハ））を変化させると受光面積Ａの変化に反比例して面積Ａ部の光量子束密度も変化する。すなわち、投影面積Ｂが一定の状態で、受光面積Ａを２倍にすれば受光面積Ａに照射される光量子束密度は１／２になる。
【００６４】
微細藻類は、一般に小さい光量子束密度（弱い光強度）で培養速度が飽和してそれ以上速度が増えないことから、投影面積Ｂに対する受光面積Ａを次第に増加（Ａ／Ｂ値の増大）させる場合に、光量子束密度が低下する影響は当初は小さいため、面積Ａを比較的大きくしていくとともに微細藻類の生産量を大きくすることが当初は可能である。（図９に示すグラフにおける左側の立ち上がり部分）
【００６５】
また、面積Ａをさらに増大させていくと、光照射量が飽和光強度に対応する光量子束密度より小さくなることから、光量子束密度が低くなりすぎて、これに起因する培養速度の低下による生産量低減と、面積Ａの増大に起因する培養面積増大による生産量向上効果と、が釣り合って、微細藻類の生産量は飽和する。従って、このように飽和する面積Ａを現実の培養装置１０００の培養生地１０００の受光面として採用することにより、微細藻類の生産量を最大効率化することが可能となる。
【００６６】
（受光面積Ａの増大と年間生産量との関係について）
上述したように、典型例として培養装置設置地点における太陽光発電の年間最大発電量が得られる方角と高さ方向角度（面を向ける高度）に受光部分を調整し設置したとしても、培養生地の受光部Ａの傾斜をどの程度にすれば良いのかについての調整が必要である。
【００６７】
ひとつの考え方として、受光部Ａの入射光に対する傾斜は、受光部Ａの光強度が上述した飽和光強度となる程度にまで光エネルギーを希釈できるように傾斜させれば良いとも思われる。受光部Ａの面積が変化せずに同一である場合には、この考え方で単位面積あたりの培養効率は最大とすることができるが、実際は傾斜の増大とともに受光部Ａの面積は増大し、すなわち現実に培養に寄与する有効な培養面積は傾斜の増大とともに増大する。
【００６８】
もちろん傾斜を大きくし過ぎて受光部Ａの光強度が飽和光強度から極端に小さくなってしまうと培養面積の増大による生産量の増大分をキャンセルすることとなり、さらには生産量が低下するものとなる。他方で、傾斜を小さくし過ぎて受光部Ａの光強度を飽和光強度から極端に大きくしても単位面積あたりの生産量は増大しないにも拘わらず培養面積が減少することとなるので、結局生産量は低減してしまうこととなる。このように傾斜の大きさと培養面積とは相関関係にありながら、かつ両者と密接に関連する受光部Ａの光強度には飽和光強度という最適ポイントが存在するため、これらの関係を高次元でバランスする最適なポイントが存在する。
【００６９】
図１０は、入射光に対する受光面の傾斜のみを変更した場合において、その他の培養条件は全て同一であると仮定した場合のモデルケースに基づいて、受光面の傾斜の最適なポイントを説明している図であり、（ａ）がＡ／Ｂ＝１（規格化）の場合を示し、（ｂ）がＡ／Ｂ＝２の場合を示し、（Ｃ）がＡ／Ｂ＝３の場合を示す概念説明図である。
【００７０】
図１０（ｂ）に示すように、入射光に対する受光面Ａの傾斜を大きくして（ａ）の場合の受光面Ａ１よりも２倍大きい受光面Ａ２とする場合には、実質的に影の面積Ｂに降り注ぐ光エネルギーをＡ２に２倍に拡大希釈して受光していることに対応する。また、（ｂ）の場合には、受光面Ａ２の光強度（ＰＦＤ）は、成長速度が大きく低減される境界の飽和光強度よりは大きいので成長速度は（ａ）の場合とほぼ同一である。一方で、培養に寄与する受光部Ａ２の面積はＡ１の２倍であるから、結果として（ｂ）の場合の微細藻類の生産量は（ａ）の２倍となる。
【００７１】
また、図１０（ｃ）に示すように、入射光に対する受光面Ａの傾斜をさらに大きくして（ａ）の場合の受光面Ａ１よりも３倍大きい受光面Ａ３とする場合には、実質的に影の面積Ｂに降り注ぐ光エネルギーをＡ３に３倍に拡大希釈して受光していることに対応する。また、（ｃ）の場合には、受光面Ａ３の光強度（ＰＦＤ）は、成長速度が大きく低減される境界の飽和光強度より小さいので成長速度は（ａ）の場合の略７０％である。一方で、培養に寄与する受光部Ａ３の面積はＡ１の３倍であるから、結果として（ｃ）の場合の微細藻類の生産量は（ａ）の２．１倍となる。
【００７２】
この結果は、図１０の最下方に『（結果）』としてグラフで示している。このグラフはあくまで説明のためのモデルケースではあるが、受光部Ａ（図４（ｃ）クロスハッチ部）の面積を投影面積Ｂ（図４（ｃ）斜線部）に対してどの程度増大させると生産量を最大化させることができるのかについて明確に示されることが理解できる。すなわち、ある程度以上に受光部Ａの面積を増やしても、面積の増大分による生産量の増大を光強度の希釈低下による培養速度の低下がキャンセルするので、それ以上は年間生産量（成長速度に対応）が増えない最適ポイントが出現する。したがって、その最適ポイントとなるように受光部Ａの面積を決定することができる。それ以上にＡの面積を増やしても培養生地や培養液等のコストが増えるだけであって、それに見合う微細藻類の生産物は収穫されないものとなる。
【００７３】
上述した実施形態で説明した微細藻類の培養装置及び培養方法等は、実施形態での個別具体的な説明に限定されるものではなく、本発明の範囲内かつ自明・公知な範囲内で自由にその構成や素材・動作を変更し、組み合わせ適用して実現することが可能である。すなわち、当分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想内において、本発明を変形や改良することが可能である。また、本発明の単純な変形または変更は、いずれも本発明の範囲に属するものである。よって、上述した実施形態における典型例の説明は、本発明の範囲を上記した実施形態に限定する趣旨のものではない。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、微細藻類の培養装置及び培養方法等に好適である。
【符号の説明】
【００７５】
１０００・・・培養装置、１１００・・・培養生地、１２００・・・フレーム、１３００・・・培養液供給管、１４００（１）・・・培養液貯槽、１４００（２）・・・培養液貯槽、１５００・・・微細藻類回収ヘラ、１６００・・・微細藻類回収トレイ、１７００・・・培養液回収トレイ、１８００・・・モータ、１９００・・・回転ローラ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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