(57)【要約】【課題】魚介類の飼育水槽内の溶存酸素量を十分に高いレベルで維持するための低コストな水槽システムを提供する。【解決手段】水槽１２の上部開口に蓋１４を被せ、水面上に大気と遮断した空間２２を設け、マイクロ・ナノバブル発生装置１６によって気体酸素を含むマイクロ・ナノバブルを水中に供給する。水中の溶存酸素量が過飽和の状態になると水面から放出された酸素が空間２２に滞留し、空間２２内の気体の酸素分圧を高める。これにより酸素分圧の高まった空間２２と接する水中の飽和溶存酸素量が増大する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水槽と、
前記水槽内の水に気体酸素を含む微細気泡を供給する装置と、
前記水槽内の水と大気との接触を遮断する遮断層とを備え、
前記水槽内の水の溶存酸素量を任意の状態に維持することを特徴とする、
水槽システム。
【請求項２】
前記遮断層が、前記水槽内の水の水面上の空間に存在する気体層と、前記気体層と外気との接触を遮断する遮断壁によって構成されていることを特徴とする、
請求項１に記載の水槽システム。
【請求項３】
前記遮断壁が、前記水槽の上部開口を覆う蓋であることを特徴とする、
請求項２に記載の水槽システム。
【請求項４】
前記供給される微細気泡として直径１μｍ以下の気泡が４０００万個／ｍｌ以上含まれることを特徴とする、
請求項１乃至３の何れかに記載の水槽システム。
【請求項５】
請求項２または３に記載の水槽システムにおける溶存酸素量の調節方法であって、
前記水槽内の水に気体酸素を含む微細気泡を供給する工程と、
前記気体層における酸素分圧を大気圧下における酸素分圧より高い状態に維持する工程と、
前記水槽内の水における溶存酸素を過飽和の状態に維持しながら前記微細気泡を溶解させる工程とを含む、
溶存酸素量の調節方法。
【請求項６】
前記供給される微細気泡として直径１μｍ以下の気泡が４０００万個／ｍｌ以上含まれることを特徴とする、
請求項５に記載の溶存酸素量の調節方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、魚介類を飼育する水槽における溶存酸素量を高濃度酸素マイクロ・ナノバブルと簡易遮蔽の併用によって効率的に調節する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
水槽内の溶存酸素量（ＤＯ）を低コストで任意の状態に調節できるようにすることは、例えば活魚等の魚介類の飼育においては非常に重要な課題となっている。従来、水槽内の溶存酸素量を増大させるためにブロワーを使ったバブリングが一般的に行われているが、魚介類の酸素消費を補いながら高い溶存酸素量を維持するためにはブロワー設備が過大となり、その設置費用や電気代等が飼育に要するトータルコストを引き上げている。これまでにも溶存酸素量を効果的に増大させるための様々な酸素溶解装置が考案されてきたが、費用対効果の面で課題はなお残されており、商業的に広く実用普及するまでには至っていないのが現状である。ところで、一般的なバブリングに用いられる気泡（５０μｍ〜数センチ以上の泡）を水槽内に供給しても大気圧環境下においては平衡溶解量（飽和溶存酸素量＝ＤＯ１００％）以上に気体が溶け込むことはないが、マイクロ・ナノサイズ（５０μｍ以下）の空気の気泡を水槽内に供給すると、瞬間的に溶存酸素量が過飽和の状態にまで引き上げられることが知られている。当然、純酸素の気泡を供給した場合であれば過飽和度はより高いレベルにまで上昇する。しかし、このような過飽和状態はマイクロ・ナノバブル発生装置の吐出口周辺において装置動作時のみにみられる限局的現象であり、装置停止後は過飽和状態で水中に存在していた酸素が放出され、数分のうちに大気圧と平衡して飽和溶存酸素量（ＤＯ１００％）にまで低下してしまう。また、装置動作時に水中に供給された酸素は一過性に過飽和にまで溶存したとしても順次大気中に放出され続けるため、恒常的に効率良く水中の溶存酸素量を上げる技術としては期待できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２４６２９４号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】高橋正好，“マイクロバブルとナノバブルの基礎と工学的応用”，マテリアルインテグレーション，２００９年，２２，ｐｐ．２−１９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
マイクロ・ナノバブルは溶存酸素量を瞬間的に過飽和状態にすることは可能であるものの対応可能な水量はさほど大きくはないため、魚介類の飼育用水槽に利用するにはコスト面での制約が大きい。また、局所的一時的に溶存酸素量を過飽和にしたとしても、装置から離れた場所では水中から酸素が放出されて飽和状態に戻ること、また装置周辺でも装置停止後は数分で大気圧と平衡状態すなわち飽和状態に移行する。すなわち、マイクロ・ナノバブルは限局的に過飽和になるほど効率的に水中に酸素を溶解させるものの、過飽和に溶け込んだ酸素は常に水中から放出され続けるため、総合的に考えると水槽内の溶存酸素を高める方法としては決して効率的であるとは言えない。また、マイクロ・ナノバブル発生装置を高出力の状態で継続的に稼働させ続けなければ高い溶存酸素量の状態を維持することも難しい。そのため高価なマイクロ・ナノバブル発生装置を用いた水槽内への酸素供給方法は、従来のブロワーを使ったバブリングと比較してコスト面で特段の利点があるとは言い難い。従って、現状においては、魚介類の飼育水槽内の溶存酸素量を十分に高いレベルで維持するための低コストな酸素供給方法としてマイクロ・ナノバブル発生装置を活用することは難しい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前述した課題を解決するため、本発明は以下の原理に基づいて構成される水槽システムおよび溶存酸素量の調節方法を提供する。【０００７】
溶存酸素とは水中に溶解している酸素のことであり、溶存酸素量は水面に接する気体との平衡状態で決定される。通常は水面が接する環境（地球上の大気圧、つまり酸素分圧２１％）と溶解平衡に達したところが溶存酸素量（ＤＯ）１００％とされる。また、溶存酸素量は水槽の水にとっての環境、すなわち水面に接した気体の酸素分圧と水中に存する泡（気体）の酸素分圧によって平衡点（飽和溶存酸素量）が決まるため、水面に接するガスの酸素分圧が高いほど溶存酸素は増加し、仮に酸素分圧１００％の状態であれば溶存酸素量はＤＯの２１／１００（＝４７６％）で平衡することになる。従って、水面に接する気体環境を空気（大気圧）よりも高い酸素分圧に維持することで飽和溶存酸素量をより高めることができる。【０００８】
マイクロ・ナノバブル発生装置は効果的に酸素を水中に溶け込ませることができ、溶存酸素量を限局的に過飽和状態にまで引き上げることができるが、大気圧との平衡状態（ＤＯ１００％）を超えて過飽和として溶け込んだ酸素は常に大気中に放出され続けて水中に留まることができない。しかし、大気圧より高い酸素分圧を持った気体が水面に接していれば溶存酸素量はより高いレベルで飽和するため、水中に溶存させたＤＯ１００％を超える酸素分が大気中に放出されることはなくなる。すなわちマイクロ・ナノバブル発生装置により水中に供給された酸素のほとんどすべてが水中に溶存することになり、極めて効率的に酸素を供給する方法となる。そのため、水槽内の飼育水容量に対して必要される酸素供給装置の規模を究極的に小さくすることが可能となり、コストは飛躍的に低減される。そして、大気圧より高い酸素分圧を有する気体が水面に接するようにするための最も簡便な方法は水槽内の水面と大気とを遮断する仕切りを設置することである。【０００９】
例えば水槽の上部に蓋を被せ、大気と遮断した空間を水面上に設けた状態で水中に酸素マイクロ・ナノバブルを供給すると、やがて過飽和となって一旦は溶け込んだ酸素が水中から放出されるが、放出された酸素は水面上の空間に滞留し、空間内の気体の酸素分圧を高めることになる。空間内の酸素分圧が高まると、これと接する水面下の飽和溶存酸素量の平衡点が上昇し、水面上に放出される酸素が減少して溶存酸素量が増大する。酸素マイクロ・ナノバブルの供給が続く間はこのような現象が繰り返されるため供給される酸素は無駄なく水中に留まることになる。このように水面と大気との直接的な接触を排除することにより、マイクロ・ナノバブル発生装置を用いて通常大気圧下では溶存し得ない酸素量を溶存させることが可能となる。【００１０】
水槽システムの第１の態様は、水槽と、前記水槽内の水に気体酸素を含む微細気泡を供給する装置と、前記水槽内の水と大気との接触を遮断する遮断層とを備え、前記水槽内の水の溶存酸素量を任意の状態に維持することを特徴とする。【００１１】
遮断層は、水槽内の水と大気とを遮断する気体あるいは固体などであり材質は問わない。水槽内の水面の上部を全て覆う（完全に非接触の状態に維持する）ことに限定されず、例えば非接触の状態を維持しながらも局所的、一時的な接触が生じることを排除するものではない。また大気は水槽を取り巻く外気のことをいい、酸素供給装置によって発生する微細気泡に含まれる気体は含まない。【００１２】
水槽システムの第２の態様は、第１の態様において、前記遮断層が、前記水槽内の水の水面上の空間に存在する気体層と、前記気体層と外気との接触を遮断する遮断壁によって構成されていることを特徴とする。【００１３】
気体層は、酸素供給装置によって水中に供給された酸素のうち水面から放出された酸素を含んでいる。気体層に含まれる気体の体積は問わず、例えばゼロに限りなく近くてもよい。【００１４】
水槽システムの第３の態様は、第２の態様において、前記遮断壁が、前記水槽の上部開口を覆う蓋であることを特徴とする。【００１５】
水槽システムの第４の態様は、第１乃至第３の態様において、前記供給される微細気泡として直径１μｍ以下の気泡が４０００万個／ｍｌ以上含まれることを特徴とする。【００１６】
溶存酸素量の調節方法の態様は、前記水槽内の水に気体酸素を含む微細気泡を供給する工程と、前記気体層における酸素分圧を大気圧下における酸素分圧より高い状態に維持する工程と、前記水槽内の水における溶存酸素を過飽和の状態に維持しながら前記微細気泡を溶解させる工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
前述した構成により、本発明は以下のような効果を奏する。【００１８】
水槽システムの第１の態様によれば、水槽内の水と大気とが直接的な接触を行わないか、あるいは限定的な接触に制限されることから、大気中の酸素の分圧に直接影響されることなく溶存酸素量の飽和点を調節することができるようになる。【００１９】
水槽システムの第２の態様によれば、気体層の酸素濃度が高まることによって分圧が上昇するため、大気との接触下においては実現できない溶存酸素量を達成することができるようになる。また、マイクロ・ナノバブルによって水中に過飽和で供給される酸素は水中から放出されることなく効率的に水中に溶け込むことができ、またその状態を恒常的に維持することができるようになる
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】水槽システムの概念図
【図２】実験装置の概要図
【図３】溶存酸素量の変化の様子を示す説明図
【図４】溶存酸素量の変化の様子を示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２２】
（水槽の構成）
図１は本発明の実施形態である水槽システムの構成を示す図である。水槽システム１０は、水槽１２と蓋１４とマイクロ・ナノバブル発生装置１６とポンプ１８と循環パイプ２０とによって構成されている。
【００２３】
水槽１２は、上部が開口した槽であり、活魚の飼育環境を形成するための水もしくは海水が充填されている。水槽１２の上部開口は蓋１４で覆われている。蓋１４は水槽１２の上部開口を完全な密閉状態に覆うことまでは要求されず、水面と大気との直接的な接触を排除する程度の簡易遮蔽で十分であるので、水槽１２の上部に自重によって載置するだけでもよく、治具等を用いて安定的に固定するようにしてもよい。また、蓋の材質および硬軟や形態などは問わない。
【００２４】
水槽１２内の水面と蓋１４との間の空間２２は、マイクロ・ナノバブル発生装置１６の稼動前は大気と同一成分の気体によって満たされている。空間２２の体積には特段の制限はなく、水槽１２の容量に対する水または海水の適量によって決定してよい。水槽１２に水または海水を充満させて空間２２の体積を限りなくゼロに近づけることも可能である。
【００２５】
マイクロ・ナノバブル発生装置１６は、気体酸素を含む微細気泡（直径５０μｍ以下）を発生させる装置である。マイクロ・ナノバブルは気泡の体積が小さいため、水中での上昇速度が極めて遅く、長い時間水中に滞留するという特徴がある。また通常の気泡であれば水面まで上昇して破裂するが、マイクロ・ナノバブルの場合、内圧が周囲から受ける圧力より小さいため、気泡が圧縮されながら水中に溶け込むことになる。マイクロ・ナノバブルが溶け込んだ水中の溶存酸素量は上昇し、やがて過飽和となって一旦は溶け込んだ酸素が水中から放出されるが、放出された酸素は水面上の空間２２に滞留し、空間２２内の気体の酸素分圧が上昇する。
【００２６】
水槽システム１０は、これらの構成以外にも濾過装置を設けて水槽１２内の水または海水の浄化を図ることができる。また溶存酸素計を用いて水槽１２内の溶存酸素量を監視し、マイクロ・ナノバブル発生装置１６およびポンプ１８の運転制御を行うこともできる。
【００２７】
（溶存酸素量の効率的な調節を実証するための試験の概要）
水槽における溶存酸素量を高濃度酸素マイクロ・ナノバブルと簡易遮蔽の併用によって任意の状態に調節することが可能であることを実証するための試験の概要を以下に示す。
【００２８】
実験に用いた水槽は図２に示すように、ろ過槽と循環ポンプが付属した４００Ｌ容の円環型水槽である。温度を２０℃に調節した海水をポンプによって循環させ水槽内海水の溶存酸素量が均一となるようにしている。水槽上部とろ過槽上部にアクリル製蓋を置き、水面と大気を簡易に遮蔽した。
【００２９】
マイクロ・ナノバブル発生装置（直径１μｍ以下のナノサイズ気泡４０００万個／ｍｌ以上を安定的に発生吐出させる装置）によりマイクロ・ナノバブルを水槽内に供給したときの海水の溶存酸素量の変化を図３に示した。装置始動前にはＤＯ１００％の値であったのが、マイクロ・ナノバブルの供給を開始すると急速に上昇し、酸素のナノサイズ気泡４０００万個／ｍｌ以上の供給は水中における酸素の過飽和状態を容易に惹起することが示され、６０分後にはＤＯ４００％を超えた。その後ＤＯの上昇は抑制され、約４１０％で安定した。通常のバブリングで到達するＤＯ１００％と比較するとおよそ４倍の溶存酸素量に達し、極めて効率的に水中に酸素が供給されることが示された。
【００３０】
マイクロ・ナノバブル発生装置を停止して水中へのマイクロ・ナノバブルの供給を中止した後の溶存酸素量の変化を図４に示した。溶存酸素量は極めて緩やかに低下していくことが示され、５０分後にはおよそＤＯ３００％となり、１３０分後にはＤＯ２００％であった。
【００３１】
本実験により、高濃度酸素マイクロ・ナノバブルの水槽内への供給に際して水面と大気とを簡易に遮蔽しただけの状態であっても、長時間にわたり高い溶存酸素量が維持されることが実証された。
【符号の説明】
【００３２】
１０  水槽システム
１２  水槽
１４  蓋
１６  マイクロ・ナノバブル発生装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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