(57)【要約】【課題】培養液濃度が高くなっても高効率でランプの光を有効に藻類等の光合成生物に照射して最適な培養を可能とすること。【解決手段】培養液を収容する培養槽４と、培養槽４内部に回転可能に配置された回転軸１２と、回転軸１２に固定された電界放射型のランプ１６とを備え、回転軸１２を回転制御してランプ１６を回転軸周りに回転させて培養液を攪拌する攪拌体として作用させつつランプ１６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１６の点滅タイミングを制御して藻類等の光合成生物の明暗二つの反応を制御可能とした構成。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
藻類等の光合成生物を培養液で人工培養する光バイオリアクタにおいて、
上記培養液を収容する培養槽と、
この培養槽内部に回転可能に配置された回転軸と、
この回転軸に固定された電界放射型のランプと、
を備え、
上記回転軸を回転制御して上記ランプを回転軸周りに回転させて培養液を攪拌する攪拌体として作用させつつ上記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、当該ランプの点滅タイミングを制御して藻類等の光合成生物の明暗二つの反応を制御可能とした、ことを特徴とする光バイオリアクタ。
【請求項２】
回転軸に電気配線を設け、培養槽外から上記電気配線を通じてランプに駆動電源を供給可能とした、ことを特徴とする請求項１に記載の光バイオリアクタ。
【請求項３】
上記ランプ表面に透明撥水膜が形成されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の光バイオリアクタ。
【請求項４】
上記ランプが、管状に延びるガラス管と、このガラス管内面に設けた蛍光体付き陽極と、このガラス管内部中央を管軸方向にワイヤ状に延び表面に電界放射用炭素膜が成膜されたワイヤ状陰極と、を備えたものである、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光バイオリアクタ。
【請求項５】
複数のランプを軸方向斜めに固定する、ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光バイオリアクタ。
【請求項６】
回転軸をクランク状とし、この回転軸回りにランプを自転可能とし、かつ、回転軸のクランク動作で培養槽内を公転可能とした、ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光バイオリアクタ。
【請求項７】
上記培養槽の槽壁を二重筒体となし、この内側筒体で取り囲むスペースを培養液収容に用いるとともに、両筒体間を熱媒体収容スペースとした、ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の光バイオリアクタ。
【請求項８】
藻類等の光合成生物を培養液で人工培養する光バイオリアクタにおいて、
上記培養液を収容する培養槽と、
上記培養槽の槽壁をなし内部に熱媒体を収容する熱媒体収容部と、
この培養槽内部に回転可能に配置された回転軸と、
この回転軸に固定された、複数の電界放射型のランプと、
上記熱媒体、回転軸、およびランプを制御する制御部と、
を備え、
上記回転軸は、上記ランプに駆動電源を供給するための配線が設けられており、かつ、培養槽外から上記配線を通じてランプに駆動電源を供給可能になっており、
上記ランプは、管状に延びるガラス管と、このガラス管内面に設けた蛍光体付き陽極と、このガラス管内部中央を管軸方向にワイヤ状に延び表面に電界放射用炭素膜が成膜されたワイヤ状陰極と、を備えたものであり、
上記制御部は、回転軸を回転制御して上記ランプを回転軸周りに回転させて培養液を攪拌する攪拌体として作用させ、かつ、上記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、当該ランプの点滅タイミングを制御して藻類等の光合成生物の明暗二つの反応を制御可能とした、ことを特徴とする光バイオリアクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クロレラ、クラミドモナス、ボツリオコッカス等の緑藻類や、スピルリナ、アナベナ等のラン藻類のように繁殖に光を必要とする微生物を培養槽内で人工的に培養するのに使用される光バイオリアクタ(培養装置)に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００６−０１４６２７をはじめとする幾つかの特許文献には、上記藻類は、光と炭酸ガスとから光合成を行なって酸素を生成放出しつつ繁殖するものであり、藻類の光合成能力は一般植物より数百倍高く、また、クロレラ等の藻類は、飼料、食料、燃料等に広範な用途を持ち、大きな繁殖力を利用して大量に培養されている、と記載されている。
【０００３】
また、特開２００２−２７２４４７には、光バイオリアクタが記載されている。この光バイオリアクタでは、培養槽の外部にランプを設置して培養槽内の藻類に光を照射して培養する光バイオリアクタが記載されている。人工光培養では、天候に左右される太陽光培養とは異なって、季節や天候に左右されず常時安定した光合成が可能となる。
【０００４】
また、特開平０７−０２３７６７にはランプを培養槽内部に固定配置した光バイオリアクタも提案されている、と記載されている。ランプを培養槽内部に配置することで培養槽を透明材料で構成する必要がなく、また、培養槽外部から光を照射するのと異なり培養液に光を届かせ易い。
【０００５】
上記特開２００６−０１４６２７では培養槽の外部に配置したランプからの光を培養槽内部で反射させるようにして培養液に光を届かせ易くしている。
【０００６】
また、２００５年７月１日の日経産業新聞によれば、藻類の光合成は、光が当たり続けるよりは明と暗の組合わせがより効果的であり、また、その明暗のサイクルにも藻類によって最適なサイクルがあると、記載されている。この明部では藻類は光エネルギを利用して水を水素と酸素とに分解し同時に酵素蛋白質の働きで化学エネルギを生成し蓄積する明反応をなし、暗部では蓄積された水素と化学エネルギと大気中から取り込んだ二酸化炭素とを用いて糖、蛋白質など高付加価値物質を合成する暗反応をなす。
【０００７】
また、光バイオリアクタには、インターネットのホームページで閲覧することができるものがある。この光バイオリアクタでは、対向する一対の培養槽壁体間に培養液を入れ、両壁体の外側壁面に配置したランプで培養液の壁体寄りの培養液に光を照射して明部領域とする一方、両壁体の中間寄りの培養液に光を届きにくくして暗部領域として藻類の人工培養を行うようにしている。また、この光バイオリアクタでは、藻類の濃度が高くなると光が届かない藻類が発生することを防止するために培養液を攪拌するようにしている。
【０００８】
しかしながら、培養液を攪拌しても藻類の濃度が高いために外部から培養液に光を照射（外照式）しても光が届く培養液は培養槽壁体の内周壁に極めて近い培養液部分のみとなり実質には濃度が高い培養液には光が届かないようになり極めて効率が悪くなる。光を届かせるには光の照射強度が増加する必要があるが、照射強度の増加にも限界があり、培養コストが急増するものとなる。
【０００９】
一方、上記した培養槽内部にランプを配置する内照式の光バイオリアクタではランプが固定配置されているので、ランプから少しでも離れた培養液には光が届かず上記と同様に培養効率が悪い。培養効率を向上するにはそのようなランプを多数、培養槽内に配置することとなり、培養コストが格段に嵩むようになる。
【００１０】
また、藻類の増殖にともなって光の透過性が悪くなる、培養効率が極端に低下してくるので、培養液中にランプを配置した場合、ランプの表面が培養液と接触することになるが、ランプ表面が培養液によって著しく汚染されて、ランプから培養液中への光の照射が殆んど行なわれなくなり、培養が困難化してくる。このような場合、ランプの洗浄が必要となるなど、作業コストが嵩む。そこで、洗浄作業を容易化するため、棒状の発光体を培養液中に挿抜自在に配置したものも提案されている。しかしながら、これらも棒状の発光体が位置固定されているから、使用中に培養液で汚染され、頻繁に交換や洗浄が必要となる。
【特許文献１】特開２００６−０１４６２７
【特許文献２】特開２００２−２７２４４７
【特許文献３】特開平０７−０２３７６７
【非特許文献１】２００５年７月１日の日経産業新聞
【非特許文献２】光合成装置の開発・制御：ＷＥＢページ（ｗｗｗ．ｙａｍａｈａ−ｍｏｔｏｒ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ｂｉｏ／ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ／ｋｅｙ２／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ）２００６／０７／０７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明により解決すべき課題は、培養液濃度が高くなっても高効率でランプの光を有効に藻類等の光合成生物に照射することを可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明による光バイオリアクタは、藻類等の光合成生物を培養液で人工培養する光バイオリアクタにおいて、上記培養液を収容する培養槽と、この培養槽内部に回転可能に配置された回転軸と、この回転軸に固定された電界放射型のランプと、を備え、上記回転軸を回転制御して上記ランプを回転軸周りに回転させて培養液を攪拌する攪拌体として作用させつつ上記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、当該ランプの点滅タイミングを制御して藻類等の光合成生物の明暗二つの反応を制御可能としたことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明では、ランプが培養液中に回転軸の回転に伴い移動するので、藻類の濃度が高くなっても培養槽内の培養液の隅々にまで光を効率良く照射することができる上に、ランプにより培養液を攪拌することができるので藻類に均等に光を照射することができ、藻類等の光合成生物を高効率で大量培養することができる。
【００１４】
本発明では、ランプが攪拌体を同時に兼ねているので、ランプとは別途に攪拌体を設置する場合と比較してコスト的に有利である。
【００１５】
本発明では、ランプとして発熱が無い電界放射型ランプを用いたので、培養液内にランプを設置する方式の多くで問題となっているランプ発熱対策を考慮する必要がなく、熱媒体での培養液温度の管理に影響を及ぼさずに済む。
【００１６】
本発明では、ランプによる攪拌により熱媒体との熱交換をより均等かつ効率的に行うことができる。
【００１７】
本発明では、ランプの点滅タイミングを制御することができるので、培養液全体の藻類を最適な明暗反応サイクルで培養することができる。
【００１８】
本発明では、ランプが回転軸の回転に同期して回転し培養液を攪拌するので、換言すれば、ランプを培養液中に配置して培養液と直接接触することになるが、ランプ表面が培養液によって汚染されにくくなり、ランプから培養液中への光の照射を長期に効率良く行なうことができ、最適培養が可能となる。
【００１９】
以上の特徴を有する本発明では、さらに、回転軸に電気配線を設け、培養槽外から上記電気配線を通じてランプに駆動電源を供給可能とすることが好ましい。
【００２０】
上記ランプは、表面に透明撥水膜が形成されていることが好ましい。透明撥水膜により、ランプ表面には培養液で汚染されにくくなり、光を効果的に培養液に照射することができ、また、円滑に培養液を攪拌することができるようになる。
【００２１】
本発明は、複数のランプを軸方向斜めに固定することが好ましい。ランプを軸方向斜めに固定した場合、培養液全体に光をより効率的に照射することができることに加えて、培養液全体をより効率的に攪拌することができるようになる。
【００２２】
本発明は、回転軸をクランク状とし、この回転軸回りにランプを自転可能とし、かつ、回転軸のクランク動作で公転可能とすることが好ましい。この構成では、ランプ長さが短くても、培養液に対する光照射と攪拌とを効率的に行うことができるようになる。
【００２３】
本発明は、培養液の濃度の上昇に対応してランプの回転速度を低下側に制御することが好ましい。
【００２４】
本発明の光バイオリアクタは、閉鎖形、開放形を問わず、適用することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、培養液濃度が高くなっても高効率でランプの光を有効に藻類等の光合成生物に照射し最適な培養を実施することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態に係る光バイオリアクタを説明する。
【００２７】
図１ないし図４を参照して実施の形態の光バイオリアクタを説明する。図１は、実施の形態の光バイオリアクタの概略構成を示す。図１（ａ）はその断面図、図１（ｂ）はその平面図を示す。図２は電界放射型管状ランプ（以下、単にランプ）の点滅周期を示す図、図３は横軸に時間、縦軸に培養液濃度と回転軸の回転速度とを示す図、図４はランプの構成を示す図である。
【００２８】
光バイオリアクタ２は、藻類等の光合成生物を培養液で人工培養するものである。光バイオリアクタ２は、円筒状の培養槽４を備える。培養槽４は、培養液６を収容するものである。培養槽４は二重筒体からなる槽壁を有し、この内側筒体で取り囲むスペースを培養液６の収容スペースに用いるとともに、両筒体間を熱媒体収容スペース８としている。熱媒体収容スペース８には、熱媒体１０が収容されている。熱媒体収容スペース８は、内部の熱媒体１０により培養槽４内の培養液６と熱交換して培養液６を所定温度範囲に保つことができるようになっている。熱媒体１０は例えば冷水や温水、その他の熱媒体である。その温度は培養する藻類等の光合成生物の種類に応じて適宜に設定管理することができる。熱媒体１０の温度は、藻類等の光合成生物の種類に応じて制御する。例えば、低温菌、中温菌、高温菌で熱媒体の温度を管理制御することができる。この熱媒体１０の供給、排出の構造ならびにその温度管理や制御についてはその構造の図示および説明を略する。
【００２９】
回転軸１２は、培養槽４内部中央に軸受１４を介して回転可能に培養槽４底部に立設されている。回転軸１２の素材は特に限定されず、金属製、樹脂製でよく、また、外周面に撥水膜を形成してもよいし、回転軸１２の素材に摩擦係数が小さい材料を選択してもよい。
【００３０】
ランプ１６は、複数、回転軸１２に軸方向および円周方向等間隔に固定されている。ランプ１６は回転軸１２の軸方向に対して円周方向１８０度間隔で固定されている。ランプ１６の設置個数は培養の規模に従い、特に限定されない。ランプ１６の先端側は回転軸１２に対して半径方向に直管状に延びている。ランプ１６の形状は特に限定しないが、直管状が好ましく、また、曲管状でもよい。回転軸１２の下端側は上記のように耐水性で堅牢な密封型軸受１２を介して培養槽４底部に支持される一方、上端側は培養槽４外に突出し、その突出した上端にロータリコネクタ１８を内装したギヤ２０が固定され、このギヤ２０にモータ２２のギヤ２４が噛合している。ロータリコネクタ１８は、パルス電源２６に接続されている。これらモータ２２の種類、ギヤ２０，２４の組み合わせや種類は、種々、適宜選択することができる。
【００３１】
回転軸１２は内部にロータリコネクタ１８を介してランプ１６にパルス電源２６の電圧を印加するための配線２８が内設されている。ロータリコネクタ１８は周知の構造であるからその詳細は略するが、パルス電源２６側に固定コネクタ、回転軸１２側に回転コネクタを備え、これら両コネクタの接点を通じてパルス電源２６の電圧をランプ１６に印加することができるようになっている。
【００３２】
この場合、パルス電源２６ではなく通常の直流電源を用いるとともに、この直流電源にスイッチを設け、このスイッチを開閉制御することによりランプ１６に電圧を印加することができるようにしてもよい。
【００３３】
制御部３０は、マイクロコンピュータから構成され、モータ２２の回転制御、パルス電源２６の制御を通じてランプ１６の点滅周期の制御、熱媒体８による培養液６の温度制御を行う。
【００３４】
制御部３０は、図２で示すようにパルス電源２６を制御してランプ１６の点灯周期Ｔ１（ランプ１６に点灯電圧を印加する周期）と消灯周期Ｔ２（ランプ１６に点灯電圧の印加を停止する周期）とのデューティ比を制御することができる。点灯周期Ｔ１は培養液６に光を照射して明反応させるための周期であり、消灯周期Ｔ２は培養液６に光を照射せず暗反応させるための周期である。また、ランプ１６に対する点灯電圧の大きさを制御することによりランプ１６の回転速度（攪拌速度）を制御することができる。
【００３５】
この点灯、消灯の周期Ｔ１，Ｔ２の制御は培養効率向上、照明省電力化向上に好ましく、マイクロコンピュータで構成する制御部３０に培養内容に応じた培養管理データベースを蓄積し、このデータベースに基づいて上記点灯、消灯の周期Ｔ１，Ｔ２を制御することができる。
【００３６】
制御部３０は、図３で示すように、培養液６の濃度が高くなるに従い、回転軸１２の回転速度を低下させてランプ１６による攪拌速度を低下させている。ランプ１６は、図１（ｂ）で示す矢印向きに、一定期間、回転させた後、それとは反対向きに回転させて、照射タイミングと、攪拌効果をより高めることができるように制御してもよい。ランプ１６の正逆の回転方向を培養液濃度の分布状況に合わせて適宜に制御することにより、より適切に培養制御することができる。
【００３７】
ランプ１６は、図４で示すように、陽・陰極の対向空間に電界を形成して陰極から電子を放出させて蛍光体を励起発光させる電界放射型のランプである。より具体的に、ランプ１６は、真空封止されたガラス管３２内に、蛍光体３４付きの陽極３６と、線状の陰極３８とが対向配置されて構成されている。陰極３８はガラス管３２の略中央を管長手方向に線状に延びている。陽極３６はＩＴＯ（酸化インジウム・錫）やアルミニウム等の金属をスパッタリングやＥＢ蒸着等により薄膜状にして形成されている。蛍光体３４は、陽極３６にスラリー塗布法、スクリーン印刷法、電気永動法、沈降法等により塗布等により形成されている。陰極３８は、導線３８ａと、該導線３８ａの表面に形成された、ｎｍオーダーの微細突起を電子放出点として多数有する炭素膜３８ｂとを備えたものである。この炭素膜３８ｂは電界集中することができる鋭利なチューブ状、ウォール状、針状端部を備えたものであればよく、例えばカーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、針状炭素膜、等である。
【００３８】
ランプ１６は、電界放射型の冷陰極であるので、熱陰極とは異なり、陰極３８を予備加熱する必要なく電子放出させて蛍光体３４を励起発光させることができるので点滅周期を高速で制御することができる。また、ランプ１６はガラス管３２内に無水銀であり、有水銀のランプとは異なり、環境に好ましい。
【００３９】
ランプ１６は、電界放射型であり、発熱が無く、藻類等の最適培養に必要な温度管理に支障を来たさずに済むうえで好ましい。
【００４０】
ランプ１６はそのガラス管３２の表面が撥水処理されて撥水膜４０が形成されて汚れ付着防止可能にしている。また、撥水膜の成膜に際して、安価に効率よく機械的膜強度および耐久性ならびに各種機能を発揮する酸化物薄膜で成るゾルゲル膜を下地層とし、この下地層上に撥水膜を成膜することにより、耐摩耗性ならびに耐光性能を格段に向上し、より長期的に優れた撥水性能を維持することができるようにしてもよい。撥水膜４０は透明で光透過性を有することが好ましい。撥水剤をコーティングして撥水膜を形成する技術として、その撥水剤にシラザンオリゴマー［ＣＦ3（ＣＥ2）7（ＣＨ2）2ＳｉＮＨ3/2］を用いると、透明で高絶縁性の撥水膜を形成することができる。また、ガラス管３２に撥水性の透明ガラスを用いることができる。
【００４１】
透明撥水膜を形成するには、シリコン系の例えばシリコンアルコキシドとフッ素系の例えばパーフロロアルコキシドとを混合し、その混合液に、水および酸とアルコール系の液体を添加してゾルゲル液を得る。そして、そのゾルゲル液をガラス管３２表面に均一に塗布し、乾燥後に焼成することにより形成することができる。
【００４２】
また、抗菌性と、ガラス並の透明性と、フッ素樹脂並の撥水性を併せ持つ抗菌性透明撥水膜が、汚れが付着しやすい環境で使用する場合に有用であり、好ましい。この抗菌性透明撥水膜には、例えば、酸化珪素を主成分とするガラス、フルオロアルキル鎖を有する分子、および、抗菌性微粒子から構成することができる。抗菌性微粒子は、銀や酸化チタン等がある。
【００４３】
以上説明した構成を備えた光バイオリアクタ２においては、制御部３０で回転軸１２の回転を制御してランプ１６を回転軸１２周りに回転させて培養液６を攪拌する攪拌体として作用させ、また、ランプ１６の発光強度と点滅周期とを制御して培養液６に所要強度の光の照射と培養液６の明暗二つの反応の制御を行うことができる。
【００４４】
（他の実施の形態）
ランプ１６は、図５（ａ）の断面図、図５（ｂ）の平面図で示すように、回転軸１２に対して軸方向等間隔で円周方向同一位置に配置してもよい。ランプ１６は、図６（ａ）の断面図、図６（ｂ）の平面図で示すように、回転軸１２に対して軸方向斜め等間隔で円周方向１８０度間隔で配置してもよい。ランプ１６は、図７（ａ）の断面図、図７（ｂ）の平面図で示すように、回転軸１２に対して軸方向斜めでかつ円周方向同一位置に配置してもよい。ランプ１６は、図８（ａ）の断面図、図８（ｂ）の平面図で示すように、回転軸１２をクランク状とし、複数のランプ１６を各クランク部分周りに図示略の駆動機構で自転可能とし、かつ、回転軸１２回りの公転軌道を公転可能とし、培養槽４内の培養液を照射することができるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１（ａ）は本発明の実施の形態に係る光バイオリアクタの断面図、図１（ｂ）はその平面図である。
【図２】図２はランプの点滅周期を示す図である。
【図３】図３は横軸に時間、縦軸に培養液濃度と回転軸の回転速度とを示す図である。
【図４】図４はランプの構成を示す図である。
【図５】図５（ａ）は他の実施の形態に係る光バイオリアクタの断面図、図５（ｂ）はその平面図である。
【図６】図６（ａ）はさらに他の実施の形態に係る光バイオリアクタの断面図、図６（ｂ）はその平面図である。
【図７】図７（ａ）はさらに他の実施の形態に係る光バイオリアクタの断面図、図７（ｂ）はその平面図である。
【図８】図８（ａ）はさらに他の実施の形態に係る光バイオリアクタの断面図、図８（ｂ）はその平面図である。
【符号の説明】
【００４６】
２  光バイオリアクタ
４  培養槽
６  培養液
８  熱媒体収容槽
１０  熱媒体
１２  回転軸
１４  軸受
１６  ランプ
１８  ロータリコネクタ
２０  ギヤ
２２  モータ
２４  ギヤ
２６  パルス電源
２８  電気配線
３０  制御部
【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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