(57)【要約】水面上に浮遊させた透明かつ柔軟性材料からなる光合成用リアクター内で光合成微生物を培養するに際し、リアクター内の培養液の深度を一定に維持することによって光合成微生物の増殖効率を改善し、大量生産を可能とする。また、水素ガスの漏洩を抑止可能なリアクターを提供する  水面上に浮遊させた透明なプラスチック材料からなる光合成用リアクター内に、水面を形成するリアクター外の水媒体よりも比重の小さい培養液を充填して光合成微生物を培養する。水素ガス産生のための光合成用リアクターを水素ガスバリアーを含む三層構造とすることにより、水素ガスの漏洩を抑止する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水面上に浮遊させた透明なプラスチック材料からなる光合成用リアクター内に、水面を形成するリアクター外の水媒体よりも比重の小さい培養液を充填し、該培養液中で光合成微生物を培養することを特徴とする光合成微生物の培養方法。
【請求項２】
光合成用リアクター外の水媒体が、海水又は塩水湖の塩水又は汽水である請求項１に記載の光合成微生物の培養方法。
【請求項３】
光合成微生物が、それ自体が有用である微生物又は有用な産生物を体内に蓄積する微生物である請求項１又は２に記載の光合成微生物の培養方法。
【請求項４】
それ自体が有用である微生物又は有用な産生物を体内に蓄積する微生物が、クロレラ、スピルリナ、ドナリエラ、ポルフィリディウム、ヘマトコッカス又はクロロコッカムである請求項３に記載の光合成微生物の培養方法。
【請求項５】
光合成微生物が、水素ガス産生能を有する微生物であり、生産物が水素ガスである請求項１に記載の光合成微生物の培養方法。
【請求項６】
水素ガス産生能を有する微生物が、水を電子供与体として利用できる酸素発生型光合成を営むシアノバクテリア又は緑藻である請求項５に記載の光合成微生物の培養方法。
【請求項７】
請求項５に記載の水素ガス産生能を有する微生物の培養方法において使用する水素ガス産生のための光合成用リアクターであって、該リアクターが、透明なプラスチック材料からなる内層の培養液収納バッグと、該培養液収納バッグを覆う透明なプラスチック材料からなる中層の水素ガスバリアー性バッグと、これらを覆う透明なプラスチック材料からなる外層の被覆バッグとからなり、かつ内層の該培養液収納バッグが、中層の水素ガスバリアー性バッグとこれらを覆う外層の被覆バッグとから取り出し可能である水素ガス産生のための光合成用リアクター。
【請求項８】
外層の被覆バッグが、中層の水素ガスバリアー性バッグを構成するプラスチックより機械的強度が高いプラスチックであることを特徴とする請求項７に記載の水素ガス産生のための光合成用リアクター。
【請求項９】
中層の水素ガスバリアー性バッグと外層の被覆バッグが積層されて袋状になっており、これが、内層の袋状の培養液収納バッグを覆うように形成された請求項７に記載の水素ガス産生のための光合成用リアクター。
【請求項１０】
外層の被覆バッグと中層のバリアー性バッグ、及び、中層のバリアー性バッグと内層の培養液収容バッグの、それぞれの間隙に適当量の水を充填してなる請求項７に記載の水素ガス産生のための光合成用リアクター。
【請求項１１】
請求項９の積層されたバッグと内層の培養液収容バッグの間隙に適当量の水を充填してなる請求項９に記載の水素ガス産生のための光合成用リアクター。
【請求項１２】
外層の被覆バッグを構成するプラスチックが紫外線吸収性プラスチックである請求項７乃至１１のいずれかに記載の水素ガス産生のための光合成用リアクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水面上に浮遊させた透明な光合成用リアクター（反応容器）内で光合成微生物を培養して、それ自体有用な光合成微生物を生産すること、該光合成微生物が産生する有用な代謝産物を生産することを目的とする光合成微生物の培養方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、クロレラやスピルリナ等のそれ自体有用な光合成微生物を大量培養して該微生物を回収し、又はカロテノイド、水素ガス等の有用な光合成産物を生産するために光合成微生物を培養し、それら光合成微生物が産生する光合成産物を生産するための培養方法であって、より具体的には、水面上に浮遊させた透明かつ柔軟なプラスチック材料からなる光合成用リアクター内に、水面を形成するリアクター外の水媒体よりも比重の小さい培養液を充填し、該培養液中で光合成微生物を培養することを特徴とする光合成微生物の培養方法に関するものである。
また、本発明は、水面上に浮遊させた透明な培養液収納バッグ内で水素ガス産生能を有する光合成微生物を培養して、該光合成微生物が産生する水素ガスを回収するための水素ガス産生のための光合成用リアクターに関する。
更に詳しくは、本発明の水素ガス産生のための光合成用リアクターは、透明なプラスチック材料からなる内層の培養液収納バッグと、該培養液収納バッグを覆う透明なプラスチック材料からなる中層の水素ガスバリアー性バッグ、及び、これらを覆う透明なプラスチック材料からなる外層の被覆バッグとからなり、かつ内層の該培養液収納バッグが、中層の水素ガスバリアー性バッグとこれらを覆う外層の被覆バッグとから取り出し可能である、水素ガス産生のための光合成用リアクターに関する。本発明の水素ガス産生のためのリアクターは、内層の培養液収納バッグ、これを覆う中層の水素ガスバリアー性バッグ、さらにこれらを覆う外層の被覆バッグを部品として３層構成とし、かつ内層の培養液バッグを取り出し可能としたので、容器からの水素ガス漏れが防止可能となり、長期運転において、３層のうちの交換が必要な部分、例えば内層の培養液収納バッグだけを交換することが可能であるので、全体の材料コストを削減させることができる。
【背景技術】
【０００２】
人類にとって有用な光合成微生物は、多種多様のものが知られており、現に様々な分野において広く利用されている。
例えば、クロレラやスピルリナ等の光合成微生物は、細胞自体が健康食品や海産動物の飼料として製品化され、利用されている。また、有用な化学物質の生産に利用される光合成微生物には、抗酸化作用のあるカロテノイド生産に利用されるヘマトコッカス、紅色色素フィコエリスリンを含み、スキンケア商品の原料として用いられるポルフィリディウム等がある。最近では、光合成微生物を用い、大気中の二酸化炭素を太陽光エネルギーを利用して有機物に変換する研究も盛んであり、バイオマス（澱粉等）を生産し、これを発酵させることによりエタノールやメタンに変換し、燃料として再利用しようというもの、また脂質を高濃度に蓄積する緑藻にバイオディーゼル燃料の原料を生産させる研究も盛んに行われている。また、シアノバクテリアや緑藻などの光合成微生物の光合成系、代謝系を利用して、太陽エネルギーを水素に変換する研究も行われている。
そして、そのためのリアクターの研究も盛んに行われており、例えば、光ファイバー光合成バイオリアクター、平行板型光合成バイオリアクターなど様々な構造の光合成バイオリアクターの研究開発が進められている。
しかし、クロレラ等の緑藻類の培養にせよ、スピルリナ等のシアノバクテリアの培養にせよ、いずれの有用微生物の場合も、経済的生産のためには、多くの場合、大量培養乃至効率的な培養が不可欠であり、そのための様々な工夫、研究が行われており、例えば、以下のような報告がなされている。
（１）例えば、太郎田博之らは、温度並びに照射光量の管理が容易で、藻体の生産速度を損なうことなく、また異物や異生物の混入を効率的に防止しうる、藻類の培養装置および培養方法の提供を目的とした「太陽光を透過するフィルムで覆われ、送風機で空気を取り入れて内部を陽圧に保つエアドーム型温室内に藻類の培養池を設置し、光透過性の低いフィルム又は遮光シートにより照射光量の調整並びに換気、加温等により温度管理を行ない、またエアドームの空気取り入れ口に空気濾過フィルターを設置することにより、培養装置内部を清浄な空気で陽圧に保ち、藻体の生産速度を損なうことなく、異物あるいは異生物の混入を防止できる、藻類の培養装置および培養方法」を提案している。（特開平５−１８４３４７号公報）
（２）また、尾形茂らは、魚介類の種苗生産等に利用されるクロレラ藻類等を短期間に高密度でかつ安価に大量生産することを目的とした「台座の中央部分に透明管を立設し、この透明管の上端に空気室を構成すると共に内部には複数の光源を配置し、さらに前記空気室の上端には光透過性の培養容器を吊り下げるためのフックを備えた上板を固定し、上記培養容器の内部には上記空気室と連通したチューブを挿入してなることを特徴とする藻類の培養装置」を提案している。（特開平８−３８１５６号公報）
（３）また、今中忠行らは、微生物を高密度に培養することを目的とした「微生物の比増殖速度が増殖至適温度における比増殖速度の２０％以下となるように、培養温度を増殖至適温度よりも低温に調整することを特徴とする、微生物の培養方法」を提案している。（特開２００４−１９４５５１号公報）
しかし、これら文献には培養装置乃至は大量培養に関する具体的な記載はない。
また、一方では、環境問題の観点から、燃料としての水素が注目されており、シアノバクテリアや緑藻などの光合成微生物の光合成系、代謝系を利用して、太陽エネルギーを水素に変換する研究も行われている。
大気中の二酸化炭素濃度は、産業革命以降顕著に増大しつつあるが、その最大の原因は化石燃料の燃焼にあることが強く示唆されている。大気中の二酸化炭素は、温室効果ガスとしてはたらくので、地球環境保全のためには二酸化炭素の排出削減が必要であり、化石燃料代替エネルギーの開発が世界的課題となっている。
このような背景のもとに、化石燃料に代替するエネルギー源として、水素エネルギーが注目されている。水素ガスは、消費した際の産物が水であって、使用時に地球温暖化の元凶である二酸化炭素を放出せず、燃料電池の燃料に使用された場合は、硫黄酸化物、窒素酸化物、煤煙などの大気汚染物質も生成しないクリーンなエネルギー源である。また、水素ガスは、電力と異なり、貯蔵及び運搬が容易であるという利点を有する点からも注目を集めている。
燃料電池用水素は、主としてナフサ、石油オフガス、ブタン、ＬＰＧ、天然ガス（主にメタン）等から化学的方法によって製造することが計画されている。しかし、エネルギー源を化石燃料に依存する化学的生産は、水素製造過程で二酸化炭素を放出するため、この方式で生産される水素は、化石燃料の代替物とはならない。
水素生産技術の中でも最近注目されているのが、水素生産能力を有する光合成微生物の力を利用して、太陽光をエネルギー源とし、水素を再生可能エネルギーとして製造する光生物的生産方法である。
酸素発生型光合成が出来ない光合成細菌は、水を電子供与体として利用できず、有機物や硫黄化合物を電子供与体として必要とするので、資源量が限られる。これに対し、酸素発生型光合成を営むシアノバクテリア（別名：ラン色細菌、藍藻類）や緑藻等のように水を電子供与体として利用できるものは、太陽光をエネルギー源とし、水を電子供与体とするので、潜在的資源量が極めて大きく、その反応は、概略、以下のように表される。
【表１】
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上記全反応は、単一種の光合成微生物内で完結させることが出来る。これらの光合成微生物は、自己複製能力を持つので、リン等を含む無機栄養塩類培養液中で、生産系の維持、再生が容易に可能である。
地表が受ける太陽光エネルギーの量は、人類が消費する一次エネルギーの５，０００倍を優に超えるほど莫大であり、上記全反応式に示すように、光合成微生物を利用することにより、エネルギー源として化石燃料を消費せずに水素生産が可能である。光生物的水素生産系実用化の最大の課題は、経済性の確保である。太陽光強度は、それほど高くなく、たとえば、中緯度地域では、年間１，５００ｋＷｈ  ｍ−２程度である。酸素発生型光合成微生物による大陽光エネルギーの水素への光生物的エネルギー変換効率は、およそ１％程度と考えられるので、得られる水素エネルギーは、年間１５ｋＷｈ  ｍ−２程度と予測され、ここから得られる総売り上げ以内に、全コストを抑える必要がある。
光合成微生物を利用し、太陽光をエネルギー源として生産された水素が、再生可能エネルギー源として利用されるためには、全体の生産コストを下げることが必要不可欠である。生産コストの中でも大きな割合を占めるのが、リアクターの建設、維持経費だと考えられる。
光合成リアクター及び微生物を利用した水素ガスの製造に関しては、下記のような報告がなされている。
（４）例えば、大月利らは、「太陽光を利用して廃水中の有機物を分解して水素を製造する光合成微生物を収容する光合成リアクターにおいて、光合成用リアクターの屋根部を山形状に形成し、その屋根部の下方が海などの水面に没するようにリアクターを浮かべて設けることを特徴とする浮遊式光合成リアクター」及び「太陽光を利用して廃水中の有機物を分解して水素を製造する光合成微生物を収容する光合成リアクターにおいて、プラスチックなどの柔構造の材料で多数のリアクター袋を形成し、これらリアクター袋の頂部に発生する水素を排出する配管を接続すると共に各リアクター袋を海などの水面下に配置することを特徴とするリアクター」について報告している。（特開平９−１１８１号公報、特開平９−１１８２号公報）
しかしながら、これらリアクターは、いずれも有機性廃水からの水素生産を主目的とするリアクターであり、本発明が提案しているような経済的長期運転に役立つところの、水素ガスバリアーや多重層バッグについては何ら具体的な記載もなければ、そのようなことを示唆する記載もない。
（５）また、三井らは、酸素存在下でも水素産生が可能でありかつ活性も極めて高い海洋単細胞性シアノバクテリアＳｙｎｅｃｈｏｃｏｃｃｕｓ  ｓｐ．Ｍｉａｍｉ  ＢＧ０４３５１１株を利用して水素を産生する方法を提案している。これによれば、３ｍｌのシアノバクテリア液当たり１２時間の光照射で２５ｍｌの水素を発生させることが可能であると報告されている。（例えば、非特許文献１参照  Ｌｕｏ，Ｙ．Ｈ．＆  Ａ．Ｍｉｔｓｕｉ，１９９４．“Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｆｒｏｍ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ  ｉｎ  ａｎ  ａｅｒｏｂｉｃ  ｎｉｔｒｏｇｅｎ−ｆｉｘｉｎｇ  ｍａｒｉｎｅ  ｕｎｉｃｅｌｌｕｌａｒ  ｃｙａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ，Ｓｙｎｅｃｈｏｃｏｃｃｕｓ  ｓｐ．ｓｔｒａｉｎ  Ｍｉａｍｉ  ＢＧ０４３５１１”Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ４４（１９９４）ｐ．１２５５−１２６０．）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、本発明の目的の１つは、柔軟性材料を用いて袋状に形成したリアクター内の培養液の深度をほぼ一定に維持し、もってより多くの太陽光を均一に効率よく培養液中に照射させると共に、受光面積が広い状態を保つことにより、光合成微生物による光合成効率を改善し、効率よい生産を可能とすることであり、また、コストを抑制しつつ、透明かつ柔軟なプラスチック材料からなるリアクターからの水素ガス洩れを防止し、かつ、培養液収納バッグ内を常に最適条件に保つことによって、酸素発生型光合成微生物の水素ガス産生効率を向上させ、そのためのリアクター管理を容易にすることである。
光合成微生物の光合成を利用したクロレラ藻体の生産や、水素ガス生産は、環境に優しい反面、反応が穏やかであるために、多くの場合、その製造設備は巨大化せざるを得ない。また、太陽光が必ずしも十分強いとはいえないため、生産に当たっては、太陽光を有効に利用する必要性、経済性に注意を払う必要性がある。
クロレラやスピルリナなどの光合成微生物の工業的な培養は、現在でも、多くの場合、池（プール）などを使って行なわれている。しかし、この方法では、光合成微生物を大量生産するためには広大な土地を必要とし、それがコストに跳ね返っていた。また、開放型のプールでは、毒素を生産する他の光合成微生物の混入を排除することが困難で、そのため、米国では、健康食品会社が、有害物質を含む光合成微生物によって汚染された健康食品を販売したことに対し、多額の賠償金を支払わされるような事態も生じている。
そこで、これら光合成微生物の培養装置、培養方法の欠点を改善するための様々な改良技術が提案されていることは上記のとおりである。しかし、例えば、前記（１）のエアドーム型培養装置は、地上に設けた培養池プールをフィルムで覆ってエアドーム型温室としたものであり、異物や異生物の混入を効率的に防止し得るであろうし、また、水深を均一に保つことが可能なため、光合成による高い生産性を期待できるものの、依然として広大な土地と大掛かりな装備を必要とするものであり、コスト的にも必ずしも満足し得るものではなかった。また、前記（２）の培養装置は、空調室や光源等を必要とし、複雑かつ高価な施設を必要とするものであり、コストの面でも大きな問題点を残している。
このように上記いずれの場合においても、広い表面積を有するリアクターに、太陽光を均一に、効率良く培養液中に照射させることは必ずしも容易なことではなく、また、現在報告されている光合成バイオリアクターはいずれも形状が複雑となり、維持管理や運転操作が複雑で設備費およびランニングコストが高価となる問題があった。
ところで、海面等に浮遊させて用いる廃水処理用のリアクター（光合成用リアクター）それ自体は知られていた。しかし、柔軟性材料を用いて袋状に形成したリアクターは、条件によっては様々な問題を発生する。問題の１つは袋状に形成したリアクターの変形により引き起こされる、培養液の水深のバラつきである。この水深のバラつきは、光強度のバラつきにつながり、特に水深の深い部分では、細胞当たりの光合成効率を低下させる原因となる。また、培養液の水深のバラつきは、受光面積の減少につながり、バイオリアクター全体の光合成生産性を低下させることにつながる。
例えば、湖水面等にこれら袋状の柔軟構造のリアクターを浮遊させ、リアクター内に湖水より比重の大きな培養液を注入した場合、袋状リアクター内の培養液の重み（重力）によってリアクターに対して下方向の力が働き、結果的にリアクターは極端な場合にはタマゴ型に変形してしまう（図１Ａ参照）。その結果、リアクター内の培養液の深度は周辺部では最も浅く、中心部で最も深くなり、太陽光は均一に届かなくなり、受光面積も減少する。最深部においては、特に光合成活性が著しく低下し、細胞当たりの生産効率の低下を招くことになる。
また、袋状リアクター内の培養液の比重と、リアクター外の海水、塩水湖水、湖水等の水媒体比重が略同等である場合には、袋状の柔軟構造のプラスチックから構成されるリアクターの内からも外からも、リアクター内の培養液の深度を均一化させるような外力は働かない。したがって、仮に、培養液をリアクター内に注水したときに、その注入水圧によって生じた、或いは波等の外力によって生じたリアクターの変形はそのまま修正されることなく変形したままの形状が長時間に亘り維持される。例えば、培養液注入口からある程度の水圧をもって培養液を注水した場合、その注入口付近のリアクター底部は水圧によって他部分より幾分陥没した形状に変形してしまうが、リアクター形状を復元させるような外力は働かないので、当該部分はそのまま陥没した状態を維持し、底面は凹凸となったままで、平坦な状態に回復することはない（図１Ｂ参照）。この場合、上記図１Ａの場合と同様、リアクター内の培養液の水深にバラつきが生じ、受光表面積が減少すると共に、太陽光は均一に届かなくなり、特に陥没部においては、光合成微生物の細胞当たりの光合成による生産効率の低下を招く。
従って、本発明の目的は、柔軟性材料を用いて袋状に形成したリアクター内の培養液の深度を一定に維持し、もってより多くの太陽光を均一に効率よく培養液中に照射させると共に、受光面積が広い状態を保つことにより、光合成微生物による光合成効率を改善し、効率よい生産を可能とすることである。
本発明の他の目的は、光合成微生物を培養して該光合成微生物が産生する水素ガスを生産するに際して、コストの抑制が可能であり、エネルギー変換効率よく、しかも、管理が容易な光合成用リアクターを提供することである。
海面等に浮遊させて用いる廃水処理用のリアクターそれ自体は公知である。しかし、前記特開平９−１１８１号公報に記載される廃水処理用のリアクターは、光合成用リアクターの屋根部を山形状に形成するものであり、このような複雑な構造体を作成することは、装置コストの増大につながる。
また、前記特開平９−１１８２号公報に記載されるとおり、柔軟性材料を用いて袋状に形成した廃水処理用のリアクターも提案されている。
しかし、特開平９−１１８２号公報に記載されるリアクターは１重のプラスチックシートからなる柔軟性材料を用いて袋状に形成していると思われるため、また、廃液中の有機物等を電子供与体としているため、長期にわたって使用する場合、下記のような問題が生じる。
１．水素ガスは、酸素ガスや二酸化炭素に比べて分子の大きさが小さく、通常のプラスチックシートではバリアー性が不十分であり、産生した水素ガスの相当部分がプラスチックを通して通り抜けてしまう恐れがあること。
２．長期使用した場合、太陽光によってリアクターを構成するプラスチック材料が劣化し、水素ガス漏洩の割合が高くなるとともに、リアクター破損の原因となること。
３．長期使用によりリアクター内に発生する他の微生物（水素を消費する水素細菌、及び、シアノバクテリアや緑藻等を餌とする動物プランクトン等）の混入や藻等の発生は、産生した水素ガスを消耗したり、シアノバクテリや緑藻等の増殖を阻害したり、培養液収納バッグ内壁に他の藻類や水素生産活性の低下した当該光合成微生物の塊等が付着したりして、シアノバクテリアや緑藻等の水素ガス産生を低下させる原因となること。
４．このため、数週間乃至数カ月に１回程度はリアクターを洗浄・清掃して、新しいリアクターと交換する必要があると考えられること。
５．また、上記特開平９−１１８２号公報は、多数のリアクター袋を形成し、これらリアクター袋の頂部に発生する水素を排出する配管を接続し、多数を連結しているが、これは、光合成細菌を利用して廃液中の有機物等を電子供与体とするため、電子供与体を含む廃液の毎日のような頻繁な供給・更新と培養液の攪拌が必要な事態を念頭に置いていると考えられること。
したがって、本発明の目的は、上記諸課題を解決し、コストを抑制しつつ、透明かつ柔軟なプラスチック材料からなるリアクターからの水素ガス洩れを防止し、かつ、培養液収納バッグ内を常に最適条件に保つことによって、酸素発生型光合成微生物の水素ガス産生効率を向上させ、そのためのリアクター管理を容易にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者らは、光合成微生物が産生する光合成生産物の大規模生産方法、藻体そのものが有用なクロレラ等の藻類を大量培養する方法について、特に安価なプラスチック製袋状の浮遊式光合成用リアクターを用いた光合成生産物の大規模生産方法について鋭意研究を重ねた結果、海水等の水面を形成するリアクター外の水媒体とリアクター内に注入する培養液との比重差を利用することにより、より具体的にはリアクター内に、海水等の外部の水媒体より比重の小さな培養液を注入することにより、培養液の水深のバラつきを排除し、リアクター内の培養液の水深を均一化し、それによって太陽光の均一照射、均一利用を可能とし、また、広い受光面積を保つことによって、結果的に光合成生産物の効率的な生産方法を知見して本発明を完成した。
また、本発明者らは、光合成微生物が産生する水素ガスの大規模生産方法、特に透明かつ柔軟なプラスチック材料からなる収納バッグを用いた水素ガスの大規模生産方法に関して鋭意研究を重ねた結果、リアクターを水素ガスバリアー層を含む３層構造とすることによってこれら問題を解決し得ることを見出して本発明を完成するに至った。
具体的には、以下のとおりである。
１．水面上に浮遊させた透明なプラスチック材料からなる光合成用リアクター内に、水面を形成するリアクター外の水媒体よりも比重の小さい培養液を充填し、該培養液中で光合成微生物を培養することを特徴とする光合成微生物の培養方法。
２．光合成用リアクター外の水媒体が、海水又は塩水湖の塩水又は汽水である上記１に記載の光合成微生物の培養方法。
３．光合成微生物が、それ自体が有用である微生物又は有用な産生物を体内に蓄積する微生物である上記１又は２に記載の光合成微生物の培養方法。
４．それ自体が有用である微生物又は有用な産生物を体内に蓄積する微生物が、クロレラ、スピルリナ、ドナリエラ、ポルフィリディウム、ヘマトコッカス又はクロロコッカムである上記３に記載の光合成微生物の培養方法。
５．光合成微生物が、水素ガス産生能を有する微生物であり、生産物が水素ガスである上記１に記載の光合成微生物の培養方法。
６．水素ガス産生能を有する微生物が、水を電子供与体として利用できる酸素発生型光合成を営むシアノバクテリア又は緑藻である上記５に記載の光合成微生物の培養方法。
７．上記５に記載の水素ガス産生能を有する微生物の培養方法において使用する水素ガス産生のための光合成用リアクターであって、該リアクターが、透明なプラスチック材料からなる内層の培養液収納バッグと、該培養液収納バッグを覆う透明なプラスチック材料からなる中層の水素ガスバリアー性バッグと、これらを覆う透明なプラスチック材料からなる外層の被覆バッグとからなり、かつ内層の該培養液収納バッグが、中層の水素ガスバリアー性バッグとこれらを覆う外層の被覆バッグとから取り出し可能である水素ガス産生のための光合成用リアクター。
８．外層の被覆バッグが、中層の水素ガスバリアー性バッグを構成するプラスチックより機械的強度が高いプラスチックであることを特徴とする上記７に記載の水素ガス産生のための光合成用リアクター。
９．中層の水素ガスバリアー性バッグと外層の被覆バッグが積層されて袋状になっており、これが、内層の袋状の培養液収納バッグを覆うように形成された上記７に記載の水素ガス産生のための光合成用リアクター。
１０．外層の被覆バッグと中層のバリアー性バッグ、及び、中層のバリアー性バッグと内層の培養液収容バッグの、それぞれの間隙に適当量の水を充填してなる上記７に記載の水素ガス産生のための光合成用リアクター。
１１．上記９の積層されたバッグと内層の培養液収容バッグの間隙に適当量の水を充填してなる請求項９に記載の水素ガス産生のための光合成用リアクター。
１２．外層の被覆バッグを構成するプラスチックが紫外線吸収性プラスチックである上記７乃至１１のいずれかに記載の水素ガス産生のための光合成用リアクター。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の光合成微生物の培養方法は上記１乃至６に記載したとおりであり、本発明の培養方法によれば、海面等の水面上に浮遊させた透明かつ柔軟性材料からなる袋状の光合成用リアクターを用いて光合成微生物を大規模培養し、クロレラ、スピルリナ等の藻体、水素、油脂等の各種光合成生産物を極めて効率的に生産することが可能である。
従来利用され、あるいは、提案されている、光合成微生物等を利用した水素ガス生産装置や廃水処理のためのリアクター、あるいはプールを利用したクロレラ培養装置はどれも大掛かりな恒常的な装置・プラントであり、水深を一定に保つことはできるものの、維持管理や運転操作が複雑で、設備費およびランニングコストが高価となるという問題点を有していたが、本発明によればそれらの問題点を解決することができる。また、異物や異生物の混入を効率的に防止しうる
そのための解決手段も、海面等の水面上に浮遊させた透明かつ柔軟性材料からなる袋状の光合成用リアクターを用い、かつ、水面を形成するリアクター外の水媒体よりも比重の小さい培養液を用いるだけであり、格別のコストもかからない。
本発明によれば、柔軟性材料からなる袋状の光合成用リアクターの内容液、即ち培養液はほぼ均一な深さで広がり、太陽光の受光面積も広がるので、全体としての光合成の生産効率が高くなる。
また、本発明の水素ガス産生のための光合成用リアクターは上記７乃至１２に記載したとおりであり、バッグ形状をした極めて簡単な３層構造のリアクターを利用することにより、シアノバクテリア等の光合成微生物を海面等の水面上で大規模培養し、光合成を利用して水素ガスを大規模に、効率的に、安価に生産することが可能である。
本発明の水素ガス産生のためのリアクターは、中層に水素ガスバリアー性の透明なプラスチック製バッグを有するので、産生された水素ガスの漏洩による損失が少ないばかりでなく、３層構造としたことにより、内層の培養液収納バッグや外層の透明なプラスチック製被覆バッグの材質として水素ガスバリアー性を考慮することなく、安価なプラスチックの使用が可能となり、また、培養液収納バッグの交換も容易となった。
一般に、地球表面が受ける太陽光強度はそれほど高くないため、また、光合成用リアクターは培養液収納バッグが巨大であることから、コスト低減のためには安価なプラスチック材料の使用が望まれる。しかし、水素バリアー性が高く、太陽光による劣化が起こりにくく、しかも機械的強度が高い等、全ての要件を満足する高機能性のプラスチックは一般に非常に高価である。一方、このようなリアクターを使用した場合、培養液収納バッグ内壁に他の藻類や水素生産活性の低下した当該光合成微生物の塊等が付着するので、バッグ内壁の洗浄ないしバッグ全体のかなり頻繁な取り替えが必要である。バッグをその都度新品に交換する単回使用ではコスト的に採算性に問題が生じ、また、洗浄するにしても高機能性プラスチックは高価である故、細心の注意が必要でありそのコストも決して安いものではない。これに対し、本発明の水素ガス産生のための光合成用リアクターは３層構造としてあり、内袋を構成する培養液収納バッグは、中層のガスバリアーバッグ及び外層の被覆バッグの開口部から簡単に取り出すことが可能であることから、培養液収納バッグの交換が容易であるばかりでなく、培養液収納バッグのみを取り出して簡単に殺菌や清掃することにより反復使用できるので、高価な水素ガスバリアー被覆バッグを採用した場合でも、長期的にはコストの低減をはかれる。リアクターは柔軟なプラスチック材料から構成されているが、海上等に浮遊させるだけなので特別な事情がない限り破損の恐れもなく、したがって、特別な支持装置等を設ける必要もない。
また、内層のバッグには、水素バリアー性を考慮することなく単純な組成のプラスック材料を用いることが出来るので、リサイクルも比較的容易である。
このように、本発明では、水素バリアー性バッグ及び被覆バッグによって培養液収納バッグを包み込むことにより、水素バリアー性バッグは勿論のことリアクターそれ自体の長寿命化がはかられる。また、内層の培養液収納バッグは勿論のこと、必要に応じて外層の被覆バッグを交換することも可能である一方、水素バリアー性バッグは継続して使用することも可能である。
より具体的には、第８番目の発明に係る水素ガス産生のための光合成用リアクターは、機械的強度が高い外層の被覆バッグを使用するので、高価な水素ガスバリアー性プラスチックシートが外層の被覆バッグプラスチックシートによって保護され、強風や大雨、高波、台風等の過酷な条件下でも長期の使用に耐えうることができる。
また、第９番目の発明に係る水素ガス産生のための光合成用リアクターは、中層の水素ガスバリアー性バッグと外層の被覆バッグが積層されているので、高価な水素ガスバリアー性プラスチックシートが外層の被覆バッグプラスチックシートによって強化されて破損から保護されるだけでなく、内層の培養液収納バッグの取り出しも容易となる。
また、第１０番目の発明に係る水素ガス産生のための光合成用リアクターは、外層の被覆バッグと中層のバリアー性バッグ、及び、中層のバリアー性バッグと内層の培養液収容バッグの、それぞれの間隙に適当量の水を充填しており、容器外の水媒体との間の熱伝導による冷却効果によって太陽光による培養液温度の上昇を防ぐことが期待でき、更には波浪等による被覆バッグシートと水素ガスバリアー性バッグシート間、および、水素ガスバリアー性バッグシートと内層の培養液収容バッグ間の摩擦を低減することが可能となり、シートの寿命を向上させることが可能である。また、内層の培養液収容バッグ交換時にも、中層の水素ガスバリアー性バッグとの間の摩擦が軽減されることにより、容易に取り出し・挿入ができる。
また、１１番目の発明に係る水素ガス産生のための光合成用リアクターは、外層と中層が積層されたバッグと内層の培養液収容バッグの間隙に適当量の水を充填しており、容器外の水媒体との間の熱伝導による冷却効果によって太陽光によって昇温する培養液温度を低下することが期待でき、更には波浪等による積層バッグと内層の培養液収容バッグ間の摩擦を低減することが可能となり、シートの寿命を向上させることが可能である。また、内層の培養液収容バッグ交換時にも、積層バッグとの間の摩擦が軽減されることにより、容易に取り出し・挿入ができる。
また、第１２番目の発明に係る水素ガス産生のための光合成用リアクターは、外層の被覆バッグを構成するプラスチックが紫外線吸収性プラスチックであるので、被覆バッグそれ自体は勿論のこと、内層及び中層の２つのバッグを紫外線による劣化から保護することができるので、海上等での強烈な太陽光下でも劣化が抑えられ、また、光合成微生物を紫外線による傷害から防ぐことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
図１Ａは、リアクター外の水媒体よりも比重が大きな培養液を注入した場合のリアクターの変形の様子を概念的に示す断面図である。（参考例２）
図１Ｂは、リアクター外の水媒体と比重が同じ培養液を注入した場合のリアクターの変形の様子を概念的に示す断面図である。（参考例３）
図２は、リアクター外の水媒体よりも比重が小さな培養液を注入した場合のリアクターの様子を概念的に示す断面図である。（実施例１）
図３は、水素ガスバリアー性積層フィルムを用いて行った水素ガスバリアー性の試験結果を示す図である。
【符号の説明】
【０００７】
１は、水面上に浮遊させた透明かつ柔軟性材料からなる光合成用リアクターである。
２は、水面を形成するリアクター外の水媒体である。
３は、リアクター内に注入した培養液である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
上記１乃至６に記載の光合成微生物の培養方法に関する本発明は、上記のとおり、海水面等に浮遊させた光合成用リアクター中で、生物体そのものが有用なクロレラ等の光合成微生物を大量培養し、又は、光合成微生物により水素ガス等の光合成生産物を製造するにあたって、該光合成用リアクターに、水面を形成するリアクター外の水媒体よりも比重の小さい培養液を充填することを特徴とするものである。以下、本発明について詳述する。
本発明の第１番目の発明は、水面上に浮遊させた透明な柔軟性プラスチック材料からなる光合成用リアクター内に、水面を形成するリアクター外の水媒体よりも比重の小さい培養液を充填し、該培養液中で光合成微生物を培養することを特徴とする光合成微生物の培養方法に関するものである。
透明なプラスチック材料からなる光合成用リアクターは、特に限定されるものではないが、構造的には柔構造であり、形状的には、上から見た場合、その形状は正方形、長方形、円形、楕円形等であり、好ましくは偏平な袋状である。リアクターの製造し易さ、扱い易さからすると、好ましくは長方形、即ち偏平な袋状乃至チューブ形である。これらリアクターの製造方法は、例えば、プラスチックからなる２枚のシート又はフィルムの四辺を熱融着等の手段によって接合することにより、あるいは押出成型された筒状のシート又はフィルムを適宜長さに切断した後に、両端部を熱融着等の手段によって接合することにより容易に製造することができる。これらシート又はフィルムは、複数枚のシート又はフィルムを接合して大面積化したものであってもよい。
これら「光合成用リアクター」は、１つの独立した大きな袋状のリアクターであってもよいし、または、複数個の袋状のリアクターを連結させて複合化した複合光合成用リアクターであってもよい。複合光合成用リアクターは、具体的には、個々の長方形の袋状光合成用リアクターを任意の連結手段によって筏状に組み合わせればよい。或いは、複数のリアクターを１列に連結させてもよい。連結手段は任意であり、例えば、紐等で互いのリアクターを括るようにして結びつけてもよいし、あるいはリアクターの側縁部に設けた結合のための結合部材を利用して互いを連結してもよい。また、複合光合成用リアクターにあっては、個々のリアクターを管で連結してもよい。
リアクター内は、光合成微生物の種類や特性に応じて、嫌気性雰囲気あるいは好気性雰囲気に調整することも可能である。
なお、水素産生能を有する微生物を用いて水素ガスを産生させる場合は、水素ガスバリアー層を有する３層構造のリアクターを用いるとよい。これについては、第７番目の発明の項で詳述する。
リアクターには、培養液を注入・排出するための注排水口を設け、かつ、光合成や窒素固定に必要とされる二酸化炭素、窒素等の気体を供給したり、光合成微生物が培養リアクター内で生産した水素ガス等を回収したりするための、ガス取出・供給口を設けておくとよい。生産物が水素である場合、水素は、このガス取出・供給口を通して回収され、リアクター内に初期気相を再充填することにより、水素の反復生産が可能となる。
リアクターの大きさは、特に限定されるものではないが、一例をあげれば、幅２ｍ〜５０ｍ、長さ１００ｍ〜２００ｍ、深さ（気相部分および溶液相部分の合計）０．１ｍ〜５ｍである。またリアクターを構成するフィルムの厚さは破損に対する機械的強度が確保されていれば十分であり特に限定されるものではないが、好ましくは０．１ｍｍ〜０．６ｍｍである。ナイロンフィルム等の強靭なフィルムを用いる場合には０．１ｍｍ〜０．２ｍｍで十分である。また、リアクター内の培養液（３）の水深は、特に限定されるものではないが、太陽エネルギーの効率的な利用の観点からすると、０．１ｍ〜１０ｍ程度、好ましくは０．１ｍ〜５ｍ、特に好ましくは０．２ｍ〜１ｍ程度である。
「透明なプラスチック材料」は、代表的には透明かつ柔軟性を有する熱可塑性プラスチックからなるシート又はフィルム状材料である。プラスチックとしては、透明かつ柔軟性を有するものであれば特に制限はない。これらプラスチックの例としては、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、ポリプロピレン、軟質塩化ビニル、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリメチルペンテン、ポリビニルアルコール、ポリカーボネート、フッ素系樹脂等を挙げることができる。透明性、柔軟性、強度の点からすると、好ましくはポリエステル、ナイロン、ポリプロピレンである。また、これらプラスチックからなるシート又はフィルムは、好ましくは延伸処理、さらに好ましくは２軸延伸処理されたものである。ヒートシール性のフィルムを積層してもよいし、強化を目的として他のプラスチックシート、フィルム、又はネットを積層したものであってもよい。
また、特に好ましいプラスチック材料はこれらプラスチックに紫外線吸収剤を適量配合したものである。これによって、太陽光の紫外線によるプラスチックの劣化を防止乃至抑制することができ、かつ、光合成生物を紫外線による傷害から保護することが可能となる。
「リアクター外の水媒体よりも比重の小さい培養液」は、水面を形成するリアクター外の水媒体、具体的には海水又は塩水湖の塩水又は汽水よりも比重の小さい培養液であればよく、特に制限されるものではない。培養液は、上記条件を満たす範囲内の塩分（ＮａＣｌ）等を含んでもよい。海水濃度の比重は１．０２０〜１．０２３（２５℃）であるので、リアクター外の水媒体が海水である場合には、培養液は比重が１．０２０〜１．０２３未満であればよい。「塩水」とは、塩水湖の塩水を意味する。必要により、光合成微生物が成育するのに必要な栄養素を培養液に加えてもよいことは勿論である。例えば、シアノバクテリアの生育には、代表的な培地であるＢＧ１１培地を構成するための組成物を配合してもよい。
培養液の栄養源としては、微生物の培養に通常用いられるものを広く使用することができる。炭素源としては、酸素発生型光合成微生物の場合は、二酸化炭素を気相に添加すれば足りる。有機物を必要とする場合は、資化可能な炭素化合物であればよく、例えば、グルコース、スクロース、ラクトース、マルトース、糖蜜、ピルビン酸、グリセリン、または、有機物や還元型硫黄化合物を含む食品工場廃水などを使用することができる。また、窒素源としては利用可能な窒素化合物であればよく、例えば、アンモニア、硝酸もしくはその塩等の無機窒素源、またはペプトン、肉エキス、酵母エキス、カゼイン加水分解物、大豆粕アルカリ抽出物等の有機窒素源などを使用することができる。窒素固定光合成微生物を培養する場合は、気相に窒素を含んでいれば、窒素化合物は加えなくても良い。その他、リン酸塩、炭酸塩、硫酸塩、マグネシウム、カルシウム、カリウム、鉄、マンガン、亜鉛、などの塩類、特定のアミノ酸、特定のビタミン、消泡剤なども必要に応じて使用してもよい。
「光合成微生物」は、光合成をする微生物の総称であり、本発明においては培養可能であれば特に制限されるものではない。具体例としては、糸状性緑色細菌、緑色イオウ細菌、シアノバクテリア、紅色細菌、ヘリオバクテリア、緑藻、紅藻等を挙げることができる。
本発明の培養方法は、利用方法の観点から２つに分けることができ、また、それに対応して培養すべき光合成微生物もそれら方法に従って２つのタイプに区分することができる。
１つは、有用微生物を本発明に従って培養し、増殖した微生物をリアクターから回収し、回収された微生物それ自体又はそれら微生物が体内に産生・蓄積した有用産生物質を健康食品や飼料、化粧品材料等として利用する方法である。いま１つの方法は、有用微生物がその体外に産生する水素ガス等の有用産生物質をリアクターから直接回収して利用する方法である。
第２番目の発明は、リアクター外の水媒体が海水又は塩水湖の塩水又は汽水であることを特徴とするものである。
本発明のリアクターは、海や塩水湖あるいは気水性の湖や河川に浮かべて使用する。したがって、「リアクター外の水媒体が海水又は塩水湖の塩水又は汽水である」との要件は、リアクターを海水又は塩水湖の塩水又は汽水に浮遊させることによって達成される。
第３番目の発明は、光合成微生物が、それ自体が有用である微生物又は有用な産生物を体内に蓄積する微生物であることを特徴とするものであり、第４番目の発明は、それら微生物が、クロレラ、スピルリナ、ドナリエラ、ポルフィリディウム、ヘマトコッカス又はクロロコッカム等であることを特徴とするものである。
それ自体が有用である微生物は、微生物体それ自体が健康食品や飼料として有用なものであり、有用な産生物を蓄積する微生物は、その体内にタンパク質や脂質、カロテン等の有用産生物を蓄積する特性を有する微生物であり、例えば、クロレラ、スピルリナ、ドナリエラ、ポルフィリディウム、ヘマトコッカス又はクロロコッカム等を挙げることができる。
上記クロレラやスピルリナ等の光合成微生物は、細胞自体が健康食品や海産動物の飼料として有益である。また、ヘマトコッカスは、抗酸化作用のあるカロテノイド生産に有益であり、ポルフィリディウムは、紅色色素フィコエリスリンを含みスキンケア商品の原料として使用可能である点で有益である。
また、最近、光合成微生物を用いて大気中の二酸化炭素を太陽光エネルギーを利用して有機物に変換したり、バイオマス（澱粉等）を生産してこれを発酵させることによりエタノールやメタンに変換して燃料として再利用したり、脂質を高濃度に蓄積する緑藻にバイオディーゼル燃料の原料を生産させることも研究されているが、本発明に培養方法はこれら技術分野での応用も多いに期待できるものである。
これら微生物の体内に産生・蓄積した有用産生物質は、微生物体から分離回収して、あるいはそのまま利用することが可能である。
第５番目の発明は、光合成微生物が水素ガス産生能を有する微生物であり、光合成生産物が水素ガスであることを特徴とし、第６番目の発明は、その中でも特に水素ガス産生能を有する微生物が水を電子供与体として利用できる酸素発生型光合成を営むシアノバクテリア、緑藻等であることを特徴とするものである。第５番目の発明における水素ガス産生能を有する微生物は、上記光合成微生物のうち、水素ガス産生能を有する微生物であればよく、特に限定されるものではない。好ましくは、第６番目の発明における水を電子供与体として利用できる酸素発生型光合成を営むシアノバクテリア、緑藻等である。具体的には、Ａｎａｂａｅｎａ（アナベナ）等のシアノバクテリア、クラミドモナス等の緑藻等が好適である。水素ガス産生能を有する微生物の詳細については、第７番目の発明の項で詳述する。
第７番目の発明は、上記のとおり、水面に浮遊させた容器中で光合成微生物により水素ガスを製造するための水素ガス産生のための光合成用リアクターであって、該リアクターが、透明なプラスチック材料からなる内層の培養液収納バッグと、該培養液収納バッグを覆う透明なプラスチック材料からなる中層の水素ガスバリアー性バッグと、これらを覆う透明なプラスチック材料からなる外層の被覆バッグとからなり、かつ該培養液収納バッグが中層の水素ガスバリアー性バッグと、これらを覆う外層の被覆バッグとから取り出し可能であるであることを特徴とするものである。
また、各層のバッグは、それぞれの機能が細分化されているので、比較的単純な組成で、リサイクルが容易な素材を選ぶことも可能である。
ここで、「水素ガス産生のための光合成用リアクター」とは、海面等の水面に浮遊させた容器中で光合成微生物により水素ガスを製造するための反応器であり、内層の透明なプラスチック材料からなる培養液収納バッグ、中層の透明なプラスチック材料からなる水素ガスバリアー性バッグ、およびこれらを覆う透明な外層の被覆バッグとから構成される。
これら水素ガス産生のための光合成用リアクターは、１つの独立した大きな扁平な３層の袋からなるリアクターである。また、扁平な袋状のリアクターを複数個連結させたものであってもよい。連結手段は任意であり、例えば、紐等で互いのリアクターを括るようにして結びつけてもよいし、あるいはリアクターの側縁部に設けた結合のための結合部材を利用して互いを連結してもよい。リアクターの大きさは、特に限定されるものではないが、一例をあげれば、幅２ｍ〜５０ｍ、長さ１００ｍ〜２００ｍ、深さ（気相部分および溶液相部分の合計）０．１ｍ〜５ｍ、好ましくは０．５ｍ〜５ｍである。
水素ガス産生のための光合成用リアクターには、培養液を注入・排出するための培養液注排水口を設け、かつ、光合成微生物が培養容器内で生産した水素ガスを回収したり、光合成や窒素固定に必要とされる二酸化炭素、窒素等の気体の供給するための、ガス取出・供給口を設けておく。生産された水素は、このガス取出・供給口を通して回収され、バッグに初期気相を再充填することにより、水素の反復生産が可能となる。また、水素ガスバリアー性バッグ及び被覆バッグには、培養液収納バッグを取り出し可能にするための手段として、長手方向の一端又は両端、好ましくは両端に培養液収納バッグの出し入れのための開閉自在な開口部を設けておく。水素ガスバリアー性バッグ及び被覆バッグの両端に開口部を有するリアクターは、培養液収納バッグを出し入れする際に、片方から挿入しつつ他方から引っ張り入れることが可能であり、培養液収納バッグの出し入れ操作が容易となる。開閉手段は特に限定されるものではなく、ファスナー、面ファスナー、フック等、いかなる手段を採用してもよいが、好適には面ファスナー又はフックである。水素を含むガスの回収方法は特に制限されるものではないが、通常は培養液収納バッグ内に蓄積された水素ガスを含む気体を回収するだけでよい。水素ガス回収に当たっては、まず、中層の水素ガスバリアー性バッグ内の気体を回収したのち、中層のバッグの開口部を開き、次いで、内層の培養液収納バッグ内の気体を回収するのが望ましい。両者のバッグから、気体を、同時に回収・交換するための付属装置を備えることも可能である。
第７番目の発明における「透明なプラスチック材料」としては、代表的には透明かつ柔軟性を有する熱可塑性プラスチックからなるシート又はフィルム状材料であれば特に制限はない。
内層の培養液収納バッグは、水素に対する透過性を問う必要はなく、培養液を収納できる強度があればよく、安価な素材、リサイクル可能な素材を使用することが可能である。また、外層の被覆バッグは主に中層の水素ガスバリアー性バッグの保護、特に機械的強度の付与を目的としたものであるから、培養液収納バッグの場合と同様に、水素バリアー性を必要とせず、比較的強度が高くかつ安価な汎用性プラスチックシートを使用することができる。
内層の培養液収納バッグ及び外層の被覆バッグ用プラスチックの例としては、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、ポリプロピレン、軟質塩化ビニル、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリメチルペンテン、ポリビニルアルコール、ポリカーボネート、フッ素系樹脂等を挙げることができる。価格、透明性、柔軟性、強度等を考慮しつつ、適当なものを選べばよい。特に限定されるものではないが、内層の培養液収納バッグ用プラスチックとして好ましいのは、比較的安価で汎用性のある低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、ポリプロピレン、軟質塩化ビニル等のポリオレフィン又は軟質塩化ビニルであり、外層の被覆バッグ用プラスチックとして好ましいのは、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリカーボネート等の高強度プラスチックである。
「水素ガスバリアー性プラスチック」としては、通常のプラスチックに比べて水素ガスに対する透過性が低い透明なプラスチックであれば特に制限はない。単層フィルムであっても積層フィルムであってもよい。水素ガスバリアー性の積層プラスチックフィルムの例として、ポリプロピレン、ナイロン、ポリエステル等の基材フィルムにアクリル酸系樹脂をコーティングしたガスバリアー性積層フィルム（株式会社クレハ製。商品名「ベセーラ」（登録商標）、特に好ましくは「ベセーラＥＴ−Ｒ」）を挙げることができる。
また、本発明において使用する「水素ガス産生能を有する微生物」は、生育に光エネルギーを必要とし、光合成による水素ガス産生能を有する微生物であれば特に限定されるものではなく、次の２群に大別される。
（１）水を電子供与体として利用できず、有機物や硫黄化合物を電子供与体とする、いわゆる光合成細菌。
（２）酸素発生型光合成を営み、水を電子供与体として利用できる、シアノバクテリア（別名：ラン色細菌、藍藻類）、緑藻等。
本発明のリアクターに適用可能な光合成微生物として特に好ましくは、資源量の観点から、上記（２）の酸素発生型光合成微生物である。酸素発生型光合成微生物では、水素生産のための電子供与体は、培養液を構成する水であり、産物は水素と酸素なので、培養液をそれほど頻繁に換えることなく、継続して水素生産が可能である。シアノバクテリアや、緑藻類のクラミドモナス属藻類には、実験室段階の研究において、光生物的水素生産能力の高いものが報告されているが、このようなシアノバクテリアやクラミドモナス属藻類を使用してもよい。中でも、窒素固定型シアノバクテリアのニトロゲナーゼを利用した水素生産の研究においては、近年、遺伝子工学的にヒドロゲナーゼ活性を低下させた改良株が作成され、良好な水素生産性を示すことが報告されているが、このような改良窒素固定型シアノバクテリアの使用も可能である。
「窒素固定型シアノバクテリア」は、酸素発生型の光合成を営むことのできる原核生物シアノバクテリアであり、窒素欠乏条件下で、酵素ニトロゲナーゼ反応により窒素をアンモニアに固定するが、この反応の必然的副産物として水素が発生するので、これを水素生産に利用できる。また、窒素ガスがない条件下では、窒素を固定することなく、水素生産ができる。このような窒素固定型シアノバクテリアとしては、Ａｎａｂａｅｎａ属、Ｎｏｓｔｏｃ属、Ｔｒｉｃｈｏｄｅｓｍｉｕｍ属、Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｉａ属などがある。
また、ここで「紫外線吸収性プラスチック」とは、具体的には紫外線吸収剤を配合したプラスチックシートである。
次に、第８乃至１２番目の発明について述べるが、基本的には素材等の用語の意味は上記と同じである。
第８番目の発明は、外層の被覆バッグが、中層の水素ガスバリアー性バッグを構成するプラスチックより機械的強度が高いことを特徴とするものであるが、上記のとおり、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリカーボネート等の高強度プラスチックが好ましい。また、ポリオレフィン等のプラスチックシート乃至フィルムの厚みを厚くすることにより機械強度を高めたものであってもよい。
第９番目の発明は、水素ガスバリアー性バッグと被覆バッグが積層されていることを特徴とするものであるが、両バッグを構成するプラスチックシートを予め公知乃至周知の方法に従って積層し、得られた積層シートを袋状に成形すればよい。ポリプロピレン、ナイロン、ポリエステル等の基材フィルムにガスバリアー性のアクリル酸系樹脂をコーティングした積層フィルム乃至シートであってもよい。
また、第１０番目は、外層の被覆バッグと中層のバリアー性バッグ、及び、中層のバリアー性バッグと内層の培養液収容バッグの、それぞれの間隙に適当量の水を充填することを特徴とし、第１１番目の発明は、積層されたバリアー性バッグと内層の培養液収容バッグの間隙に適当量の水を充填しておくことを特徴とするものであるが、これにより、太陽光によって暖められる培養液に対する、海水等の支持媒体による熱伝導による冷却効果が高まるばかりでなく、被覆バッグと中層の水素ガスバリアー性バッグが波浪等により互いに擦れて磨耗するのを防止する効果も有する。充填する水は特に制限はなく、海水、河川水、真水等が利用できるが、水素を吸収して生育するような雑菌（水素をエネルギー源とすることのできる化学独立栄養細菌、従属栄養細菌等）の繁殖を抑制乃至防止する観点からすると、酸性水、アルカリ性水、ＥＤＴＡ含有水等、の生育阻害的水媒体、滅菌した水媒体が好ましい。それぞれのバッグの間隙に充填する水の量（「適当量の水」）は、リアクターを浮遊させる水面とほぼ同程度の喫水を維持する水の量である。
また、第１２番目の発明は、外層の被覆バッグを構成するプラスチックが紫外線吸収性プラスチックであることを特徴とするものであるが、紫外線吸収性プラスチックであれば特に限定されるものではない。最も簡便には、紫外線吸収剤含有プラスチックシートの使用である。紫外線吸収剤は公知の物を含むいかなるものであってもよい。
本発明の水素ガス産生のための光合成用リアクターの使用態様は以下のとおりである。
本発明の水素ガス産生のための光合成用リアクターは、培養液収納バッグにシアノバクテリア等の酸素発生型光合成微生物を含む培養液を収納したリアクターを、海面などの水域に設置して使用する。手順としては、予め、培養液収納バッグと中層の水素ガスバリアー性バッグを外層の被覆バッグ内に収納しておき、その後、該培養液収納バッグに設けた注入口から同バッグ内に水素生産性の酸素発生型光合成微生物を含む培養液を充填し、ガス取出・供給口より初期気相を充填したのち、それぞれの開口部を閉鎖するとよい。
初期気相は、酸素発生型光合成微生物の種類に応じて適宜調整すればよい。例えば、アルゴンを主体とし、低濃度の二酸化炭素及び窒素を含むことができる。ガス取出・供給口を通して、生成した水素及び酸素を含む気体を収穫し、再度、初期気相に交換することにより、水素の繰り返し収穫による長期生産が可能となる。
また、長期生産において、培養液収納バッグ内に、混入する他の微生物が繁殖したり、培養液収納バッグ内面に他の藻類、水素生産活性の低下した当該光合成微生物の塊等が付着したりする場合は、培養液収納バッグを取り出して洗浄して再使用することにより、あるいは新品の培養液収納バッグに取り替えることにより、中層の水素バリアー性のプラスチックバッグ、および外層の被覆バッグは、継続して使用することができる。
以下、参考例及び本発明の一実施例を添付図面に基づいて説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
［参考例１］光合成用リアクター（１）の準備；
まず、光合成用リアクター（１）を準備する。幅約２ｍ、長さ１５０ｍ、厚さ０．５ｍｍのナイロンフィルムを１５枚、それぞれ長手方向に互いに熱融着して縦３０ｍ、横１５０ｍの一枚の大きなフィルムとなし、これを２枚用意して、重ね合わせて、その４辺を熱融着して縦３０ｍ、横１５０ｍの袋状のリアクター（１）とする。
［参考例２］比重が大きな培養液を注入した場合；
図１Ａは、柔軟性材料からなる光合成用リアクター（１）内に、水面を形成するリアクター外の水媒体（２）よりも比重の大きい培養液（３）を充填した場合のリアクターの様子を示す図である。具体的は、湖や川に浮かべたリアクター（１）内にこれより比重の大きい培養液（３）を充填した場合がこれに相当する。この場合、培養液の比重がリアクター外媒体である湖や川の水の比重よりも大きいため、重力によって柔軟性材料からなる袋状のリアクターに下方向に力が働き、リアクター中の気体と釣り合いを保ちつつ可能な限り水中に沈もうとする。その結果、袋状のリアクターは扁平形状を維持することができず、極端には、卵形状に変形して安定化する。このようにして、リアクター中の培養液の水深、特にリアクター中央部における培養液の水深は想定乃至設計水深より深くなり、受光表面積が減少するとともに、太陽光がリアクターの底部にまで十分に届かない部分が生じる結果、全体として光合成効率の著しい低下を招く事態となる。
［参考例３］比重が同じ培養液を注入した場合；
図１Ｂは、柔軟性材料からなる光合成用リアクター（１）内に、水面を形成するリアクター外の水媒体（２）とほぼ同じ比重の培養液（３）を充填した場合のリアクターの様子を示す図である。具体的は、海又は塩水湖に浮かべたリアクター（１）内に海水又は塩水と同程度の比重を有する培養液（３）を充填した場合、あるいは湖や川に浮かべたリアクター（１）内に外部の水と同程度の比重を有する培養液（３）を充填した場合がこれに相当する。この場合、リアクター外の水媒体とリアクター内の培養液の比重が同一であるため、リアクター内からもリアクター外からもリアクターの変形を復元させるような外力は働かない。したがって、例えば、培養液をリアクター内に注水したときに、その注入水圧によって生じた、或いは波等の外力によって生じたリアクターの変形、特に底面の変形はそのまま修正されることなく変形したままの形状が相当期間維持される。例えば、培養液注入口からある程度の水圧をもって培養液を注水した場合、その注入口付近の袋状のリアクター底部は水圧によって他部分より幾分陥没した形状に変形してしまうが、リアクター形状を復元させるような外力は働かないので、当該部分は相当期間そのまま陥没した状態を維持し、底面は凹凸となったままで、平坦な状態に回復することはない（図１Ｂ参照）。したがって、上記図１Ａの場合と同様、受光表面積が減少するとともに、リアクター内の培養液の水深にバラつきが生じ、太陽光は均一に届かなくなり、特に陥没部においては細胞当たりの生産効率の低下を招く。また、その後、波や水流の影響で任意に変形した場合も、水層が均一とはならない。その結果、図１Ａの場合と同様に、光合成効率の低下を招く事態となる。
【実施例１】
【０００９】
図２は、柔軟性材料からなる光合成用リアクター（１）内に、水面を形成するリアクター外の水媒体（２）よりも比重の小さい培養液（３）を充填した場合のリアクターの様子を示す本発明の図である。具体的は、海又は塩水湖又は汽水に浮かべたリアクター（１）内に培養液（３）として川の水や真水を基本とする培養液を充填した場合がこれに相当する。光合成用リアクター（１）としては、参考例１に記載するように、縦３０ｍ、横１５０ｍの袋状のリアクター（１）が好ましい。この場合、リアクター内の培養液（３）の比重が外界、即ちリアクター外の水媒体（２）の比重よりも小さいために、リアクター（１）全体に上向きの力が作用し、仮に、注入水圧によって生じた、或いは波等の外力によって生じたリアクター底部の変形は自然に回復され、底部はほぼ平坦となる。即ち、リアクター（１）内の培養液は、当初の設計どおり水深を維持でき、受光表面積の広がりの維持と、均一な太陽光の照射が可能となる。リアクター（１）内の培養液（３）の水深は好ましくは０．１ｍ〜５ｍ程度、特に好ましくは０．２ｍ〜１ｍ程度である。
次に、水素ガス産生のための光合成用リアクターの発明について具体例に説明するが、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。なお、以下の具体例において、培養液の注排水口、水素ガス等のガス取出・供給口、及び培養液収納バッグを差し入れするための開閉自在な開口部については、その記載を一部省略する。
【実施例２】
【００１０】
培養液収納バッグを水素バリアー性バッグ、および、被覆バッグで覆った三重袋構造の水素ガス産生のための光合成用リアクター；
１．ポリプロピレンからなる培養液収納バッグ；
幅約２ｍ、長さ１５０ｍ、厚さ０．２ｍｍのポリプロピレンフィルムを１５枚、それぞれ長手方向に互いに熱融着して幅３０ｍ、長さ１５０ｍの一枚の大きな「フィルムとなし、これを２枚用意して、重ね合わせて、その４辺を熱融着して幅３０ｍ、長さ１５０ｍの袋状の培養液収納バッグとする。培養液の注排水口、水素ガス等のガス取出・供給口は適宜取り付けておく。
２．ベセーラＥＴ−Ｒからなる水素ガスバリアー性バッグ；
上記１と同様にして、幅３２ｍ、長さ１６２ｍのベセーラＥＴ−Ｒからなる袋状物を準備する。ただし、幅３２ｍを有する両端部は熱融着することなく開口部とし面ファスナーを取り付ける。
３．ポリエステルからなる被覆バッグ；
上記２と同様にして、幅３３ｍ、長さ１６４ｍのポリエステルからなる袋状物を準備する。ただし、幅３３ｍを有する両端部は熱融着することなく開口部とし面ファスナーを取り付ける。
４．３層構造の水素ガス産生のための光合成用リアクター；
上記で得られた被覆バッグの開口部から水素ガスバリアー性バッグを装填してバリアー性バッグと被覆バッグからなる二重袋となし、この二重袋の一方の開口部から１で得られた培養液収納バッグを引き入れ、反対側の開口部から引っ張って、これを収納し、三重袋構造の扁平幅広リアクターとし、最後に該開口部を閉口する。
このようにして得られた水素ガス産生のための光合成用リアクターは、その後、海面にこれを浮かべて内側の袋状収納バッグ内に水素生産光合成微生物を含む培養液を注入し、開口部を閉じたのち、ガス取出・供給口より初期気相を充填する。
この後、必要に応じて、中層のバリアー性バッグと内層の培養液収容バッグの間隙に適当量の、具体的には水面と喫水がほぼ同レベルになるように水を充填し、更に外層の被覆バッグと中層の水素ガスバリアー性バッグの間隙にも適当量の、具体的には水面と喫水がほぼ同レベルになるように水を充填する。
［参考例４］
三重袋構造の水素ガス産生のための光合成用リアクターにおける培養液収納バッグの交換法；
太陽光等により培養液収納バッグが劣化した場合、あるいは収納バッグ表面に藻類等が付着して太陽光を遮蔽して生産効率が低下した場合には、内層の培養液収納バッグを交換したり、清掃をする必要が生じる。このような場合、まず、産生した水素ガスを回収した後、培養液収納バッグ内の培養液を排出する。そして、水素ガスバリアー性バッグ及び被覆バッグの端部を開口し、該開口部から古くなった、あるいは清掃、殺菌処理を要する培養液収納バッグを取り出し、清掃、殺菌処理を施した、あるいは新品の培養液収納バッグと交換すればよい。
中側の水素ガスバリアー性バッグは、内部の培養液収納バッグより一般に高価であるが、海水に浸かることがないので藻の発生等による汚染の恐れはなく、また、水素ガスバリアー性も急激に衰えるものでもないので、幾度かに亘って繰り返して使用することが可能である。外層の被覆バッグも、同様に特に海面上部に位置する部分は藻の発生等による汚染の恐れはなく、繰り返して使用することが可能である。
［試験例１］水素ガスバリアー性積層フィルムを用いた試験；
水素ガスバリアー性積層フィルムとしてベセーラ（登録商標）を用いてガスバリアー性の試験を行なった。
ベセーラ（登録商標）ＥＴ−１３０Ｒを用いて幅１０ｃｍ、長さ１５ｃｍの袋を作成し、その中に遺伝子改変により水素生産性の改良されたシアノバクテリアを含む培養液を入れて、ベセーラの開口部をヒートシールした。初期気相はＣＯ２を含むアルゴンガスとした。蛍光灯を用いてこれを光照射し、４．８日後、蓄積された水素ガスを水中置換法によって回収し、水素濃度と体積を測定した。蓄積した水素ガス濃度は２０〜３２％であった（ｎ＝５）。
次に、モデル実験として、容器中に水素を含む気体を収納し、その水素ガス濃度の経時変化を観察する実験を行なった。時間経過とリアクター内の水素ガス濃度の変化の関係は、図３に示すとおりであり、時間が経過しても、水素ガス濃度低下は、きわめて僅かであり、水素バリアー性が充分であることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００１１】
本発明の光合成微生物の培養方法によれば、海面等の水面上に浮遊させた透明かつ柔軟性材料からなる袋状の光合成用リアクターを用い、かつ、水面を形成するリアクター外の水媒体よりも比重の小さい培養液を用いるだけで、培養液はほぼ均一な深さで広がることにより太陽光の受光面積を広げることが可能となるので、全体としての光合成の生産性が高くなり、格別のコストもかからない。したがって、太陽光をエネルギー源として低コストかつ簡便に、クロレラ等の藻体や水素ガス等の化石燃料代替エネルギーを産物として海面上で大規模生産することが可能となる。
また、本発明の水素ガス産生のための光合成用リアクター本体は、透明なプラスチック材料からなる内層の培養液収納バッグと、該培養液収納バッグを覆う透明なプラスチック材料からなる中層の水素ガスバリアー性バッグと、これらを覆う透明なプラスチック材料からなる外層の被覆バッグの三重構造としてあるので、最も汚れやすい培養液収納バッグだけを何度も交換することができるので経済的であり、結果的にコスト低減と水素ガス生産の効率化を計れるものである。本発明のリアクターによる光生物学的水素生産は、再生可能なエネルギー源の創設および新規産業の創出につながり、地球環境への負荷軽減など極めて大きな波及効果が期待される。また、本計画は広い排他的経済水域を有するわが国の国情に合ったものであるといえる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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