(57)【要約】  太陽光に依存せず光合成反応に必要な光を培養液中に均一に分散照射でき、撹拌で培養中の水中生物体に損傷を与えず、容器壁への水中生物付着防止の上、水中生物の培養を行え、光源の寿命を長期化可能にした光合成用撹拌機を提供する。二酸化炭素ガス供給管１を兼用し、回転軸を構成する中空軸２に放射状かつそれぞれ等間隔で高さを変えて複数の円筒状又は円錐状の透明撹拌翼１９を取り付け、その取り付け部近傍に青、赤及び遠赤の３種の異なった光質を有する発光ダイオード２１をそれぞれ１個以上付設し、中空軸の下方に栄養塩液又は栄養塩液と二酸化炭素中和用アルカリ液の両方を含む供給液供給用の供給パイプを配置するとともに、中空軸の上部外側面に二酸化炭素ガス及び前記供給液の供給により発生する上向きのストラス力に対抗するための緩衝機構を固定し中空軸に対して摺動可能な発光ダイオードへの電力供給機構を環設した撹拌機である。
2010100795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素ガス供給管を兼用し、回転軸を構成する中空軸に複数の円筒状又は円錐状の透明撹拌翼を放射状かつそれぞれ等間隔で高さを変えて取り付け、その取り付け部近傍に、青、赤及び遠赤の３種の異なった光質を有する発光ダイオードをそれぞれ1個以上付設し、中空軸の下方に栄養塩液又は栄養塩液と二酸化炭素中和用アルカリ液の両方を含む供給液供給用の供給パイプを配置するとともに、中空軸の上部外側面に二酸化炭素ガス及び前記供給液の供給により発生する上向きのストラス力に対抗するための緩衝機構を固定し、さらに中空軸に対して摺動可能に発光ダイオードへの電力供給機構を環設したことを特徴とする光合成用撹拌機。
【請求項２】
発光ダイオードへの電力供給機構が、中空軸に接触して環設された導電体からなる陰極と、絶縁体を介して陰極と対向して設けられた陽極電源から構成されている請求項１記載の光合成用撹拌機。
【請求項３】
撹拌翼が中空体で形成された請求項１記載の光合成用撹拌機。
【請求項４】
撹拌翼が１０°〜１８０°の範囲の同じ角度で方向を変えて中空軸に取り付けられた請求項１記載の光合成用撹拌機。
【請求項５】
二酸化炭素ガス、前記供給液の供給停止時に中空軸中空部に液体が侵入するのを防止するための逆止弁機構を中空軸下方に付設した請求項１記載の光合成用撹拌機。
【請求項６】
請求項１記載の光合成用撹拌機を内部に配置した培養容器からなる光バイオリアクター。
【請求項７】
撹拌翼表面又は培養容器内壁面或いはその両方に、水中生物付着防止のための光触媒を被着させた請求項６記載の光バイオリアクター。
【請求項８】
撹拌翼表面に水中生物付着防止のための光触媒を被着させた請求項１記載の光合成用撹拌機を、培養液中に配置し、培養液を撹拌しながら行うことを特徴とする水中生物培養方法。
【請求項９】
光合成用撹拌機の中空軸上端部から冷却気体を導入し、発光ダイオードを冷却しながら行う請求項８記載の培養方法。
【請求項１０】
水中生物が藻類である請求項８記載の培養方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、藻類のような水中生物の光合成能力を利用して、有用物質を効率よく製造するための光合成用撹拌機、それを用いた光バイオリアクター及び水中生物の培養方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
藻類のような水中生物の光合成能力を活用して、太陽光のもとで深さ３０ｃｍ程度の浅い池でクロレラやスピルリナを大量に生産させる方法が行われているが、このような方法では、夜間太陽光の供給がない間は、昼間に藻類に蓄積された光合成生成物質が消費されるため増殖の効率が低く、藻類の乾物生産効率が低くなるのを免れない。【０００３】
このような方法の欠点を改良するために、太陽光に依存しない光バイオリアクターが開発され、これまでに、培養槽内に回転可能な撹拌部材を設け、この撹拌部材に光放出部を取り付け、光放出部へ光を供給する光源を培養槽外に配置した撹拌型培養装置（特許文献１参照）、光合成能力をもつ生物及び培養液を収容した培養槽内に光及び二酸化炭素を供給する装置において、光を培養槽内の中心部に設けた平板状の透明材料で構成した可動式発光体で供給する光合成生物の培養装置（特許文献２参照）、外部光源から光の供給を受けるための光伝送路に接続された、それぞれ独立した複数の平板状発光体からなる照射装置を培養槽内に有する光合成培養装置（特許文献３参照）、培養用容器と二酸化炭素供給手段と光照射手段から構成され、上記培養用容器が、二酸化炭素の供給によって生じる気泡の上昇に伴い培養液の上昇流を生じさせる第一区域と、培養液に下降流を生じさせる第二区域を有し、第二区域で光照射する光合成生物の培養装置（特許文献４参照）、光合成生物を含む培養液を表面に沿って液膜状に流下させる液膜形成板と、その上端に光合成生物を含む培養液を供給する培養液供給手段と、液膜形成板上の液膜に光を照射する光源を備え、かつ液膜形成板の周囲に光反射面を、液膜形成板と光反射面との間に、光ファイバの出射端を設けた光合成生物の培養装置（特許文献５参照）、光合成生物及び培養液を収容した培養槽内の中心に撹拌翼が配置され、この撹拌翼の回転範囲と培養槽の内壁との間に、複数の板状発光体を配置した光合成培養装置（特許文献６参照）、内部に回転軸と、この回転軸に固定された電界放射型ランプを備えた培養槽からなり、回転軸を回転制御してランプを回転軸の周囲に回転させて培養液を撹拌する撹拌体として作用させつつランプの発光強度と点灯とを制御して培養液に所要強度の光を照射し、かつランプの点滅タイミングを制御して光合成生物の明暗二つの反応を制御可能とする光バイオリアクター（特許文献７参照）などが提案されている。【０００４】
また、光源として発光ダイオードを用いることも行われており、例えば、内面に向け光反射性を有する水槽と、その内部に一端が培養液面上方に位置するように配置された多数の発光ダイオードと撹拌手段を備えた微細藻類の培養装置が知られている（特許文献８参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平３−５８７８０号公報（特許請求の範囲その他）
【特許文献２】特開平４−８４８８３号公報（特許請求の範囲その他）
【特許文献３】特開平７−１６３３３１号公報（特許請求の範囲その他）
【特許文献４】特開平７−１８４６３０号公報（特許請求の範囲その他）
【特許文献５】特開平７−２２７２６９号公報（特許請求の範囲その他）
【特許文献６】特開平７−２８９２３６号公報（特許請求の範囲その他）
【特許文献７】特開２００８−２８３９３７号公報（特許請求の範囲その他）
【特許文献８】特開平１０−９８９６４号公報（特許請求の範囲その他）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、太陽光に依存することなく、光合成反応に必要な光を培養液中に均一に分散照射することができ、しかも撹拌により培養中の水中生物体に損傷を与えることなく、また容器壁に水中生物が付着するのを防止しながら、効率よく水中生物の培養を行うことができる上に、光源の寿命を長期化することを可能にした光合成用撹拌機、それを用いた光バイオリアクター及び水中生物の培養方法を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、工業的な実施に適した、効率のよい光合成用撹拌機を開発するために種々研究を重ねた結果、光源として４３０ｎｍ、６８０ｎｍ及び７００ｎｍの波長の光を発生する発光ダイオードを用い、かつ撹拌翼を透明材料による円筒状又は円錐状に形成した撹拌翼の軸部に光源、陰極、二酸化炭素供給管を、及び軸部の下部に栄養塩液などの供給管を配置することにより、その目的を達成し得ることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。【０００８】
すなわち、本発明は二酸化炭素ガス供給管を兼用し、回転軸を構成する中空軸に、複数の円筒状又は円錐状の透明撹拌翼を放射状かつそれぞれ等間隔で高さを変えて取り付け、その取り付け部近傍に、青、赤及び遠赤の３種の異なった光質を有する発光ダイオードをそれぞれ１個以上付設し、中空軸の下方に栄養塩液又は栄養塩液と二酸化炭素中和用アルカリ液の両方を含む供給液供給用の供給パイプを配置するとともに、中空軸の上部外側面に二酸化炭素ガス及び前記供給液の供給により発生する上向きのストラス力に対抗するための緩衝機構を固定し、さらに中空軸に対して摺動可能に発光ダイオードへの電力供給機構を環設したことを特徴とする光合成用撹拌機を提供するものである。【０００９】
前記撹拌翼は１０°〜１８０°、好ましくは１５°〜１２０°の範囲の同じ角度で方向を変えて中空軸に取り付けられるが、角度を小さくすると撹拌翼が多く取り付けられるので有利である。【００１０】
光源としては青、赤及び遠赤の発光ダイオードをそれぞれ１個ずつ使用しなくてはならないが、例えば青及び遠赤の発光ダイオードを１個ずつとし、赤の発光ダイオードを２個使用してもよい。好ましい赤／青の光源強度比（Ｒ／Ｂ比）の範囲は４〜１５であり、赤／遠赤の光源強度比（Ｒ／ＦＲ比）の範囲は１．３〜２．５である。【００１１】
また、本発明は前記の撹拌機を内部に配置した培養容器からなる光バイオリアクターを提供するものである。【００１２】
さらに、本発明は撹拌翼表面に水中生物付着防止のための光触媒を被着させた上記の光合成用撹拌機を、培養液中に配置し、培養液を撹拌しながら行うことを特徴とする水中生物の培養方法を提供するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の光バイオリアクター内部においては、３種の波長域をもつ発光ダイオードを光源とし、その光源から放射する光を円筒又は円錐状の透明撹拌翼を通して容器壁面に対して垂直な方向に放射させる。それにより、培養容器内に生育する藻類の光合成を活性化し、撹拌機の中空軸から大量に送り込まれる二酸化炭素を利用して極めて迅速に光合成し、かつ藻類を短時間に増殖させることができるので、培養容器内の藻類の乾物密度を従来のものに比べ５〜１５倍にすることができる。【００１４】
そのため、極めて低コストで藻類が生産でき、これらの藻類を乾燥することによって、畑から収穫されるトウモロコシやサトウキビより数百倍〜数千倍の単位面積当たりのデンプン、脂質やタンパク質の生産が可能になる。【００１５】
さらに、藻類の乾物密度に対してほぼ１．５倍の質量の二酸化炭素を吸収したことになるので、地球温暖化防止に極めて効果のある二酸化炭素吸収装置となり、森林のように再生利用できるまで数十年かけて二酸化炭素を吸収するのではなく数日で吸収がなされるので、場所を選ばず、常時二酸化炭素を吸収する装置として用いることが可能である。【００１６】
また、本発明によって生産される藻類の乾物は、そのまま、家畜の飼料としても有用であり、その乾物に含有する脂質を燃料油として使うことができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の撹拌機の一例を示す縦断面図。
【図２】本発明の撹拌機の緩衝機構部分の一例を示す断面図。
【図３】本発明の撹拌機底部の構造の一例を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に添付図面に従って本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の撹拌機部分の一例を示す縦断面図であり、この撹拌機部分は、培養容器の上部域と下部域に分かれて収納され、上部フランジ９及び下部フランジ１１によりパッキング１０を挟んで連結されている。
【００１９】
撹拌機の回転軸を構成する中空軸２は、二酸化炭素供給管１を兼用し、培養容器の全体を通じて上下に貫通しており、上端は二酸化炭素導入口を形成し、下端は二酸化炭素排出口になっている。中空軸下端は保持部２４を介して、支持部材１４と５０〜２００μｍの間隙を保って支持されている。支持部材１４は固定軸受１５に固定されている。固定軸受１５には供給パイプ１６が連結され、栄養塩液又は栄養塩液と二酸化炭素中和用アルカリ液の両方を含む供給液(以下供給液という)を中空軸下端部中に供給する。
【００２０】
培養容器の上部域に配置される中空軸２の上部には、電力供給機構として、中空軸に直接接して、陰極５が環設され、発光ダイオードの陰極を形成し、その上部に絶縁体４を介して、中空軸と接触しない状態で陽極３が環設され、これを通って発光ダイオードに電力が供給されるようになっている。
【００２１】
上記陰極５と上部フランジ９との間には、この撹拌機が培養液中に浸漬して使用される場合、上部の撹拌機駆動部分に光源電極から電力を供給させる電力供給機構と撹拌機の上の方向に作用する推力に対抗して下の方向に作用する力を発生させる機械ばね又は油圧手段のような緩衝機構が付設され、これにより光バイオリアクター内に一定量の光エネルギーを供給できるようになっている。
【００２２】
一方、下部の撹拌機に属する中空軸２には、取付け用シリンダー１７を介して複数の撹拌翼１９，…が取り付けられている。この複数の撹拌翼１９は、円筒体又は円錐体であって、それぞれ１０°〜１８０°の範囲内の角度で放射状に、かつ等間隔で高さを変えた位置に取り付けられている。本図においては角度を１２０°とした場合を示す。図中のＡ０°Ｂ１２０°及びＣ２４０°は、それらの撹拌翼の方向を示している。この撹拌翼１９は、透明材料で中空体として形成するのが好ましく、その取付け盤１８近傍にそれぞれ青、赤、遠赤の光質をもつ３個の発光ダイオード２１，２１´，２１″（図示せず）が付設されている。
【００２３】
水中生物の光合成において有効な光質は、４３０ｎｍ、６８０ｎｍ及び７００ｎｍに限られるので、本発明においては、青（４３０ｎｍ）、赤（６８０ｎｍ）及び遠赤（７００ｎｍ）の発光ダイオードが用いられる。これらの発光ダイオードは撹拌機断面に対して、０．２５〜１０ｍＷの光出力のものを組み合わせて、赤／青の光源強度比（Ｒ／Ｂ比）を４〜１５に調整したものが好ましい。また、赤／遠赤の光源強度比（Ｒ／ＦＲ比）は１．３〜２．５が好ましい。
【００２４】
上記の発光ダイオード２１，２１´，２１″は、陰極取付けビス１２，…により中空軸２に取り付けられ、電力供給用の陽極リード線（図示せず）が穴１３を通って接続している。中空軸２は下端において保持部２４により保持され、支持部材１４を介して固定軸受１５に受支されている。
【００２５】
この撹拌機の中空軸は、ステンレス鋼、アルミニウム、銅のような金属で作られ、また撹拌翼は透明プラスチック、ガラスのような光透過性材料で作られる。
【００２６】
次に、図２は、本発明における撹拌機の緩衝機構部分の一例を示す断面図であって、二酸化炭素供給管１を兼用している中空軸２の上部フランジ９の上方部分を示している。この部分には、陽極３と発光ダイオードの陰極５とその間を絶縁状態に維持するための絶縁体４とを備える電力供給機構が、中空軸に対して摺動可能に環設されている。そして、上記の陽極３には、取り付け具を介してリード線（図示せず）が接続され、電源から電力が発光ダイオード２１，２１´，２１″に供給される。
【００２７】
一方、上部フランジ９と上記陰極５との間には、撹拌機において垂直上方に向って発生する空間部、例えば光源の設置に伴う空間部に充填される気体による浮力や二酸化炭素の供給及び供給液の供給に起因するスラスト力に対抗するために下方に向って推力を発生させる緩衝機構が付設されている。
【００２８】
この図における緩衝機構は、スプリング６、スラストベアリング７及びこれらを支持するカラー８で構成されているが、それ以外の機械式弾発手段や油圧手段などを用いることもできる。
【００２９】
また、図３は、本発明における撹拌機底部の構造の一例をさらに詳細に示した断面図である。撹拌機の中空軸下端部２´に接合して保持部２４が設けられており、この保持部２４は気液混合部２６となる空間を有し、かつ固定軸受１５に対向し、５０〜２００μｍ程度の間隙を保って支持部材１４により支持されている。保持部２４の上部分には、二酸化炭素や前記供給液の供給停止時に中空軸内への液の浸入を防止するための逆止弁２５が付設されている。
【００３０】
一方、支持部材１４は、中空軸下端部に対向する部分が、多孔質部２３で構成され、供給液はこの多孔質部を通して中空軸２の内部の気液混合部２６内に供給される。固定軸受１５は、プレナムチャンバー２２を有しており、これに供給液供給パイプ１６が連結している。供給液は、上記多孔質部２３を通って、二酸化炭素供給管１から送られる二酸化炭素と気液混合部２６において混合される。
【００３１】
そして、二酸化炭素や供給液の供給が緊急的に停止された場合には、スプリング６の弾発力により、撹拌機底部が固定軸受１５に密着するので、中空軸内への液の侵入は防止でき、逆止弁２５の作用が加わって、二重に液の浸入防止が行われることになる。
【００３２】
本発明の光合成用撹拌機においては、光源に近接する透明回転翼部分や、これを配置した培養容器の光源から光を受ける容器壁面に水中生物、例えば藻類が付着すると光量が低下し、水中生物の増殖効率低下をもたらすので、これらの面に光酸化触媒を塗布するのが好ましい。このようにすれば、水中生物の増殖速度を高め、乾物密度を短時間で向上させ、従来の光バイオリアクターに比べ５〜１５倍の乾物密度を得ることができる。この際に用いる光触媒としては、白金担持酸化チタンが好ましいが、その他の光触媒も用いることができる。
【００３３】
また、一般に光合成においては、二酸化炭素の供給量により生産速度を律速することが知られている。そして、本発明においては、上記のように中空軸２の下方からアルカリ液を供給し、二酸化炭素を中和し、気体体積を縮小させているので、二酸化炭素を大量に供給することができ、著しく水中生物の生産効率を高めることができる。
【００３４】
一方において、反応中における光源温度の上昇を抑制し、例えば常時室温で行われれば、光源寿命を長くし得ることが知られているので、本発明においては、光源を取り付けている光源取付け基盤２０を、あらかじめ冷却した二酸化炭素により冷却し、室温を維持しながら反応させることもできる。このようにして、光源寿命を理論値の３０％未満に維持することにより、光源交換時間を５〜１０倍長くすることができる。
【００３５】
本発明において用いる二酸化炭素は、必ずしも純粋なものである必要はなく、所要の光合成反応を阻害しない範囲で、酸素、窒素その他の不活性ガスを混入したものであってもよい。また、アルカリ液としては、例えば水溶性アルカリ化合物、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウムなどの水溶液が、栄養塩液としては、通常、光合成の際に培養液の栄養塩液として用いられているもの、例えばナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、マンガン、亜鉛、鉄、コバルトのような金属の硝酸塩、塩酸塩、硫酸塩、リン酸塩などの混合物が用いられる。
【００３６】
これらの液の濃度としては特に制限はなく、通常の光合成反応の培養に際して慣用されている範囲で任意に選ぶことができる。
【００３７】
本発明の光合成用撹拌機のサイズは、使用する培養容器のサイズにより左右されるが、通常、撹拌機の中空軸としては、内径１０〜２００ｍｍ、長さ１５０〜２５００ｍｍ、壁厚２〜２５ｍｍ、直径と長さの比１：５ないし１：５０、好ましくは１：１０ないし１：２０の範囲内から選ばれる。
【００３８】
また、光合成用撹拌機の材質としては透明部分、すなわち撹拌翼１９及びその取り付け用シリンダー１７の部分は透明材料、例えばアクリル樹脂、ポリカーボネート、ＡＢＳ樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリエステルなどの透明な硬質プラスチック又はガラスを用いることが必要であるが、それ以外は通常の化学装置に慣用されている材料、例えば金属、プラスチック、木材などの中から任意に選んで用いることができる。
【００３９】
次に、培養条件、例えば温度、圧力、二酸化炭素供給速度、供給液の供給速度なども、これまで水中生物による光合成反応において用いられていた培養条件をそのまま用いることができるが、培養温度としては光源寿命を長くするために前述したように室温以下に保って行うのが望ましい。
【００４０】
本発明の光バイオリアクターで用いることができる水中生物としては、例えばクロレラ、クラミドモナス、ポツリオコッカスオオシスティスのような緑藻類や、スピルリナ、アナベナ、オシラトリア、フォルミディウム、ノストックのような藍藻類を挙げることができる。
【００４１】
次に、実施例により、本発明をさらに詳細に説明する。
【００４２】
なお、実施例において用いた光合成用撹拌機は、丸菱バイオエンジ社製、製品名「ＭＤ−５０１」を（株）筑波バイオテック研究所で改良した図１に示す試作品である。
【００４３】
また、培養液としては、１リットル中に、Ｋ２ＨＰＯ４  ０．５ｇ、ＮａＮＯ３  ０．１ｇ、Ｋ２ＳＯ４  ０．５ｇ、ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ  ０．２ｇ、ＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏ  ０．０４ｇ、ＦｅＳＯ４・７Ｈ２Ｏ  ０．００１ｇ及び微量成分（ｐＨ９）３ｍＬを含むものを用いた。ただし、微量成分の内容は以下のとおりであった。
化合物         含有割合  
Ｈ３ＢＯ３              ２．８６ｇ
ＭｎＣｌ２・４Ｈ２Ｏ    １．８１ｇ
ＺｎＳＯ４・７Ｈ２Ｏ    ０．２２ｇ
ＣｕＳＯ４・５Ｈ２Ｏ    ０．０８ｇ
Ｎａ２ＭｏＯ４          ０．０２１ｇ
純水                  １０００ｍＬ
【実施例１】
【００４４】
図１に示す光合成用撹拌機を内部に配置した５Ｌ体積のガラス容器からなる光バイオリアクターの容器内に培養液４リットルを入れ、これにスピルリナ１ｇを加え、１００％濃度二酸化炭素ガスを２０ｍＬ／分の速度で光合成用撹拌機に供給した。この撹拌機は４３０ｎｍ、６８０ｎｍ、７００ｎｍの波長をもつ発光ダイオードをそれぞれ３個ずつ配設したガラス管を先止めした円形撹拌翼を有していた。Ｒ／Ｂ比１０、有効照射電力３Ｗ、回転数毎分５回転で、２４時間培養した。【００４５】
その後、スピルリナをろ過して最初の培養液を捨て、約２倍の液濃度にした培養液４リットルに、再度ろ過したスピルリナを全量入れ、二酸化炭素ガス供給量を４０ｍＬ／分に増加して２４時間培養した結果、乾物濃度は１０±１ｇ／Ｌに達した。その後、培養液の処方を４倍にし、同様な方法でろ過したスピルリナ全量を入れ、二酸化炭素ガス供給量を８０ｍＬ／分として２４時間処理し、７５時間で１５ｇ±１ｇ／Ｌを得た。
【実施例２】
【００４６】
実施例１で用いたスピルリナ１ｇに替えてクロレラ１ｇを用いた以外は実施例１と同様にして１００％濃度二酸化炭素ガスを光合成用撹拌機に供給した。この撹拌機は４３０ｎｍ、６８０ｎｍ、７００ｎｍの波長をもつ発光ダイオードをそれぞれ３個ずつ配設したガラス管を先止めした円形撹拌翼を有していたが、その撹拌翼のガラス表面に酸化チタンに白金を担持した光触媒を接着剤と混ぜて塗布し、これをさらに光バイオリアクターのガラス製壁体の内側に塗布した。【００４７】
次いで、回転数毎分５回転で、２４時間培養し、培養液を定量ポンプで１ｍＬ／分の速度で供給パイプから連続供給し、液量４リットルのレベルで引き抜くＨＲＴ２．８時間の連続培養に切り替え、１０日間連続運転した。その後、撹拌翼ガラス面の表面及びバイオリアクター内部のガラス壁の内側の藻類の付着を調べたところ、まったく藻類の壁面の付着は認められなかった。【００４８】
その後、撹拌翼及び内壁部分に塗布した酸化チタンに白金を担持した光触媒を溶剤で洗い落とし、同様の連続培養を実施したところ、培養開始後６日ごろより、撹拌翼への藻類の付着が認められ、壁体の方も同じく藻類の付着が顕著になった。この結果から撹拌翼及び内壁部分に塗布した酸化チタンに白金を担持した光触媒の塗布は藻類の付着防止に極めて有効であることが分かった。
【実施例３】
【００４９】
５Ｌ体積のガラス容器内に培養液４リットルを入れ、これにクロレラ１ｇを加え、１００％濃度二酸化炭素ガス２０ｍＬ／分の速度で実施例１で用いた光合成用撹拌機に供給した。この撹拌機は４３０ｎｍ、６８０ｎｍ、７００ｎｍの波長をもつ発光ダイオードをそれぞれ３個ずつ配設したガラス管を先止めしたもの３個をもつ円形撹拌翼を有していたが、このガラス管の内側に光反射材料をらせん状に１／３の面積で塗布した。さらに光バイオリアクター外部に３対の発光ダイオードを固定した光源取付け基盤を２枚設置し、Ｒ／Ｂ比５になるように調整した光環境を作り出した。【００５０】
さらに撹拌翼のガラス表面に酸化チタンに白金を担持した光触媒を接着剤に混ぜて塗布し、さらに光バイオリアクターのガラス製壁体の内側に塗布した。次いで、回転数毎分５回転で、２４時間培養したのち、培養液を蒸留水で２倍に希釈した栄養塩液を定量ポンプにより１ｍＬ／分の速度で供給パイプから連続供給し、引き抜くＨＲＴ２．８日とする連続培養に切り替え、１０日間連続運転した。【００５１】
その結果、３６時間後以降の乾物濃度は１２±１ｇ／Ｌで安定した生産ができた。同様に電源をパルス波に変え、０．２秒周期、５０％デユーティ比の光環境で１０日間の生産を行ったが、乾物濃度はほとんど変わらなかった。この結果リアクター外壁からの光照射は藻類生産に有効であり、パルス波照射によっても収穫量の減少は認められなかったことから、電源の省エネルギーにつながることが明確になった。
【実施例４】
【００５２】
図２に示すような光源電源に電力を供給する電力供給機構と撹拌機の上方向に働く推力に対向する下方向力を発生させるスプリング（機械式コイルバネ）をスラストベアリングの上部に配設している実施例１で使用した光合成用撹拌機を備えた、５Ｌ体積の光バイオリアクター内に水４リットルを入れ、リアクター下部に設置した支持部材の多孔質部から１％濃度水酸化カリウム水溶液を１ｍＬ／分の速度で供給した。【００５３】
次いで撹拌機上部にラビリンスパッキングを取り付け、この上部から圧力０．０５ＭＰａ、１００％二酸化炭素ガスを４０ｍＬ／分の速度で供給しながら、回転数毎分５回転で運転し、上部に設置した機械式コイルバネの下方に向けた力を調整しながら、液のｐＨを測定したところ、下方の支持部材と撹拌機の中空軸下端部の二酸化炭素の吹き出し口との間隙は９０〜１２０μｍの間で安定化した。【００５４】
以上の結果から、撹拌機に負荷する上方推力に対向させるバネや油圧装置の有効性が確認できた。
【実施例５】
【００５５】
上記実施例４と同様にして、光バイオリアクター下部に設置した支持部材の多孔質部から１％濃度水酸化カリウム水溶液を１ｍＬ／分の速度で供給し、撹拌機上部から圧力０．０５ＭＰａ、１００％濃度の二酸化炭素ガスを４０ｍＬ／分の速度で供給しながら、回転数毎分５回転で運転し、撹拌機上部から圧力０．０５ＭＰａ、１００％二酸化炭素ガスを４０ｍＬ／分の速度で供給した。【００５６】
次いで、水酸化カリウム水溶液及び撹拌機上部から圧力０．０５ＭＰａ、１００％濃度の二酸化炭素ガスの供給を瞬時に停止した。撹拌機下部に設置した逆止弁の機能を発揮できないように施した条件の悪い仕組みの状態とし、これを複数回実施した。その結果、撹拌機下部は、対向する支持部材と接合した。その後光バイオリアクター内の水を排出し、撹拌機の中空軸への水の浸入を調べたところ、水の中空軸内への浸入はほとんど認められなかった。
【実施例６】
【００５７】
深さ１８ｃｍの２００リットル体積ドーナッツ状のクローズド太陽光型培養装置に、図２に示すような電力供給機構とスプリング（機械式コイルバネ）をスラストベアリングの上部に配設している実施例１で使用した光合成用撹拌機を一基設置し、撹拌機下部に設置した支持部材の多孔質部から１％濃度水酸化カリウム水溶液を１ｍＬ／分の速度で、撹拌機上部から圧力０．０５ＭＰａ、１００％濃度の二酸化炭素ガスを４０ｍＬ／分の速度で供給しながら、回転数毎分５回転で運転した。撹拌機下部に設置した保持部と撹拌機の中空軸下端部の間隙を１００μｍに設定し、上部に設置したスプリングの下方に向けた力を調整して５日間夜間だけ光源を点灯し、昼間は太陽エネルギー直接利用する運転をした結果、スピルリナの乾物濃度で５±１ｇ／Ｌを得た。ドーナッツ状のクローズド太陽光型培養装置の得られる乾物濃度は１．５ｇ／Ｌ程度なので、このことから夜間の人工光の供給が有効であることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の光合成用撹拌機は、迅速な光合成反応を行うことができるので、水中生物、例えば藻類を大量生産することができ、家畜の飼料や燃料油の製造に有用である。
また、この光合成により藻類の乾燥質量に対し、ほぼ１．５倍という多量の二酸化炭素を吸収することができるので、二酸化炭素吸収装置としても有用である。
【符号の説明】
【００５９】
１  二酸化炭素供給管
２  中空軸
２´  中空軸下端部
３  陽極
４  絶縁体
５  陰極
６  スプリング
７  スラストベアリング
８  カラー
９  上部フランジ
１０  パッキング
１１  下部フランジ
１２  陰極取付けビス
１３  穴
１４  支持部材
１５  固定軸受
１６  供給パイプ
１７  取付け用シリンダー
１８  取付け盤
１９  撹拌翼
２０  光源取付け基盤
２１，２１´，２１″  発光ダイオード
２２  プレナムチャンバー
２３  多孔質部
２４  保持部
２５  逆止弁
２６  気液混合部
【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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