(57)【要約】【課題】人工照明により良好なスペース効率及びエネルギ効率によって、衛生的に光合成微生物を培養することができる光合成微生物培養装置を提供する。【解決手段】光合成微生物を含んだ培養液を収容すると共に、光が進入する光進入領域が形成された培養槽と、平行光を発する１又は複数の平行光源と、当該平行光源から発せられた光を単一の平行光として所定方向に反射させる反射機構と、当該反射機構により反射された単一の平行光を予め定められた方向に周期的に進行させて上記光進入領域に照射させる制御部と、を備える光合成微生物培養装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光合成微生物を含んだ培養液を収容すると共に、光が進入する光進入領域が形成された培養槽と、
平行光を発する１又は複数の平行光源と、
当該平行光源から発せられた平行光を単一の平行光として所定方向に反射させる反射機構と、
当該反射機構により反射された単一の平行光を予め定められた方向に周期的に進行させて上記光進入領域に照射させる制御部と、を備える光合成微生物培養装置。
【請求項２】
上記平行光源が、レーザーダイオードを含むものである請求項１に記載の光合成微生物培養装置。
【請求項３】
上記制御部は、
上記光合成微生物の光合成明反応に要する時間に対応する周波数で上記培養液を上記単一の平行光によって間欠的に照射するように、上記平行光源を制御するものである請求項１又は２に記載の光合成微生物培養装置。
【請求項４】
上記制御部は、
上記単一の平行光が上記光合成微生物の光合成明反応に要する時間に対応する周期で反射するように、上記反射機構を制御するものである請求項１から３のいずれかに記載の光合成微生物培養装置。
【請求項５】
上記制御部は、
上記単一の平行光が上記光進入領域の内側から外側へ移動した後に再び内側へ移動する反射経路を含むように上記反射機構を制御し、且つ上記単一の平行光が上記光進入領域の内側から外側に移動した際に当該単一の平行光の照射を停止すると共に、当該単一の平行光が照射されていると仮定した場合に、光軸が上記光進入領域の外側から内側に移動した際に上記単一の平行光を再照射するように上記平行光源を制御するものである請求項１から４のいずれかに記載の光合成微生物培養装置。
【請求項６】
上記反射機構は、
反射角度が可変であり、上記単一の平行光を反射可能に設けられたミラーと、
上記ミラーの反射角度を変化させる駆動部とを有するものである請求項１から５のいずれかに記載の光合成微生物培養装置。
【請求項７】
上記培養槽は、
上記光進入領域を上部に有しており、底部輪郭が、上記光進入領域の輪郭線に沿って上記光進入領域に入射する上記単一の平行光の進行方向を基準に設定されるものである請求項１から６のいずれかに記載の光合成微生物培養装置。
【請求項８】
光合成微生物を含んだ培養液を収容すると共に、光が進入する光進入領域が形成された培養槽を照明する照明装置であって、
平行光を発する１又は複数の平行光源と、
当該平行光源から発せられた光を単一の平行光として所定方向に反射させる反射機構と、
当該反射機構により反射された単一の平行光を予め定められた方向に周期的に進行させて上記光進入領域に照射させる制御部と、を備える照明装置。
【請求項９】
光合成微生物を含んだ培養液を収容すると共に、光が進入する光進入領域が形成された培養槽を使用して光合成微生物を培養する方法であって、
１又は複数の平行光源から平行光を発する工程と、
平行光源から発せられた光を反射方向を可変制御可能な反射機構により単一の平行光として所定方向に反射させる工程と、
上記反射機構により反射される単一の平行光を予め定められた方向に周期的に進行させるように上記反射機構を制御する工程と、を備える光合成微生物培養方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工光源を使用して微細藻類などの光合成微生物を培養する光合成微生物培養装置などに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、クロレラやスピルリナなどの微細藻類を人工的に培養することが行われている。これらの微細藻類の培養においては、例えば人工池を屋外に造設し、太陽光により微細藻類を培養する方式のものが一般的である。しかし、屋外における微細藻類の培養は、太陽光を利用することによりコストダウンがはかれる一方、収穫物に異物が混入するのを防止することが困難である。したがって、衛生的観点からは、培養槽を屋内に設置することが望ましいと言える。
【０００３】
培養槽を屋内に設置する場合の光源として、光ファイバーによって培養槽に太陽光を導入したり、ＬＥＤ光源などの人工照明を利用することが行われている（特許文献１参照）。また、屋内における制限された太陽光に対して培養液の受光量を最大化するように培養槽を透明化するなどの試みが行われている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２５０７６０号公報
【特許文献２】特開２０１４−１１７２７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
屋外において光合成微生物を培養する場合には、スペース効率やエネルギ効率が問題となるケースは少ない。ところが、屋内に培養槽を設置して、光合成微生物を培養する場合には、スペース効率を向上させることが重要になる。培養槽の上方から光を照射する場合には、培養槽を縦深の形状にすることによって、スペース効率を向上させることができる。ところが、培養槽において光合成微生物が増殖し、培養液中の光合成微生物の密度が高くなると、培養液を照射する光が液面近くの微生物により遮断されてしまう。これにより、縦深の培養槽においては、底部にまで光が届かず、その容積に対して、培養可能な微生物の量は限られてしまう。これを避けるために、例えば特許文献２に示されているように、培養槽を透明化することによって、培養槽の上方からだけではなく側方からも培養液を照射できるようにすることが考えられる。
【０００６】
しかしながら、培養液を培養槽の側方から照射する場合にも、培養液中の微生物の密度が高くなると、培養槽の側壁から入射する光が微生物により遮断されてしまい、培養槽の中央部まで光が差し込みにくくなる。したがって、培養槽の上方から培養液を照射する場合と同様の問題が生じる。さらに、培養槽の側方から培養液を照明する場合には、培養槽の周りを囲むように複数の光源を設置する必要がある。そのように複数の光源を設置する場合には、培養槽の周囲の全方向において光源を設置するスペースを確保する必要が生じる。したがって、スペース効率の向上は妨げられる。
【０００７】
また、培養槽の底部や中央部にまで光を届かせるために、光源の発光量を大きくして、培養液の照射光量（光量子束密度）を大きくすることも考えられる。しかし、例えば拡散光であれば、培養液の内部を光が進行するときの減衰率が大きいことから、培養槽の底部にまで光が届くように発光量の大きい光源を使用すると、消費エネルギ量（例えば電力）が増大する。
【０００８】
さらに、光合成は、照射光量が一定量に達した後は、それ以上照射光量が増大しても反応速度は増大しなくなる。したがって、培養槽の底部にまで十分な光量の光を届かせるために光源の発光量を大きくした場合には、培養液の液面近傍においては照射光量が大きくなりすぎて、光合成微生物を培養するためのエネルギ効率が全体として低下することも考えられる。なお、ここでいうエネルギ効率とは、単位量の消費エネルギ量により培養可能な光合成微生物の量（例えば乾燥重量）と定義することができる。また、培養液の液面近傍において、照射光量が大きくなりすぎると、光阻害（photoinhibition）により光合成活性が低下し、光合成微生物の育成が阻害されることも考えられる。以上により、発光量が大きい光源を使用するだけでは、光合成微生物を培養するスペース効率及びエネルギ効率を効果的に増大させることは困難である。
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、人工照明により良好なスペース効率及びエネルギ効率によって、衛生的に光合成微生物を培養することができる光合成微生物培養装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
(1)  本発明に係る光合成微生物培養装置は、光合成微生物を含んだ培養液を収容すると共に、光が進入する光進入領域が形成された培養槽と、平行光を発する１又は複数の平行光源と、当該平行光源から発せられた平行光を単一の平行光として所定方向に反射させる反射機構と、当該反射機構により反射された単一の平行光を予め定められた方向に周期的に進行させて上記光進入領域に照射させる制御部と、を備える。
【００１１】
上記構成によれば、１又は複数の平行光源から発せられた平行光が、単一の平行光として所定方向に反射され、予め定められた方向に周期的に進行されて、培養槽の光進入領域に照射される。これにより、光進入領域を単一の平行光によって隈無く照射することができる。また、平行光により培養液を照射することから、拡散光源から発せられた拡散光を照射する場合と比較すると、光が培養液中を進行する間に光量子束密度が減衰する減衰率を顕著に抑えることができる。これにより、培養液の単位体積あたりの光合成微生物量（以下、微生物密度と称する）が上昇した場合にも、光進入領域から離れた領域にまで、光合成微生物に十分に光合成を行わせることが可能な光量子束密度を有する光を届かせることができる。したがって、培養槽の光進入領域からの奥行き（例えば液面からの深さ）を比較的に大きくしても、光合成微生物に有効に光合成を行わせることが可能となり、光合成微生物を培養する場合のスペース効率を向上させることができる。また、光量子束密度の減衰が抑えられることから、光合成微生物を培養するためのエネルギ効率を向上させることができる。なお、本発明は、単一の平行光により１つの培養槽を照射する場合に限られず、単一の平行光により複数の培養槽を照射する場合を包含する。
【００１２】
(2)  好ましくは、該光合成微生物培養装置においては、上記平行光源が、レーザーダイオードを含むものである。
【００１３】
上記構成によれば、平行光源がレーザーダイオードを含むことから、高い直進性を有する平行光を光進入領域に照射させることができる。また、いわゆる半導体レーザー装置を使用することから高いエネルギ変換効率を望むことができる。以上によって、光合成微生物を培養するためのエネルギ効率を向上させることが容易になる。
【００１４】
(3)  好ましくは、該光合成微生物培養装置においては、上記制御部は、上記光合成微生物の光合成明反応に要する時間に対応する周波数で上記培養液を上記単一の平行光によって間欠的に照射させるように、上記平行光源を制御するものである。
【００１５】
上記構成によれば、光合成微生物が行う光合成において、光を必要としない期間には光合成微生物に光を当てず、光を必要とする期間にだけ光合成微生物に光を当てることができる。これにより、単位光量当たりの光合成速度を増大させることができる。したがって、光合成微生物を培養するためのエネルギ効率を向上させることが容易になる。
【００１６】
(4)  好ましくは、該光合成微生物培養装置においては、上記制御部は、上記単一の平行光が上記光合成微生物の光合成明反応に要する時間に対応する周期で反射するように、上記反射機構を制御するものである。
【００１７】
上記構成によれば、光合成微生物が行う光合成において、光を必要としない期間には光合成微生物に光を当てず、光を必要とする期間にだけ光合成微生物に光を当てることができる。これにより、単位光量当たりの光合成速度を増大させることができる。したがって、光合成微生物を培養するためのエネルギ効率を向上させることが容易になる。
【００１８】
(5)  好ましくは、該光合成微生物培養装置においては、上記制御部は、上記単一の平行光が上記光進入領域の内側から外側へ移動した後に再び内側へ移動する反射経路を含むように上記反射機構を制御し、且つ上記単一の平行光が上記光進入領域の内側から外側に移動した際に当該単一の平行光の照射を停止すると共に、当該単一の平行光が照射されていると仮定した場合に、光軸が上記光進入領域の外側から内側に移動した際に上記単一の平行光を再照射するように上記平行光源を制御するものである。
【００１９】
上記構成によれば、平行光の反射経路は、光進入領域の端部を内側から外側に通り過ぎた後に反転される。反射経路が反転するとき、反転ポイントの近傍における反射光の照射量は相対的に大きくなる。したがって、平行光の反射経路を光進入領域の端部において反転させると、その近傍において反射光の照射量が大きくなる。一方、上記構成によれば、反射経路の反転ポイントが光進入領域の外側にあることによって、光進入領域の端部近傍において反射光の照射量が大きくなるのを防止することができる。したがって、光進入領域を平行光により照射する照射量を均一化することが容易になる。また、上記構成によれば、光進入領域の外側において、平行光源が平行光を発していない状態が維持される。したがって、平行光源が無用に平行光を発することが防止され、光合成微生物を培養するためのエネルギ効率を向上させることができる。
【００２０】
(6)  好ましくは、該光合成微生物培養装置においては、上記反射機構は、反射角度が可変であり、上記単一の平行光を反射可能に設けられたミラーと、上記ミラーの反射角度を変化させる駆動部とを有するものである。
【００２１】
上記構成によれば、光源そのものを回動させるのではなく、軽量のミラーを回動させることによって、光進入領域を隈無く照射することができる。このため、平行光を精密且つ所望の短い周期により光進入領域に隈無く照射させることができる。
【００２２】
(7)  好ましくは、該光合成微生物培養装置においては、上記培養槽は、上記光進入領域を上部に有しており、底部輪郭が、上記光進入領域の輪郭線に沿って上記光進入領域に入射する上記単一の平行光の進行方向を基準に設定されるものである。
【００２３】
上記構成によれば、培養槽に収容された培養液を隈無く平行光により照射することが容易になる。よって、培養液を無駄なく光合成微生物の培養に利用することができる。例えば、培養槽の液面を上方から照射する場合には、上記構成によれば、培養槽の形状は円錐を頂点から一定の距離の位置において底面と平行に切断し、頂点を含む切断片を円錐から取り除いた形状になる。そのような形状の培養槽は、同じ深さの直方体形状の培養槽と比較すると、底部の幅（径）が同じであれば、容積は顕著に小さくなる。したがって、上記構成によれば、より少量の培養液により同じ量の光合成微生物を培養することができる。
【００２４】
(8)  本発明に係る照明装置は、光合成微生物を含んだ培養液を収容すると共に、光が進入する光進入領域が形成された培養槽を照明する照明装置であって、平行光を照射する１又は複数の平行光源と、当該平行光源から発せられた光を単一の平行光として所定方向に反射させる反射機構と、当該反射機構により反射された単一の平行光を予め定められた方向に周期的に進行させて上記光進入領域に照射させる制御部と、を備える。
【００２５】
上記構成によれば、１又は複数の平行光源から発せられた平行光が、反射機構によって、単一の平行光として所定方向に反射され、予め定められた方向に周期的に進行されて、培養槽の光進入領域が照射される。これによって、培養槽の光進入領域を単一の平行光により隈無く照射することができる。平行光により培養液を照射することから、同じ消費エネルギ量により拡散光源から発せられた拡散光を照射する場合と比較すると、光が培養液中を進行する間に光量子束密度が減衰する減衰率を顕著に抑えることができる。したがって、例えば培養槽を縦深の形状にすることができるので、スペース効率を向上させることができる。また、光量子束密度の減衰が抑えられることから、光合成微生物を培養するためのエネルギ効率を向上させることができる。
【００２６】
(9)  本発明に係る光合成微生物培養方法は、光合成微生物を含んだ培養液を収容すると共に、光が進入する光進入領域が形成された培養槽を使用して光合成微生物を培養する方法であって、１又は複数の平行光源から平行光を発する工程と、平行光源から発せられた光を反射方向を可変制御可能な反射機構により単一の平行光として所定方向に反射させる工程と、上記反射機構により反射される単一の平行光を予め定められた方向に周期的に進行させて、るように上記反射機構を制御する工程と、を備える。
【００２７】
上記構成によれば、１又は複数の平行光源から発せられた平行光が、反射機構によって、単一の平行光として所定方向に反射され、予め定められた方向に周期的に進行されて、培養槽の光進入領域が照射される。これによって、培養槽の光進入領域を単一の平行光により隈無く照射することができる。平行光により培養液を照射することから、同じ消費エネルギ量により拡散光源から発せられた拡散光を照射する場合と比較すると、光が培養液中を進行する間に光量子束密度が減衰する減衰率を顕著に抑えることができる。したがって、例えば培養槽を縦深の形状にすることができるので、スペース効率を向上させることができる。また、光量子束密度の減衰が抑えられることから、光合成微生物を培養するエネルギ効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、人工照明により良好なスペース効率及びエネルギ効率によって、衛生的に光合成微生物を培養することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る光合成微生物培養装置１０の全体構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】図２は、光源装置３１及び反射機構３２を含む照明装置１２の外観を示す正面図である。
【図３】図３は、照明装置１２の構造を模式的に示す斜視図である。
【図４】図４は、照明装置１２の制御系統の概略構成を示す機能ブロック図である。
【図５】図５は、制御装置１３の概略構成を示す機能ブロック図である。
【図６】図６は、制御装置１３が実行する照明処理のフローチャートである。
【図７】図７は、反射経路２３の一例を模式的に示す光進入領域２２の平面図である。
【図８】図８は、反射経路２３の他の一例を模式的に示す光進入領域２２の平面図である。
【図９】図９は、反射経路２３の一部を拡大して模式的に示す光進入領域２２の平面図である。
【図１０】図１０は、光進入領域２２を照射する平行光２１の光量子束密度を図７のＶＩ−ＶＩ線に沿って測定した測定結果を示すグラフである。
【図１１】図１１は、上記実施形態の変形例に係る光合成微生物培養装置１０Ａの全体構成を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、適宜図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、以下に説明される実施形態は本発明の一例にすぎず、本発明の要旨を変更しない範囲で、本発明の実施形態を適宜変更できることは言うまでもない。
【００３１】
［光合成微生物培養装置１０の全体構造］
【００３２】
図１に示されるように、光合成微生物培養装置１０は、培養液２０を収容する培養槽１１と、培養液２０に平行光２１を照射する照明装置１２と、照明装置１２を制御する制御装置１３と、照明装置１２に電力を供給する電源装置１４と、を含んでいる。制御装置１３は、照明装置１２と一体的に構成されていてもよく、照明装置１２と別体に構成されていてもよい。電源装置１４も同様に、照明装置１２と一体的に構成されていてもよく、照明装置１２と別体に構成されていてもよい。培養液２０は、液体培地と、図示しない光合成微生物とを含んでいる。また、光合成微生物培養装置１０には、培養槽１１に収容される培養液２０に二酸化炭素及び酸素などのガスを供給するガス供給手段（図示されていないガスポンプ、ブロアなど）や、培養液２０の温度を光合成微生物の育成に適切な温度に維持する温度維持手段（図示されていないヒータ、冷却ファンなど）を含ませることができる。また、光合成微生物培養装置１０には、培養液２０を攪拌するための図示しない攪拌装置を含ませることができる。
【００３３】
［培養槽１１］
【００３４】
培養槽１１の形状は特に限定されない。図１においては、上部が開口した一般的な直方体の容器である培養槽１１を示している。照明装置１２は、例えば培養槽１１に収容された培養液２０の液面の上方に配置することができる。この場合には、図１に示されているように、培養液２０の液面に、光進入領域２２を設定することができる。光進入領域２２は、培養液２０を照射する単一の平行光２１を培養槽１１の内部に進入させる領域である。
【００３５】
培養槽１１の材質は特に限定されず、培養槽１１は、アクリル樹脂やガラスなどの透明な素材、又は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）やステンレス鋼などの不透明な素材から形成することができる。培養槽１１を透明な素材から形成した場合には、照明装置１２は、培養槽１１の側方に配置することもできる。この場合には、光進入領域２２は培養槽１１の側壁に設定することができる。なお、平行光２１は光進入領域２２から培養液２０の内部に侵入するときに、培養液２０の液面において屈折している。
【００３６】
培養槽１１には、培養液２０が収容される。培養液２０は、液体培地と、光合成微生物とを含んでいる。培養液２０は、例えば液体培地を加熱滅菌処理し、冷却した後、微細藻類などの光合成微生物を含む液体を液体培地に混合することにより生成される。なお、液体培地には、光合成微生物の育成を促進するために、適量の窒素、カリウム、リン、カルシウム、マグネシウム、マンガン、鉄分などを含ませることができる。培養液２０に含ませる光合成微生物は、特に限定されないが、クロレラ（クロレラ属）、スピルリナ（アルスロスピラ（オルソスピラ）属）、ユーグレナ属（ミドリムシ）、クラミドモナス属、セネデスムス属及びアンキストロデスムス属などの微細藻類を一例として挙げることができる。
【００３７】
［光進入領域２２］
【００３８】
培養液２０の液面に光進入領域２２を設定する場合には、光進入領域２２の輪郭線は、培養液２０の液面の輪郭線と一致させることもできるし、培養液２０の液面の輪郭線より内側に設定することもできる。例えば培養槽１１の側壁が透明であるような場合には、平行光２１の光軸の傾きを考慮して、平行光２１が培養槽１１の側壁を透過して外部に漏出しないように、光進入領域２２の輪郭線を培養液２０の液面の輪郭線より内側に設定することもできる。
【００３９】
また、光進入領域２２は平面状であることが好ましい。しかし、光進入領域２２が培養槽１１の側壁に設定され且つ、その側壁が曲面のみから形成される場合には、光進入領域２２は曲面であってもよい。また、光進入領域２２を培養液２０の液面に設定する場合には、培養槽１１側壁の内面や、培養槽１１底部の内面を鏡面にすることも好ましい。これにより、光進入領域２２から進入した平行光２１を培養槽１１の側壁の内面や底部の内面において、培養槽１１の内部に反射させることができる。
【００４０】
［照明装置１２］
【００４１】
図２に示されているように、照明装置１２は、光源装置３１と、反射機構３２と、これらが取り付けられるベース板３０とを有している。実施形態の光源装置３１は、平行光源であるレーザーダイオード５１を複数含んでいる。また、光源装置３１には、レーザーダイオード５１の放熱のためのヒートシンク５２を設けることができる。光源装置３１は、支持具５３によりベース板３０に固定される。なお、光源装置３１はレーザーダイオード５１を１つだけ含んでいてもよい。光源装置３１は、代表的には、１個から１０個のレーザーダイオード５１を含む。
【００４２】
［光源装置３１］
【００４３】
光源装置３１は、培養液２０に含まれる光合成微生物が行う光合成に適した波長のレーザー光３３を発するレーザーダイオード５１を有している。一例として、光合成微生物がクロレラであれば、光源装置３１には、４５０ｎｍが中心波長である波長λ１（例えば、４４０ｎｍ≦λ１≦４６０ｎｍ、より好ましくは、４３０ｎｍ≦λ１≦４８０ｎｍ）のレーザー光３３を発するレーザーダイオード５１を使用することができる。あるいは、光源装置３１には、６６０ｎｍが中心波長である波長λ２（例えば、６５０ｎｍ≦λ１≦６７０ｎｍ、より好ましくは、６４５ｎｍ≦λ１≦６８５ｎｍ）のレーザー光３３を発するレーザーダイオード５１を使用することができる。さらには、光源装置３１には、中心波長が５６０〜６２０ｎｍであるレーザー光３３を発するレーザーダイオード５１を使用することができる。
【００４４】
図３に示されているように、本実施形態の照明装置１２は、波長λ１のレーザー光３３Ａ及び波長λ２のレーザー光３３Ｂを発するレーザーダイオード５１を２基ずつ設けている。そして、複数のレーザーダイオード５１により発せられたレーザー光３３を、例えば半透明な集光ミラー３４により反射させることによって、単一の平行光２１にしている。しかし、これに限られず、レーザーダイオード５１は１種類の波長に対して１基ずつ設けてもよい。例えば、波長λ１のレーザー光３３Ａ及び波長λ２のレーザー光３３Ｂを発するレーザーダイオード５１を１基ずつ設けてもよい。
【００４５】
あるいは、２種類の波長ではなく、１種類の波長（例えば波長λ２）のレーザー光３３を発するレーザーダイオード５１だけを１基又は複数設けてもよい。また、ある波長のレーザー光３３を発するレーザーダイオード５１の数を他のレーザーダイオード５１の数より多くしてもよい。例えば、レーザー光３３Ａを発するレーザーダイオード５１を２基設置するのに対して、レーザー光３３Ｂを発するレーザーダイオード５１を３基設置するなどしてもよい。
【００４６】
［反射機構３２］
【００４７】
図３に示されているように、反射機構３２は、上記単一の平行光２１を反射するミラー４１と、ミラー４１を駆動する駆動部４２とを備えている。反射機構３２の具体例としては、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を使用した反射機構が挙げられる。ＭＥＭＳの構造は公知であるため、その詳細説明は省略する。
【００４８】
［ミラー４１］
【００４９】
ミラー４１は、例えばシリコンマイクロミラーや金属製のミラーから構成することができる。ミラー４１は、平行光２１の反射光により光進入領域２２を隈無く照射するために、図示していない支持機構によって、直交する二軸（Ｘ軸、Ｙ軸）周りに回動可能に支持される。
【００５０】
［駆動部４２］
【００５１】
駆動部４２は、上記２軸周りにミラー４１を回動させる図示していないアクチュエータ及びドライバ回路を含む。ドライバ回路は、制御装置１３からの制御コマンドに基づいて、電源装置１４から供給される直流電圧１７Ａにより上記アクチュエータを駆動する。実施形態においては、駆動部４２は、ムービングコイル形のアクチュエータを有している。アクチュエータは、ミラー４１の支持機構に設けられた２つのコイルと、ミラー４１を既定状態に復元するように付勢する２つの弾性部材と、固定配置された２対の永久磁石とを有している。アクチュエータにおいては、コイルに電流を流すことによって、永久磁石による磁界との相互作用によりローレンツ力が発生し、そのローレンツ力と弾性部材の復元力とが均衡する角度までミラー４１が傾けられる。ドライバ回路は、直流電圧１７Ａ（図４参照）から、制御装置１３からの制御コマンドにより指示された１種類または２種類の周波数でオン及びオフとなるパルス電流を生成し、２つのコイルに供給する。これによって、ミラー４１は、Ｘ軸周り及びＹ軸周りの回動方向において、弾性部材の復元力によって、それぞれの周波数に対応した周期で振動するように駆動される。なお、ドライバ回路は制御装置１３に設けることもできる。
【００５２】
実施形態においては、ミラー４１のＸ軸周りの回動方向における共振周波数と、Ｙ軸周りの回動方向における共振周波数とが相違している。このため、それぞれの回動方向における共振周波数と対応するパルス電流を２つのコイルに供給することによって、光進入領域２２においてリサージュ図形を描くように平行光２１の反射光を進行させることができる（図８参照）。なお、共振周波数以外の周波数によりミラー４１を駆動することもできる。しかし、その場合には、ミラー４１を共振周波数により駆動する場合と比較すると、同じ振幅（ミラー４１の最大の傾き）の振動を得るのに数倍から数十倍の電流値の電流をコイルに流す必要がある。したがって、光合成微生物培養装置１０のランニングコストを低減するためには、後述の望ましい周期Ｔを得るのに好適な共振周波数を有する反射機構３２を使用することが好ましい。
【００５３】
上記に限定されず、駆動部４２には、ムービングマグネット形、静電形、ピエゾ形などの各種アクチュエータを使用することができる。ムービングマグネット形のアクチュエータは、ミラー４１に設けた磁石と、固定配置されたコイルとを有し、コイルへの通電によりミラー４１を回動させる。静電形のアクチュエータは、固定配置された電極と、ミラー４１に設けた反対極性の電極とを有し、電極間に電圧を印加することによって生じる静電力によってミラー４１の角度を変える。ピエゾ形のアクチュエータは、例えばミラー４１を支持するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の薄膜を有し、その薄膜に電圧をかけることによって薄膜を変形させ、ミラー４１の角度を変える。
【００５４】
［照明装置１２の制御系統］
【００５５】
図４に示されているように、制御装置１３は、照明装置１２の光源装置３１及び反射機構３２を制御するものである。電源装置１４は、商用電源１５から供給される交流電圧１５Ａを直流電圧１６Ａに変換するＡＣ／ＤＣ変換器１６と、直流電圧１６Ａを変圧し、直流電圧１７Ａ、１７Ｂ及び１７Ｃとして出力するＤＣ／ＤＣ変換器１７と、を有している。直流電圧１７Ａは反射機構３２に供給され、直流電圧１７Ｂは光源装置３１に供給され、直流電圧１７Ｃは制御部１３に供給される。直流電圧１７Ａ、直流電圧１７Ｂ及び直流電圧１７Ｃは互いに等しい電圧であってもよく、互いに異なる電圧であってもよい。
【００５６】
［制御装置１３］
【００５７】
図５に示されているように、制御装置１３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央処理装置）１３Ａ、記憶装置１３Ｂ、入力部１３Ｃ及び出力部１３Ｄを含む。そのような制御装置１３は、電子回路基板から構成することができる。記憶装置１３Ｂは、ＲＯＭ（Read Only Memory、リードオンリーメモリ）及びＲＡＭ（Random Access Memory、ランダムアクセスメモリ）を含み、ＣＰＵ１３Ａに照射処理（図６参照）を実行させる制御プログラムを記憶する。入力部１３Ｃはインターフェース１３Ｇを介して、ユーザ操作により各種情報を入力する操作部１３Ｅと接続される。出力部１３ＤはＣＰＵ１３Ａが実行する照射処理に基づく制御コマンドをインターフェース１３Ｇを介して光源装置３１及び反射機構３２に出力する。また、出力部１３Ｄは、インターフェース１３Ｇを介して、入力部１３Ｃにより入力された情報などを表示する表示部１３Ｇと接続される。
【００５８】
図６に示されるように、照射処理において、制御装置１３のＣＰＵ１３Ａは、操作部１３Ｅにおいてユーザ操作により入力された照射範囲情報を取得し、ミラー４１の駆動範囲を設定する（Ｓ１）。照射範囲情報は、光進入領域２２のＸ軸方向及びＹ軸方向におけるサイズに関する情報と、照明装置１２と光進入領域２２との垂直距離に関する情報と、照明装置１２のＸ軸方向及びＹ軸方向における位置に関する情報とを含む。ＣＰＵ１３Ａは、これらの情報に基づいて、例えばミラー４１のＸ軸周り及びＹ軸周りにおける回転角度の範囲を設定する。回転角度の範囲はそれぞれのコイルに流す電流（交流電流）の電流値（最大電流値）を調節することにより設定することができる。
【００５９】
また、照射処理において、ＣＰＵ１３Ａは、操作部１３Ｅにおいてユーザ操作により入力された照射方式情報を取得し、照射方式を設定する処理を実行する（Ｓ２）。照射方式の例としては、走査線式やリサージュ式などが挙げられる。走査線式は、テレビ画面における画像の表示と同様に、光進入領域２２を例えばＹ軸方向において複数の長方形の区分領域に細分し、平行光２１により順次に各区分領域をＸ軸方向に照射する方式である（図７参照）。リサージュ式は、リサージュ図形（Lissajous figure、図８参照）を描くように平行光２１により光進入領域２２を照射する方式である。
【００６０】
更に、照射処理において、ＣＰＵ１３Ａは、照射周期情報を取得し、周期Ｔを設定する処理（Ｓ３）、レーザパルス周波数情報を取得し、光源装置３１のレーザーダイオード５１を点滅させる周波数ｆを設定する処理（Ｓ４）、及びレーザパルスデューティー比情報を取得し、デューティー比Ｄを設定する処理（Ｓ５）を実行する。照射周期情報（周期Ｔ）、レーザパルス周波数情報（周波数ｆ）、及びレーザパルスデューティー比情報（デューティー比Ｄ）は、操作部１３Ｅにおけるユーザ操作により入力することができる。
【００６１】
［周期Ｔ］
【００６２】
例えば、光進入領域２２が長方形であり、照射方式が走査線式であれば、ＣＰＵ１３Ａは、図７に示されているような反射経路２３に沿って平行光２１の反射光を進行させる制御コマンドを反射機構３２に送信する。この場合には、平行光２１の反射光による光進入領域２２の照射スポット２４は、反射経路２３に沿って、矢印２５によって示される方向に進む。図示例の反射経路２３においては、光進入領域２２の長辺に沿ったＸ軸方向に照射スポット２４を往復移動させている。Ｘ軸方向における照射スポット２４の移動は、Ｙ軸周り（図３参照）のミラー４１の回転と対応する。
【００６３】
また、図７に示されているように、照射スポット２４は、光進入領域２２の短辺に沿ったＹ軸方向において、照射スポット２４がＸ軸方向に１往復する間に、照射スポット２４の径の２倍にあたる幅Ｈ１だけ移動する。Ｙ軸方向における照射スポット２４の移動は、Ｘ軸周り（図３参照）のミラー４１の回転と対応する。周期Ｔは、図７に示す照射スポット２４が、任意のポイントＰ０を通過してから再度同じポイントＰ０を通過するのに要する時間である。
【００６４】
［周波数ｆ］
【００６５】
周波数ｆは、光源装置３１においてレーザーダイオード５１を点滅させる周波数である。周波数ｆに関し、例えば２５００（Ｈｚ）の間欠光によりサラダ菜を栽培することによって、光合成速度を増大させることができることが知られている（平成１９年９月５日付けの文部科学省科学技術・学術審議会・資源調査分科会報告書「光資源を活用し、創造する科学技術の振興−持続可能な「光の世紀」に向けて−」の第２章「豊かなくらしに寄与する光」の「２−５  光合成反応とパルス照射―ＬＥＤ植物工場の課題」、参照）。
【００６６】
サラダ菜と同様の光化学系と、クロロフィルとを有するクロレラなどの光合成微生物についても、周波数ｆは、周波数ｆを２５００（Ｈｚ）に設定した場合と同じ程度のエネルギ効率が得られる値に設定することが好ましい。一例として、周波数ｆは、２０００（Ｈｚ）≦ｆ≦３０００（Ｈｚ）であることが好ましい。このことに関連して、周期Ｔは、４００μ秒（＝（１÷２５００）（秒））と同程度の時間に設定することが好ましい。例えば、３００μ秒≦Ｔ≦５００μ秒に設定することが好ましい。このとき、周波数ｆでレーザーダイオード５１を点滅させてもよいし、させなくとてもよい。
【００６７】
［デューティー比Ｄ］
【００６８】
デューティー比Ｄは、周波数ｆの間欠光により培養液２０を照射する場合に、明期及び暗期の１サイクルにおいて明期が占める割合を表す。デューティー比Ｄに関し、周波数ｆを２５００（Ｈｚ）に設定した場合には、デューティー比Ｄを３３％に設定することによって、サラダ菜の成長率を効果的に増大できることが知られている（上記報告書の「２−５  光合成反応とパルス照射―ＬＥＤ植物工場の課題」参照）。
【００６９】
サラダ菜と同様の光化学系と、クロロフィルとを有するクロレラなどの光合成微生物についても、デューティー比Ｄは、周波数ｆを上記の好ましい範囲の値に設定した場合には、３３％程度の値に設定することが好ましい。一例として、デューティー比Ｄは、２５（％）≦Ｄ≦４１（％）であることが好ましい。これにより、消費エネルギ量を抑えることができ、エネルギ効率を向上させることができる。
【００７０】
更に、照射処理において、ＣＰＵ１３Ａは、照射軌道情報を取得し、照射軌道を設定する処理（Ｓ６）、レーザ出力情報を取得し、光源装置３１のレーザーダイオード５１の出力の大きさを設定する処理（Ｓ７）、及び、光量子束密度を平準化する処理（Ｓ８）を実行する。照射軌道情報、及び、レーザ出力情報は、操作部１３Ｅにおけるユーザ操作により入力される。
【００７１】
［照射軌道情報］
【００７２】
例えば、照射方式が走査線式であれば、照射軌道情報は、図７に示された幅Ｈ１に関する情報（照射スポット２４の径など）を含む。また、照射方式がリサージュ式であれば、照射軌道情報は、ミラー４１のＸ軸周りの回動の周波数、及びＹ軸周りの回動の周波数などに関する情報を含む。
【００７３】
［レーザ出力情報］
【００７４】
光源装置３１のレーザーダイオード５１の出力の大きさは、光合成微生物の種類、照明装置１２と光進入領域２２との垂直距離、光進入領域２２のＸ軸方向及びＹ軸方向のサイズ、及び培養槽１１の深さなどに応じて適宜設定することができる。
【００７５】
［光量子束密度平準化処理］
【００７６】
光進入領域２２を照射する平行光２１の光量子束密度を平準化するために、以下の原理によって照射スポット２４（図７参照）が反射経路２３に沿って進む速度が一定にされる。
【００７７】
ドライバ回路がパルス電流を２つのコイルに供給することによって、ミラー４１をＸ軸周り及びＹ軸周りの回動方向において振動させる場合には、それぞれの振動方向において、振動の中心におけるミラー４１の回転速度は大きくなる傾向がある。したがって、光進入領域２２の中央部において、照射スポット２４の進行速度が大きくなり、光進入領域２２の中央部における光量子束密度は小さくなる（図１０（ａ）参照）。光進入領域２２の中央部における光量子束密度を増大させるために、ドライバ回路がコイルに入力するパルス電流の立ち上がりを緩やかにすることが好ましい。これにより、光進入領域２２の中央部において平行光２１の進行速度が大きくなるのを抑制することができ、光進入領域２２の中央部において光量子束密度が小さくなるのを防止することができる。この点については、照射方式がリサージュ式（図８参照）であっても同様である。
【００７８】
さらに、光進入領域２２を照射する平行光２１の光量子束密度を平準化するためには、図９に示されているように、反射経路２３は、光進入領域２２の端部にではなく光進入領域２２の外側に、照射スポット２４が例えば走査線方式においてＸ軸方向に往復移動する際の反転ポイント２３Ａを有していることが好ましい。なお、リサージュ方式においては、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の両方において、反射経路２３は、光進入領域２２の外側に反転ポイントを有していることが好ましい。照射スポット２４の反転ポイント２３Ａを光進入領域２２の端部に設定した場合には、図１０（ａ）に示されているように、光進入領域２２の端点Ｐ１及びＰ２（図７参照）において、光量子束密度が顕著に大きくなる。これに対して、照射スポット２４の反転ポイント２３Ａを光進入領域２２の外側に設定した場合には、照射スポット２４が光進入領域２２の端部に至るまで照射スポット２４の進行速度を一定に保つことも可能であるので、平行光２１による光進入領域２２の照射量（光量子束密度）を光進入領域２２の全域に亘って平準化することが容易になる。
【００７９】
また、制御装置１３は、照射スポット２４が光進入領域２２の内側から外側に移動する際に、照射スポット２４が光進入領域２２の端点２３Ｂ（図９参照）に到達すると、レーザーダイオード５１によるレーザー光３３の発生を停止するように光源装置３１を制御することが好ましい。そして、レーザーダイオード５１がレーザー光３３を発生しているものと仮定した場合に、平行光２１の光軸が光進入領域２２の外側から内側に移動する際に、その光軸が光進入領域２２の端点２３Ｃに到達すると、レーザー光３３の発生を再開させることが好ましい。ここで、端点２３Ｂ及び２３Ｃにおいてレーザーダイオード５１をオン及びオフする処理は、ＣＰＵ１３Ａが、ミラー４１のＸ軸方向及びＹ軸方向における振動周波数及び振幅に基づいて、照射スポット２４（またはその光軸）が端点２３Ｂ及び２３Ｃに到達するタイミングを演算することにより実行される。反射経路２３が決まれば、反射経路２３上の各点を通過するタイミングはミラー４１の振動周波数及び振幅に基づいて容易に計算できるからである。これにより、レーザーダイオード５１の無用な発光が防止され、光合成微生物を培養するためのエネルギ効率を向上させることができる。
【００８０】
［光合成微生物培養装置１０の動作］
【００８１】
図１に示されているように、培養槽１１に十分な量の培養液２０が収容されている状態において、照明装置１２及び制御装置１３に電源装置１４から電力が供給され、光合成微生物培養装置１０が起動されると、光源装置３１のレーザーダイオード５１はレーザー光３３の発生を開始する。光源装置３１が複数のレーザーダイオード５１を有する場合には、それらのレーザーダイオード５１から発せられたレーザー光３３は、集光ミラー３４により集光されて単一の平行光２１となり、反射機構３２に入光され、ミラー４１により反射される。光源装置３１が１つのレーザーダイオード５１のみを有する場合には、そのレーザーダイオード５１から発せられたレーザー光３３が単一の平行光２１として反射機構３２に入光され、ミラー４１により反射される。
【００８２】
制御装置１３は、反射機構３２の駆動部４２を制御して、図７及び図８により例示される反射経路２３に沿って照射スポット２４を進行させる。このとき、上述したミラー４１の回転速度の制御により、照射スポット２４は一定の速度によって光進入領域２２を進行する。また、制御装置１３は、照射スポット２４が光進入領域２２の端点２３Ｂ（図１０参照）に到達するとレーザー光３３の発光を停止し、照射スポット２４（その光軸）が反転ポイント２３Ａを通過し、端点２３Ｃに到達するとレーザーダイオード５１がレーザー光３３の発光を再開するように光源装置３１を制御する。その結果、図１０（ｂ）に示されているように、光進入領域２２の一方の端部Ｐ１から他方の端部Ｐ２に亘って平行光２１の均一な照射量が実現され、光進入領域２２の全域に亘って光量子束密度が平準化される。
【００８３】
光合成微生物培養装置１０における培養液２０の照明は、例えば朝６時に開始し、夕方６時に終了することができる。光合成微生物培養装置１０において、光合成微生物が十分な微生物密度に達するまで培養されると、その光合成微生物に適した方法により光合成微生物を収穫することができる。
【００８４】
［変形例］
【００８５】
図１１に示した光合成微生物培養装置１０においては、培養槽１１Ａは上部に円形の開口２６を有している。培養槽１１Ａにおいては、光進入領域２２は培養液２０の液面に設定されている。光進入領域２２の輪郭線は培養液２０の液面の輪郭線と一致しており、共に円形である。培養槽１１Ａの底部２７の形状も円形であり、その中心は、培養槽１１Ａを上方から見たときに、開口２６及び光進入領域２２の中心と一致している。
【００８６】
図１１に示されているように、底部２７の形状は、光進入領域２２の輪郭線に沿って光進入領域２２に入射する平行光２１の進行方向を基準に設定される。つまり、光進入領域２２の輪郭線に沿って光進入領域２２に入射した平行光２１による底部２７の照射ポイント２８が、底部２７の輪郭線に沿って配置されるように、底部２７の形状は設定される。このとき、培養槽１１Ａは、円錐を、頂点から一定の距離の位置において底面と平行に切断し、その頂点を含む切断片を取り除いた形状を有する。培養槽１１Ａを上記のような形状にすることによって、培養液２０の単位容積あたりの光合成微生物の培養量を最大化することができる。
【符号の説明】
【００８７】
１０、１０Ａ…光合成微生物培養装置
１１、１１Ａ…培養槽
１２…照明装置
１３…制御装置
１４…電源装置
２０…培養液
２１…平行光
２２…光進入領域
２３…反射経路
２４…照射スポット
２６…開口
２７…底部
３１…光源装置
３２…反射機構
３３、３３Ａ、３３Ｂ…レーザー光
３４…集光ミラー
４１…ミラー
４２…駆動部
５１…レーザーダイオード
５２…ヒートシンク
【図１】
2015226534.tif 000003
【図２】
2015226534.tif 000004
【図３】
2015226534.tif 000005
【図４】
2015226534.tif 000006
【図５】
2015226534.tif 000007
【図６】
2015226534.tif 000008
【図７】
2015226534.tif 000009
【図８】
2015226534.tif 000010
【図９】
2015226534.tif 000011
【図１０】
2015226534.tif 000012
【図１１】
2015226534.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成27年7月9日(2015.7.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2015226534.tif 000014