(57)【要約】【課題】空気中あるいは排気ガス中の二酸化炭素を低コストで効率的に生物固定することのできるバイオマス培養槽を提供すること【解決手段】光合成生物を保持するための培養槽と、前記培養槽に炭酸イオンを含有する培養液を供給する培養液供給手段と、前記培養槽に前記光合成生物の培養に必要な栄養素を供給する補助栄養素供給手段と、前記培養槽から培養液を排出する排出手段とを具備してなるもの。【選択図】      図１
2005000121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光合成生物および液体培地を保持する培養槽と、前記培養槽に炭酸イオンを含有する培養液を供給する培養液供給手段と、前記培養槽に前記光合成生物の培養に必要な補助栄養素を供給する補助栄養素供給手段と、前記培養槽から液体培地を排出する排出手段とを具備することを特徴とするバイオマス培養槽。
【請求項２】
前記液体培地には前記光合成生物が分散されると共に、前記光合成生物を表面に付着可能な無機物または有機物からなる担持体が分散されていることを特徴とする請求項１記載のバイオマス培養槽。
【請求項３】
前記培養槽から前記光合成生物およびこの光合成生物が付着した担持体を回収する回収手段と、前記回収された担持体から光合成生物を取り除いた後、前記担持体を前記培養槽に返送する返送手段とを具備することを特徴とする請求項２記載のバイオマス培養槽。
【請求項４】
前記担持体は、焼却灰、石炭灰およびこれらのものから重金属を除去して得られる処理スラグの中から選ばれる少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項２または３記載のバイオマス培養槽。
【請求項５】
前記担持体は、前記光合成生物の種子、胞子もしくは株またはその生育に必要な栄養素を包含または付着させたものであることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項記載のバイオマス培養槽。
【請求項６】
前記担持体を最大直径２ｃｍ以下のペレット状にすると共に、前記培養槽内の液体培地を循環させることにより、前記担持体を前記培養槽内で循環させることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項記載のバイオマス培養槽。
【請求項７】
前記担持体は、プラスチック、植物繊維もしくは金属からなる網状もしくはかご状の構造物の内部に保持され、または、前記構造物に固定されている特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項記載のバイオマス培養槽。
【請求項８】
前記炭酸イオンを含有する培養液は、石炭灰または焼却灰と水とを接触させて得られる溶液に二酸化炭素を接触させて炭酸イオンとして生成させたものを含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載のバイオマス培養槽。
【請求項９】
前記培養液中の炭酸イオン、水素イオン、その他前記光合成生物の成長に必要な無機成分および有機成分の中から選ばれる少なくとも１種の濃度を測定する濃度測定手段と、この濃度測定手段の結果に応じて前記補助栄養素供給手段からの各種補助栄養素の供給量を調整し前記培養液を所定の組成とする組成調整手段とを有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載のバイオマス培養槽。
【請求項１０】
前記排出手段において前記培養槽から排出された液体培地中の含有有機物濃度を測定する含有有機物濃度測定手段と、この含有有機物濃度測定手段の測定結果に応じて前記培養液供給手段からの培養液供給量を調整する供給量調整手段とを有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載のバイオマス培養槽。
【請求項１１】
前記培養槽内部の壁面および底面の少なくとも一方を鏡面とし、その鏡面上に光触媒層を設けたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項記載のバイオマス培養槽。
【請求項１２】
前記培養槽における前記光合成生物の光合成に用いる光を取り入れる採光部に、前記光合成に用いられる波長の光を前記培養槽外部から内部に透過し、内部から外部への透過を抑制する選択的透光性フィルムまたはガラスを設けたことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項記載のバイオマス培養槽。
【請求項１３】
光合成生物の培養において、焼却灰および石炭灰から選択される少なくとも１種と水とを接触させた後、これに二酸化炭素を接触させて炭酸イオンを含有する培養液を作製し、この培養液を用いて光合成生物の培養を行うことを特徴とするバイオマス培養方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種プラントから排出される排気ガス等に含まれる二酸化炭素を生物的に固定するバイオマス培養槽およびバイオマス培養方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年における地球温暖化現象の主要原因の１つとして、産業活動における化石燃料燃焼に由来する二酸化炭素の排出が指摘されている。これまでに様々な方法での対策が検討されているが、その１つに光合成生物の培養による二酸化炭素の固定が挙げられる。過去には、フォトバイオリアクターと呼ばれる外界と完全に遮断された閉鎖系システムにおける単一種植物の高効率培養等も検討されている。
【０００３】
光合成生物の培養による二酸化炭素の固定は、例えば栄養素を含む培養液を入れた培養槽中に藻体を分散させ、培養槽の底部から二酸化炭素を送り込み、太陽光や人工光を利用して藻体を増殖させることにより行われている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
また、光合成生物が浮遊性菌体であり、液中の光合成生物の濃度が低く、光合成生物単体では十分に二酸化炭素を固定できないことから、光合成生物を無機性または有機性の担持体に付着させることも検討されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
さらに、上述したような液相中での光合成生物の培養に対して、気相中で光合成生物を培養し、二酸化炭素を固定することも検討されている（例えば、特許文献３、４参照。）。
【０００６】
しかしながら、上述したような光合成生物の培養方法においては要求される二酸化炭素の固定量とそれに必要なコストとの折り合いをつけることが容易でなく、光合成生物の培養により二酸化炭素を固定するプラントの商用的な運用は未だ実現されていない。
【０００７】
一方、一般ごみの焼却によって生じる焼却灰や、石炭火力発電により生じる石炭灰については、その処理方法が問題とされている。特に焼却灰については、その殆どが産業廃棄物として埋め立て処理されており、土地の確保や土壌汚染の問題等により、埋め立て以外の処理方法、出来れば付加価値のある製品への利用が求められている。
【０００８】
例えば、上記灰類の焼結体は植物や微細藻類、菌類の生育に適当な材料組成や表面状態を有することから、各種菌類、淡水性および海洋性植物の担持体としての応用が検討されている。
【０００９】
石炭灰については漁礁や藻類養殖の培地として既存のコンクリートブロックの代用として海中に沈める等の活用も提案されているが、より積極的な活用、例えば二酸化炭素の効率的な固定等への活用が期待されている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−２３１５３８
【特許文献２】
特願平６−３１９５２０
【特許文献３】
特開平７−２１３２７６
【特許文献４】
特開平８−３８１５８
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、光合成生物を用いた二酸化炭素の生物的固定においては、単位時間、面積あたりの二酸化炭素の固定量を向上させ、稼動コストを低減することが求められている。また、産業廃棄物として処理されている焼却灰や石炭灰を資源として有効利用することも求められている。
【００１２】
本発明は上記したような課題を解決するためになされたものであり、空気中あるいは排気ガス中の二酸化炭素を効率的かつ低コストに生物固定することが可能なバイオマス培養槽およびバイオマス培養方法を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のバイオマス培養槽は、光合成生物および液体培地を保持する培養槽と、前記培養槽に炭酸イオンを含有する培養液を供給する培養液供給手段と、前記培養槽に前記光合成生物の培養に必要な補助栄養素を供給する補助栄養素供給手段と、前記培養槽から液体培地を排出する排出手段とを具備することを特徴とする。
【００１４】
また本発明のバイオマス培養方法は、焼却灰および石炭灰から選択される少なくとも１種と水とを接触させた後、これに二酸化炭素を接触させて炭酸イオンを含有する培養液を作製し、この培養液を用いて光合成生物の培養を行うことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のバイオマス培養槽について、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は本発明のバイオマス培養槽の一例を示した概略図である。本発明のバイオマス培養槽における培養槽１には、例えば光合成生物２、必要に応じて光合成生物２を表面に付着固定できる無機物または有機物からなる担持体３が液体培地４中に分散されている。
【００１７】
そして、培養槽１には光合成生物２の培養に主として用られる炭酸イオンを含有する培養液が培養液供給手段５より供給される。また、光合成生物２の培養に必要なその他の補助栄養素が補助栄養素供給手段６より供給される。さらに、培養槽１にはこれら培養液、補助栄養素の供給により過剰となった液体培地４を排出するための排出手段７が設けられている。
【００１８】
上述した培養槽１内の液体培地４は淡水または海水に相当するものであり、光合成生物２の種類によって適宜選択されるものである。
【００１９】
培養液供給手段５より供給される炭酸イオンを含む培養液は、例えば石炭灰または焼却灰と水とを接触させて得られる溶液に二酸化炭素を接触させて得られるものである。すなわち、石炭灰または焼却灰にはアルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物が含まれており、これと水とを接触させたものにさらに二酸化炭素を接触させることで炭酸イオンを生成させることができる。
【００２０】
上述した炭酸イオンの生成は例えば以下のような反応式で表すことができる。なお、下記反応式では炭酸塩として表しているが、これらの炭酸塩は液中で電離して炭酸イオンを生成するものである。
Ｋ２Ｏ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ２ＫＯＨ
２ＫＯＨ＋  ＣＯ２  →  Ｋ２ＣＯ３  ＋  Ｈ２Ｏ
または
Ｎａ２Ｏ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ２ＮａＯＨ
２ＮａＯＨ＋  ＣＯ２  →  Ｎａ２ＣＯ３  ＋  Ｈ２Ｏ
【００２１】
具体的には例えば図２に示すように、培養液生成槽８に、一般ごみの焼却所で生じた焼却灰、石炭火力発電所で生じた石炭灰等の灰類９ａおよびこれらのものに必要に応じて重金属を除去する処理を行って得られる処理スラグ９ｂの中から選ばれる少なくとも１種を充填し、水分供給手段１０により水分を供給して溶液を調整する。さらに、この培養液生成槽８内の溶液中に焼却所や火力発電所等から排出された二酸化炭素を含む排ガスを二酸化炭素供給手段１１により放出し、炭酸イオンを生成させる。
【００２２】
上述したような方法により炭酸イオンを含む培養液を作製することで、焼却所、火力発電所から排出される二酸化炭素だけでなく、これらのものから排出される焼却灰や石炭灰を処理することもでき、二酸化炭素の効率的な生物的固定だけでなく、廃棄物量を減らし資源の有効利用が可能となる。また、このような方法により得られた炭酸イオンを含む培養液を主として用いて光合成生物２の培養を行うことで、光合成生物２の培養も促進させることができる。
【００２３】
このような培養液については微細藻類の増殖速度を高くするため、その炭酸イオン濃度、水素イオン濃度を所定の濃度に調整することが好ましい。また、炭酸イオン濃度、水素イオン濃度以外の光合成生物の成長に必要な無機成分および有機成分の濃度についても調整することが好ましい。培養液中の炭酸イオン濃度は培養する光合成生物の種類によっても異なるが、例えば最終的な調整が行われた培養液において０．００１［ｍｏｌ／ｌ］〜０．０１［ｍｏｌ／ｌ］程度であることが好ましい。
【００２４】
炭酸イオン濃度、水素イオン濃度の調整は、例えば培養液を製造する際の炭酸イオン等の生成量を調整することにより行ってもよいし、一旦培養液を作製した後、所定の成分を添加することにより調整してもよい。
【００２５】
培養液を製造する際の炭酸イオン、水素イオンの生成量を調整することにより濃度を調整する方法としては、例えば培養液生成槽８に充填する灰類９ａ、処理スラグ９ｂの量、水分供給手段１０により供給する水分の量、二酸化炭素供給手段１１により放出する二酸化炭素の量等を適宜調整することにより行う。
【００２６】
また、培養液を製造した後における炭酸イオン濃度、水素イオン濃度の調整は、例えば補助栄養素供給手段６等から炭酸イオン濃度、水素イオン濃度を上昇または低下させることのできる物質を添加して行う。
【００２７】
炭酸イオン、水素イオン以外の光合成生物の成長に必要な無機成分および有機成分の濃度についても、例えば補助栄養素供給手段６から所定の成分（補助栄養素）を供給して調整する。補助栄養素としては、例えば硫酸マグネシウム、硫酸銅および硫酸亜鉛等が挙げられる。
【００２８】
このような炭酸イオン、水素イオン、その他光合成生物の成長に必要な無機成分および有機成分の濃度の調整は、例えば培養液供給手段５の途中にこれらの濃度を測定する濃度測定手段であるセンサ１２を設け、このセンサ１２の測定結果を基に所定の濃度、組成となるように組成調整手段１３で培養液生成槽８における炭酸イオン等の生成量の調整、その後の補助栄養素供給手段６による各成分の添加量の調整を行うことによりなされる。
【００２９】
このようにして成分調整が行われた培養液は培養槽１へ供給される。この際の培養液の供給量は、例えば排出手段７に培養槽１から排出される液体培地４中の含有有機物濃度を測定する含有有機物濃度測定手段１４を設け、この含有有機物濃度測定手段１４の測定結果に応じて供給量を調整する供給量調整手段１５により行われることが好ましい。このようにして培養液の供給量を調整することで、培養液の過不足を抑制し、光合成生物２を効率的に培養することができる。
【００３０】
本発明における光合成生物２としては上述したような培養液に含まれる炭酸イオンを栄養源として培養できるものであれば特に制限されるものではなく、例えば藻類、微細藻類のような液体培地中で培養するものの他、水耕栽培により培養可能な野菜等であってもよい。二酸化炭素の効率的な処理、すなわち生物的固定という観点からは増殖速度の高いものが好ましく、このようなものとしては微細藻類が好適に用いられる。
【００３１】
微細藻類としては、例えばクロレラ、スピルリナ等の微細藻類が増殖速度が高いため好ましく、具体的にはＳｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ  ｓｐ．ＰＣＣ６８０３、Ａｎａｂａｅｎａ  Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａ等を用いることができる。
【００３２】
上述したような光合成生物２として藻類、微細藻類を用いる場合には、これらのものが付着できるように担持体３を用いることが好ましい。担持体３は、例えば一般ごみの焼却所で生じた焼却灰もしくは石炭火力発電所で生じた石炭灰等の灰類またはこれらのものに必要に応じて重金属除去処理を施して得られる処理スラグ等から選ばれる少なくとも１種と、ポリエチレン等のバインダとを混合し、所定の形状に成形することにより得られるものである。
【００３３】
このような焼却灰や石炭灰を用いることで、廃棄物として処理されている焼却灰や石炭灰の量を減らすことができるとともに、これら焼却灰や石炭灰には光合成生物２の培養に必要な成分も含まれているため、光合成生物２の培養を促進することもできる。
【００３４】
この担持体３には予め培養対象となる光合成生物２の種子、胞子もしくは株を内部に包含または表面に付着させておくことが好ましい。光合成生物２の培養過程で担持体３には光合成生物２が付着するが、予め内部または表面に光合成生物２の種子、胞子もしくは株等を包含または付着しておくことで、より効率的に培養を行うことが可能となる。
【００３５】
また、担持体３には培養対象となる光合成生物２の生育に必要な栄養素を内部に包含または表面に付着させておくことが好ましい。光合成生物２の培養過程では培養液供給手段５および栄養素供給手段６により光合成生物２の生育に必要な栄養素が供給されるが、予め内部または表面に光合成生物２の生育に必要な栄養素を包含または付着しておくことで、より効率的に培養を行うことが可能となる。
【００３６】
上述したように担持体３の内部に光合成生物２の種子、胞子もしくは株またはその生育に必要な栄養素を含有させるには、例えば一般ごみの焼却所で生じた焼却灰もしくは石炭火力発電所で生じた石炭灰等の灰類またはこれらのものに必要に応じて重金属除去処理を施して得られる処理スラグ等から選ばれる少なくとも１種と、ポリエチレン等のバインダと、光合成生物２の種子、胞子もしくは株またはその生育に必要な栄養素とを混合した後、所定の形状に成形することにより行う。
【００３７】
また、担持体３の表面に光合成生物２の種子、胞子もしくは株またはその生育に必要な栄養素を付着させるには、例えば上述したような灰類または処理スラグ等から選ばれる少なくとも１種とポリエチレン等のバインダとを混合し所定の形状に成形した後、その表面に光合成生物２の種子、胞子もしくは株、またはその生育に必要な栄養素を付着させることにより行う。
【００３８】
このようにして得られる担持体３は、例えば最大直径２ｃｍ以下のペレット状にして培養槽１内の液体培地４に分散させてもよいし、プラスチック、植物繊維または金属等からなる網状またはかご状の構造物の内部に保持してもよいし、そのような構造物に固定してもよい。
【００３９】
担持体３をこのような網状またはかご状の構造物の内部に保持または固定することで、培養後における光合成生物２が付着した担持体３の回収が容易になると共に、培養中においても担持体３へ液体培地４を十分に循環させることができ、培養、回収を効率的に行うことができる。
【００４０】
光合成生物２の培養は、培養槽１への人工光や太陽光の照射により行われる。光合成生物２は液体培地４に分散したまま成長する他、液体培地４に担持体３が分散されている場合にはその表面でも高密度に成長する。
【００４１】
培養槽１中の液体培地４は、光合成生物２およびこれを付着した担持体３を平均的に日光や栄養分と接触させて効率的に培養するために循環させることが好ましい。このような液体培地４の循環は、例えば培養槽１への培養液の流入により、あるいは、焼却所、火力発電所等から排出される排気ガスの培養槽１内への放出により、または、モータ、ポンプ、水車等の利用により行われる。
【００４２】
循環方向は特に制限されるものではなく、例えば培養槽１の垂直方向の中心軸を中心として渦を形成するような平面方向の循環方向としてもよいし、培養槽１の底面中心から上方へ湧き上り、周辺部で底部へ沈降するような垂直方向の循環方向としてもよい。
【００４３】
また培養槽１は、例えば図３に示すように、その採光部を選択的透光性フィルムもしくはガラス１６で覆うことが好ましい。この選択的透光性フィルムもしくはガラス１６は、例えば培養槽１に入射する可視光、特に光合成生物２の光合成に用いられる波長の光を透過し、培養槽１内から培養槽１外へ向かう光は透過させず、培養槽１内に反射させるものである。このような選択的透光性フィルムもしくはガラス１６で採光部を覆うことで入射光の有効利用が可能となる。
【００４４】
また、培養槽１内の側面や底面は鏡面１７とすることが好ましい。培養槽１内の側面や底面を鏡面１７とすることで、培養槽１内に入射した光が培養槽１内の側面や底面に吸収されることを抑制し、入射光の有効利用が可能となる。
【００４５】
さらに、このような鏡面１７の表面上には光触媒層１８を設けることが好ましい。光触媒層１８としては、例えば酸化チタンからなるものが挙げられる。このような光触媒層１８を設けることで、鏡面１７における光合成生物２、汚れ等の付着を抑制し、鏡面１７の反射効率の低下を抑制することができる。
【００４６】
培養槽１の液体培地中を浮遊する光合成生物２もしくはこれが付着した担持体３は、適当な回収手段を用いて回収される。回収手段としては、例えばフィルタが好適に用いられる。
【００４７】
フィルタは、光合成生物２を担持した担持体３を回収するための比較的目の粗いフィルタと、水中に分散したまま成長した光合成生物２を回収するための目の細かいフィルタとを併用することで、より効率的に光合成生物２を回収することができる。
【００４８】
担持体３を回収するためのフィルタとしては、担持体３の最大径よりも目の細かい網目構造や格子構造を有する平面あるいは袋状の構造物が用いられる。また、光合成生物２を回収するためのフィルタとしては、光合成生物２の最大径よりも目の細かい網目・格子構造を有する平面あるいは袋状の構造物、例えば布、紙もしくはプラスチック製のろ紙、不織布、または、多孔質構造を有するスポンジもしくは軽石等を用いることができる。
【００４９】
培養槽１内におけるろ過操作により光合成生物２およびこれが付着した担持体３を捕獲したフィルタは、光合成生物２および担持体３と共に液体培地４から引き上げられる。担持体３の表面に付着した光合成生物２は、機械的処理あるいは化学的処理により分離、回収される。光合成生物２が分離され再生された担持体３は適当な返送手段を用いて再度培養槽１中に投入し、光合成生物２の培養に役立ててもよい。
【００５０】
また、ろ過操作によりフィルタに付着した光合成生物２は、担持体３の表面に付着した光合成生物２と同様、機械的処理あるいは化学的処理により回収する。フィルタが有機物の場合には、フィルタごとバイオマスとして活用してもよい。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、光合成生物の培養に炭酸イオンを含有する培養液を用いることで、光合成生物の培養を促進し二酸化炭素の効率的な生物的固定が可能になる。また、炭酸イオンを含有する培養液の製造に二酸化炭素および従来廃棄されていた石炭灰もしくは焼却灰を用いることができ、環境への負荷の低減、資源の有効利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のバイオマス培養槽の一例を示した概略図
【図２】本発明のバイオマス培養槽の他の例を示した概略図
【図３】本発明のバイオマス培養槽における培養槽の一例を示した断面図
【符号の説明】
１…培養槽  ２…光合成生物  ３…担持体  ４…液体培地  ５…培養液供給手段  ６…補助栄養素供給手段  ７…排出手段  ８…培養液生成槽  ９ａ…灰類  ９ｂ…処理スラグ  １０…水分供給手段  １１…二酸化炭素供給手段  １２…濃度測定手段  １３…組成調整手段  １４…含有有機物濃度測定手段  １５…供給量調整手段  １６…選択的透光性フィルムまたはガラス  １７…鏡面  １８…光触媒層
【図１】
2005000121.tif 000003
【図２】
2005000121.tif 000004
【図３】
2005000121.tif 000005