(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光合成微生物を培養するための光合成培養装置において、
培養槽、該培養槽内に収容されている培養液、及び光を該培養液内部に供給するための該培養液に浸漬されている集光レンズを具備しない平板状光散乱体を有し、
該光合成培養装置の上部は、太陽光の受光部を形成し、
該受光部は、太陽光の直達光及び散乱光が入射可能な培養液面と、太陽光の直達光及び散乱光が入射可能な該光散乱体の光入射端面より構成されることを特徴とする光合成培養装置。
【請求項２】
前記集光レンズを具備しない平板状光散乱体は、太陽光の光入射端面に対して反対側の端部が培養槽底部に位置するように垂直に配置され、且つ同一平面上に間隔を空けて複数列配置されており、且つ二酸化炭素を含むガスを培養槽底部から気泡として吐出可能で、吐出される気泡が複数列の光散乱体間及び該光散乱体の表面上で上昇することができ、該気泡の上昇により培養液の上下方向の循環流動を生じさせ、該循環流動により培養液面の受光部付近の培養液が常時更新されることが可能な機能を有する通気配管を培養槽底部で且つ該光散乱体の近傍に設けることを特徴とする請求項１記載の光合成培養装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光合成によりＣＯ２  を生物的に固定し、大気中のＣＯ２  を低減するための、藻類などの光合成微生物の培養装置（以下、光合成培養装置）に関し、太陽光あるいは人工光を効率良く利用して、培養液中の光合成微生物に光を供給し、該光合成微生物を効率的に増殖させる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化石燃料の燃焼などによる二酸化炭素（以下、ＣＯ２  ）の排出量は日本国内で年間約１２億トンといわれ膨大である。近年、地球温暖化の原因の一つとして大気中におけるＣＯ２  の増加が問題となっており、ＣＯ２  の低減技術が要望されている。このＣＯ２  を低減する種々の技術が研究開発されているが、実用化を図るにはエネルギーの消費量を最小限に抑え、かつ大量のＣＯ２  を低減できる技術が必要である。
【０００３】
光合成により生物的にＣＯ２  を固定し低減する技術は、エネルギーとして太陽光が利用でき、しかも環境を汚染するような副産物を生じないため環境調和型の技術として期待されている。太陽光を利用する光合成微生物の培養法としては、太陽照射下の屋外で培養するオープンポンド式が太陽光を直接利用する方式としてよく知られている。しかし、この方式において大量培養する場合、光の透過距離が液面から僅かなため液深を大きく取ることができず、結果として広大な敷地面積を必要とする大きな欠点を有する。
【０００４】
一方、光合成を利用した生物的ＣＯ２  固定には太陽光あるいは人工光を高効率に利用でき、液深が大きくとれる光合成培養装置として次に示す培養技術などが知られている。例えば、特開昭５０−１５７５８１号公報のように光を透過するガラスなどの材質を外壁として用いた培養槽の外部から光供給を行う外部照射型の光合成培養装置や、特開昭５７−１０２１８１号公報、特開昭６１−１３９３８２号公報などのように外部の光源から光ファイバーなどの光伝送媒体により光を培養槽内に導いて光供給を行う内部照射型の光合成培養装置などがある。また、特開平６−１６５６６９号公報のように、培養槽の深さ方向に太陽光を直接照射する培養区域と伝送した光を照射する培養区域を設けることにより、深さ方向を考慮した光を効率的に利用した内部照射型の光合成培養装置がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の外部照射型の光合成培養装置において、その照射面積を大きくするにはガラス等の光透過性の材質でできた槽壁部などを大きくする必要があり、構造上、強度上の面から培養槽の大型化は極めて困難であるという問題を有する。また、この外部照射型の光合成培養装置では、光合成微生物の濃度が高くなると、光の到達する距離が短くなり、供給される光量が不足して光合成微生物の増殖が抑えられるという問題を有している。
【０００６】
一方、前記内部照射型の光合成培養装置において、光放射面積を大きくするには槽内部に取り付ける光散乱体の数を増やすことで可能であり、前記外部照射型のスケールアップや培養槽の光透過距離の問題を回避できる。
【０００７】
しかしながら、前記内部照射型の光合成培養装置は基本的に太陽光あるいは人工光を集光して培養槽内部へ伝送する必要がある。内部照射型の光合成培養装置において、太陽光を利用する場合、集光するための装置としては、集光レンズによるものと集光ミラーによるものがあるが、いずれも地表に到達する太陽光のうち平行光線として入射する直達光しか利用できない。大気や雲の反射によって生ずる散乱光については入射させて利用することができないという太陽光の利用効率上問題がある。
【０００８】
また、前記内部照射型の光合成培養装置に供給するための光を集光するには、直達光に対し集光器の受光面が一定の角度（例えば、垂直）を保つ必要があり、そのために太陽を追尾しなければならないという面倒がある。さらに、これら集光装置で太陽光（直達光）を１００％集光し、伝送することは現状では困難である。また人工光を利用する場合でも、基本的には、太陽光と同様に、集光して培養槽内へ伝送し、放射する必要があり、したがって、集光器、光伝送媒体、及び光放射媒体が必須となる。
【０００９】
このように前記従来の集光機能を有する内部照射型の光合成培養装置では、光利用効率が低く、集光、伝送、放射からなる光利用システムに大きなコストがかかることが問題である。
【００１０】
上記した問題点に鑑み、本発明は、光の利用効率が高く、簡便な装置で単位受光面積あたりの光合成能、つまりＣＯ２  固定能、の高い光合成培養装置を提供し、地球温暖化防止に寄与することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決するために、本発明は、光合成微生物を培養するための光合成培養装置において、培養槽、該培養槽内に収容されている培養液、及び光を該培養液内部に供給するための該培養液に浸漬されている集光レンズを具備しない平板状光散乱体を有し、該光合成培養装置の上部は、太陽光の受光部を形成し、該受光部は、太陽光の直達光及び散乱光が入射可能な培養液面と、太陽光の直達光及び散乱光が入射可能な該光散乱体の光入射端面より構成されることを特徴とする光合成培養装置である。
【００１２】
前記光合成培養装置において、光散乱体は、入射した光を光入射端面以外の表面から散乱放射できる機能を有する平板状の光散乱体とすることができる。前記光合成培養装置において、光散乱体は、光入射端面に対して反対側の端部が培養槽底部に位置するように垂直に配置され、且つ同一平面上に間隔を空けて複数列配置されていることを特徴とする。
【００１３】
前記光合成培養装置において、二酸化炭素を含むガスを培養槽底部から気泡として吐出可能で、吐出される気泡が複数列の光散乱体間及び該光散乱体の表面上で上昇することができ、該気泡の上昇により培養液の上下方向の循環流動を生じさせ、該循環流動により培養液面の受光部付近の培養液が常時更新されることが可能な機能を有し、通気配管を培養槽底部で且つ該光散乱体の近傍に設けることができる。
【００１４】
本発明の光合成培養装置に使用される光散乱体は、光の入射端面は集光レンズなどを具備しない構造であるため直達光と散乱光のどちらも入射可能である。しかも、受光部は、培養液面と、該培養液面より突出した一定の間隔を保った複数列の光散乱体の光入射端面とから構成されており、該受光部のいずれの面も直達光と散乱光のどちらも入射可能であるため、太陽光及び人工光のいずれも効率良く入射利用することができる。
【００１５】
本発明の光合成培養装置に使用される光散乱体は、入射した光を光入射端面以外の全ての表面において散乱放射することが可能であるため、光散乱体は入射した太陽光或いは人工光を培養槽内の培養液中に効率よく供給することができる。本発明の光合成培養装置は、液面からの光供給ができない槽深部に光散乱体が浸漬されているので、培養槽のどの部位においても光供給が可能であり、従来のオープンポンドなどの直接受光型の光合成培養装置に比較して単位受光面積あたりの光合成能が高い。
【００１６】
本発明の光合成培養装置においては、培養槽の底部よりＣＯ２  を含むガスを気泡として吐出し、気泡の上昇によるリフト効果で培養液の上下方向の流動を生じるように攪拌混合を行うことができるので、光供給量が最も多い培養槽上部液面付近の培養液の更新を積極的に促進することができ、したがって、光合成微生物の培養を促進し、単位受光面積あたりの光合成能、即ち、ＣＯ２  固定能を高める。
【００１７】
また平板状光散乱体の平板表面で相対する他の平板表面により仕切られたような空間となり、この空間で培養液の上下循環流動部分が形成されるので、該培養液の上下循環流動がさらに円滑となるように光散乱体の配置を工夫して前記の培養液更新効果を高めることもできる。
【００１８】
本発明の光合成培養装置は、培養槽内に一定間隔に保った各々独立した複数列の光散乱体を有し、培養液内に均一な光供給密度で光を供給することができるため、培養のスケールアップをする際においても、容易に光供給密度を一定にすることができ、光合成培養装置の大型化が可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の態様を図面に基づき説明する。図１は、本発明による光合成培養装置の全体概要の一例を示した図である。また図２は図１のＡ〜Ａ断面である。図中１は培養槽、２は培養槽１内に収容された培養液８に浸漬されている平板状光散乱体である。平板状光散乱体２は、その一方の端部に光入射端面３を有し、該光入射端面３から入った光を光入射端面３以外の平板状光散乱体２の表面全体から放射できる構造体である。
【００２０】
本発明の光合成培養装置における平板状光散乱体２には、例えば、特開平８−２６２２３２号公報に記載の光散乱体が利用できる。該公報に記載の光散乱体は、光散乱面を形成し、端面から入射された光を透明板全体から均一に散乱できる構成となったものである。
【００２１】
本発明の光合成培養装置における平板状光散乱体２は、一方の端面がそのまま光入射端面となっており、集光機能を持たせない構造であるので、直達光及び散乱光の両方を同時に入射できる機能を有する。平板状光散乱体２は縦長の形状をしており、該縦長方向が培養槽１の深さ方向になるように同一平面上に一定の間隔を持って複数列、培養槽１内に垂直に配置されており、且つ光入射端面３に対して反対側の端部が培養槽内底部に位置するように配置されている。
【００２２】
しかしながら、本発明の光合成培養装置における平板状光散乱体２の形状は縦長形状に限られるものではない。また、一端面から光を入射でき表面全体から入射光を散乱放射できる構造体であれば、前記特開平８−２６２２３２号公報に記載の光散乱体に限られるものではない。
【００２３】
４は培養液面であり、平板状光散乱体２の光入射端面３は、直接的に光を受光するために培養液面４より上部に突出するように配置される。５は太陽光あるいは人工光である。６は光合成に必要なＣＯ２  を供給するための通気用配管であり、該通気用配管６は、ＣＯ２  を含むガスを吐出するためのスパージャ１０に通じている。該スパージャ１０は、ガスの吐出に適した微細な透口を多数有し、培養槽１内の底部に、且つ各平板状光散乱体２付近に配置される。
【００２４】
培養液面４及び平板状光散乱体２の光入射端面３に太陽光又は人工光５を供給する。供給する光は直達光及び散乱光の何れでも利用可能である。平板状光散乱体２の光入射端面３から入った光は、平板状光散乱体２の表面全体から散乱放射され、培養槽１の深部に至るまで供給される。
【００２５】
通気用配管６を通してＣＯ２  を含む空気７が、図２に示すスパージャ１０によって培養槽１内の底部より上部に向けて吐出される。吐出されたＣＯ２  を含む空気７は光合成微生物にＣＯ２  を供給するとともに、ガスリフト効果により図２中の矢印で示す培養液流動パターン１１のように培養液の上下方向の循環流動を生じさせる。この循環流動は、光供給量の多い培養液面４付近の培養液８の更新を促進し、光合成微生物に対して効率的な光合成を行なわせることができる。本光合成培養装置の上部は開放されていてもよく、また必要に応じて、例えば、ガス管理、コンタミネーション防止等の目的のために光透過性の蓋を設けてもよい。
【００２６】
平板状光散乱体２は、図１及び図２に示すように、その平板表面で一部隙間を持った壁が形成されるように同一平面上に複数列配置され、各平板状光散乱体２の壁の間の培養槽１内の底部から、ＣＯ２  を含むガス７を吐出することにより、平板状光散乱体２で形成された壁の方向に、培養液８の二次元的でスムーズな上下循環流動が生じる。
【００２７】
図１中８は供給される培養液であり、培養槽１内の光合成微生物に微量栄養源などを供給する。また９は抜き出し培養液であり、この抜き出し培養液９からＣＯ２  固定産物である光合成微生物などを分離回収して有効利用することができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の光合成培養装置によれば、培養液面から培養液に太陽光あるいは人工光を直接供給できるとともに、光散乱体の光入射端部から培養槽深部にまで光供給ができるため、単位受光面積あたりの光合成能が高い。
【００２９】
また、本発明の光合成培養装置によれば、直達光と散乱光の両方が利用できるので、太陽光の利用効率が高い。特に、内部照射用の光散乱体の光入射端面も直達光、散乱光とも入射可能なので、従来の直達光のみ受光の内部照射装置に比べて太陽光利用効率が高い。
【００３０】
また、本発明の光合成培養装置によれば、太陽光あるいは人工光が直接照射される培養液面付近の受光量の大きい培養液の更新が図れるように培養液を循環流動させる機能を有するので、光合成を効率よく行わせることができる。
【００３１】
また、本発明の光合成培養装置によれば、光散乱体には集光装置、光伝送用ファイバーなどを具備しないため、従来の集光型の光合成培養装置に比較して建設費が大幅に削減できる効果を有する。
【００３２】
本発明による光合成培養装置を用いることにより、地球温暖化の原因物質の一つであるＣＯ２  を効率よく生物的に固定でき、地球環境保全に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光合成培養装置の全体概要を示す。
【図２】図１のＡ〜Ａ断面を示す。
【符号の説明】
１      培養槽
２      平板状光散乱体
３      光入射端面
４      培養液面
５      太陽光又は人工光
６      通気用配管
７      ＣＯ２  を含む空気
８      培養液
９      抜き出し培養液
１０    スパージャ
１１    培養液流動パターン
【図１】
0003565468.tif 000002
【図２】
0003565468.tif 000003