(57)【要約】【課題】培地の使用量を抑制でき、単位面積当たりの光合成生物の収量を高めることができる培養装置及び培養方法を提供すること。【解決手段】光合成生物を培養する培養装置１であって、前記光合成生物を付着させる、立体形状を有する担体４と、前記担体に培地を供給する供給ユニット７と、を備える培養装置。光合成生物の培養方法であって、前記光合成生物を、立体形状を有する担体に付着させ、前記担体に培地を供給する培養方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光合成生物を培養する培養装置であって、
前記光合成生物を付着させる、立体形状を有する担体と、
前記担体に培地を供給する供給ユニットと、
を備える培養装置。
【請求項２】
請求項１に記載の培養装置であって、
前記担体は、表面親水性を有する多孔性材料から成る培養装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の培養装置であって、
前記担体は、直径５００ｍｍの球体中に収まる大きさを有する培養装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の培養装置であって、
前記担体を保持する保持ユニットをさらに備え、
前記保持ユニットは透水性を有する培養装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の培養装置であって、
前記供給ユニットから供給された前記培地を回収する回収ユニットをさらに備え、
前記供給ユニットは、前記回収ユニットにより回収された前記培地を前記担体に供給する培養装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の培養装置であって、
前記担体を複数備える培養装置。
【請求項７】
光合成生物の培養方法であって、
前記光合成生物を、立体形状を有する担体に付着させ、前記担体に培地を供給する培養方法。
【請求項８】
請求項７に記載の培養方法であって、
前記担体は、表面親水性を有する多孔性材料から成る培養方法。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の培養方法であって、
前記担体は、直径５００ｍｍの球体中に収まる大きさを有する培養方法。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれか１項に記載の培養方法であって、
前記培地を間欠的に供給する培養方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の培養方法であって、  
前記培地を供給する時間Ｔ１は、前記培地の供給を停止している時間Ｔ２の、１／１０以上である培養方法。
【請求項１２】
請求項７〜９のいずれか１項に記載の培養方法であって、  
前記培地を連続的に供給する培養方法。
【請求項１３】
請求項７〜１２のいずれか１項に記載の培養方法であって、
前記担体を複数用いる培養方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は培養装置及び培養方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細藻類やシアノバクテリア等の水生の光合成生物の一部は、有益な脂質や炭化水素を生成する。近年、これらの光合成生物を人為的に培養する技術が注目されている。
光合成生物の培養方法として、以下の２つの方法が知られている。１つの方法は、通常の液中培養である。液中培養においては、光合成生物が生きていく上で必要とする成分元素を含んだ培地中に光合成生物を投入し、撹拌する。さらに、光及び二酸化炭素を培地に供給する。
【０００３】
他の１つの方法は、フィルム培養又は表面培養と呼ばれる方法である。この方法においては、培地成分を含んだ吸水性繊維等に光合成生物を分布させ、平面的に増殖させる。フィルム培養又は表面培養と呼ばれる方法を開示する文献として特許文献１がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−５４３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
液中培養の場合、大量の培地を必要とする。そのため、培養に要するコストが高くなってしまう。また、フィルム培養又は表面培養と呼ばれる方法の場合、光合成生物の配置が平面内に限定されるため、培養装置の単位面積当たりの光合成生物の収量が少なくなってしまう。  
【０００６】
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、培地の使用量を抑制でき、単位面積当たりの光合成生物の収量を高めることができる培養装置及び培養方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の培養装置は、光合成生物を培養する培養装置である。本開示の培養装置は、光合成生物を付着させる、立体形状を有する担体と、担体に培地を供給する供給ユニットとを備える。
【０００８】
本開示の培養装置を用いれば、立体形状を有する担体を用いて培養を行うことができる。そのため、担体が占める面積に対する光合成生物の収量を大きくすることができる。また、本開示の培養装置を用いれば、従来の液中培養に比べて、使用する培地の量を低減することができる。
【０００９】
本開示の培養方法は、光合成生物の培養方法である。本開示の培養方法は、光合成生物を、立体形状を有する担体に付着させ、担体に培地を供給する。
本開示の培養方法は、立体形状を有する担体を用いて培養を行う。そのため、担体が占める面積に対する光合成生物の収量を大きくすることができる。また、本開示の培養方法を用いれば、従来の液中培養に比べて、使用する培地の量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】培養装置１の構成を表す説明図である。
【図２】液中培養及び気中培養における藻体濃度の推移を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
（１）光合成生物
光合成生物としては、例えば、微細藻類、シアノバクテリア等が挙げられる。シアノバクテリアとして、例えば、PCC6803株等が挙げられる。なお、PCCとはフランスのパスツール研究所で保管している株（Pasteur Culture Collection）を示す記号である。PCC6803株は単細胞性で、通常は液中に浮遊して増殖する。
（２）培養装置
培養装置は、光合成生物を培養することを用途とする。培養装置は、例えば、以下の構成のいずれか１以上を備える。
（２−１）担体
担体は立体形状を有する。立体形状とは、換言すれば、３次元形状である。立体形状の具体例としては、例えば、球、多面体、不規則な立体形状等が挙げられる。多面体として、例えば、立方体、直方体、正四面体等が挙げられる。担体としては、表面親水性を有する多孔性材料から成る担体が好ましい。このような担体を用いれば、光合成生物を一層効率的に培養できる。多孔性材料としては、例えば、スポンジ、シリカゲル、ゼオライト等が挙げられる。
【００１２】
担体の大きさは、直径５００ｍｍの球体中に収まる大きさが好ましく、直径５ｍｍの球体中に収まる大きさが一層好ましい。担体の大きさが上記の範囲内にある場合、複数の担体から成る集合体を、所望の形状にすることが容易になる。
【００１３】
担体の数は単数であってもよいし、複数であってもよい。担体の数が複数である場合、担体の表面積が増すので、光合成生物を一層効率的に培養できる。
担体は、光を透過する性質を有する材料から成ることが好ましい。光を透過する性質を有する材料として、例えば、スポンジ等が挙げられる。担体が、光を透過する性質を有する材料から成る場合、例えば、複数の担体の集合体に光を照射すると、集合体における最表面の担体だけでなく、集合体の内部に埋没している担体にも光が到達する。その結果、光合成生物を一層効率的に培養できる。
（２−２）培地
培地として、公知の培地を適宜選択して用いることができる。また、公知の培地における一部の成分の種類や量を適宜変更することができる。培地として、例えば、ＢＧ１１等が挙げられる。ＢＧ１１は、シアノバクテリアの培養に用いられる標準的な培地である。
（２−３）供給ユニット
供給ユニットは、担体に培地を供給する。培地を供給する形態は適宜選択できる。例えば、霧状の培地を担体に噴霧することができる。また、培地の滴を担体に滴下してもよい。また、担体の全部又は一部を、培地に浸漬し、その後、担体を引き上げてもよい。また、担体の全部又は一部を、定常的に培地に浸漬してもよい。
【００１４】
供給ユニットが供給する培地は、新たな培地のみであってもよいし、後述する回収ユニットで回収した培地を含んでいてもよい。また、回収ユニットで回収した培地のみを供給してもよい。
（２−４）保持ユニット
保持ユニットは担体を保持する。保持ユニットとしては、例えば、担体をその内部に収容する容器が挙げられる。容器の形態としては、例えば、上方が開放された容器が挙げられる。
【００１５】
保持ユニットは、透水性を有することが好ましい。透水性とは、保持ユニット内に存在する培地を、外部に排出する機能を意味する。保持ユニットは、例えば、その少なくとも一部を、透水性を有する材料で構成することにより、透水性を得ることができる。また、保持ユニットは、例えば、その少なくとも一部をメッシュ状にしたり、孔やスリットを設けたりすることで、透水性を得ることができる。
（２−５）回収ユニット
回収ユニットは、供給ユニットから供給された培地を回収する。回収ユニットは、回収した培地を供給ユニットに送ることができる。回収ユニットを備える場合、光合成生物の培養に使用する培地の総量を低減できる。培養装置は、例えば、供給ユニットから供給された培地を、担体よりも下方で貯留する貯留部（以下では培地貯留部とする）を備えることができる。回収ユニットは、例えば、培地貯留部から培地を回収し、供給ユニットに送ることができる。
（２−６）その他の構成
培養装置は、例えば、培地に光を照射する光照射ユニットを備えることができる。照射する光の波長、強度等は、光合成生物の種類等に応じて適宜設定できる。また、培養装置は、培地貯留部に貯留された培地に、空気や二酸化炭素等を供給するガス供給ユニットを備えることができる。また、培養装置は、例えば、培地貯留部に貯留された培地の温度を調整する温度調整ユニットを備えることができる。
（３）培養方法
本開示の培養方法は、光合成生物を培養する。光合成生物の培養における少なくとも一部の工程を、上記の培養装置を用いて行うことができる。上記の培養装置を用いる前に、例えば、液中培養を行うことができる。液中培養とは、担体を培地に浸漬し、光合成生物の種を投入して行う培養である。液中培養のとき、光合成生物は担体に付着する。液中培養の後、担体を、上記の培養装置に移して、培養を継続することができる。また、当初から、上記の培養装置を用いて培養を行ってもよい。
【００１６】
培養方法の実施中における供給ユニットによる培地の供給は、連続的に行ってもよいし、間欠的に行ってもよい。間欠的な供給とは、培地を供給する時間Ｔ１と、供給を停止している時間Ｔ２とが交互に繰り返される態様での供給である。培地の供給が間欠的である場合、培地の使用量を抑制できる。また、培地の供給に用いるポンプ等の昇温を抑制できる。培地を供給する時間Ｔ１は、培地の供給を停止している時間Ｔ２の、１／１０以上であることが好ましい。この場合、担体において培地が不足してしまうことが生じにくい。
【００１７】
培養方法の終了後、例えば、担体を引き上げて乾燥し、溶剤に浸漬することで、光合成生物が生成した有用炭化水素を担体から分離・回収することができる。溶剤は適宜選択できるが、例えば、ヘキサン等が挙げられる。
【００１８】
また、光合成生物は、担体に付着したままであってもよい。この場合、担体に付着した光合成生物が放出する、脂質や炭化水素を回収することができる。
＜実施例＞
１．培養装置１の構成
培養装置１の構成を図１に基づき説明する。培養装置１は、外側容器２と、保持ユニット３と、担体４と、一対の支柱５と、供給ユニット７と、回収ユニット９と、ガス供給ユニット１１と、温度調整ユニット１３と、光照射ユニット１５と、を備える。
【００１９】
外側容器２は、透明アクリル樹脂から成る直方体形状の中空容器である。その大きさは、縦６００ｍｍ、横４５０ｍｍ、高さ４５０ｍｍである。
保持ユニット３は、金網から成る籠である。保持ユニット３の上方は開放されている。保持ユニット３は透水性を有する。保持ユニット３は外側容器２に収容されている。保持ユニット３は、担体４をその内部に収容し、保持する。
【００２０】
担体４は、各辺が約１ｃｍの立方体形状を有する。担体４の材質は、ゲルキューブ（商品名）である。ゲルキューブは、市販のスポンジタイプ濾過材である。ゲルキューブは、さらに詳しくは、ポリエチレングリコール系ＰＵゲル多孔体である。ゲルキューブは多孔性材料である。また、ゲルキューブの表面は親水性である。ゲルキューブは光透過性を有する。
【００２１】
保持ユニット３には、複数の担体４が保持されている。複数の担体４は、保持ユニット３の内部で横方向に分布している。また、複数の担体４は、縦方向に積み重ねられている。以下では、複数の担体４をまとめて、担体群と呼ぶことがある。
【００２２】
一対の支柱５は、保持ユニット３を、外側容器２の底から離れた位置で支持する。
供給ユニット７は、外側容器２の内部であって、保持ユニット３の上方に設けられた複数のノズルである。その複数のノズルは、複数の担体４に均一に培地を供給するのに適した場所に配置される。供給ユニット７は、培地を霧状にして、担体群に噴霧する。
【００２３】
回収ユニット９は、配管１９と、圧力ポンプ２１と、を備える。配管１９における一方の端部１９Ａは、外側容器２の内部における底面付近に位置する。配管１９における他方の端部１９Ｂは、供給ユニット７に接続する。圧力ポンプ２１は、配管１９の途中に位置する。なお、外側容器２の内部における底面付近には、供給ユニット７から供給された培地が貯留される。以下では、このように貯留された培地を、貯留培地２３とする。回収ユニット９は、圧力ポンプ２１の作用により、外側容器２から貯留培地２３を汲み上げて回収し、供給ユニット７に供給する。
【００２４】
ガス供給ユニット１１は、図示しないガス供給源に接続する配管である。ガス供給ユニット１１は、外側容器２の内部における底面付近に供給口１１Ａを備える。ガス供給ユニット１１は、上記のガス供給源から供給される、二酸化炭素を１％混入した空気（以下ではＣＯ２混入空気とする）を、供給口１１Ａから放出する。外側容器２内に貯留培地２３が貯留されている場合、放出されたＣＯ２混入空気は、貯留培地２３内を通過する。
【００２５】
温度調整ユニット１３は、恒温サーキュラーである。温度調整ユニット１３は、本体部２５と、外側容器２の内部における底面付近を通る循環配管２７と、を備える。温度調整ユニット１３は、循環配管２７内に、熱媒体を流すことができる。また、温度調整ユニット１３は、本体部２５において熱媒体を加熱又は冷却することができる。温度調整ユニット１３は、熱媒体の温度を調整することで、貯留培地２３の温度を調整することができる。
【００２６】
光照射ユニット１５は、メタハラランプである。光照射ユニット１５は、外側容器２の上方に位置する。光照射ユニット１５は、複数の担体４に均一に光を照射することができるように配置される。光照射ユニット１５が照射する光は、外側容器２の天板を透過して、担体４に達する。担体４の位置における光量は、平均で約９８μｍｏｌ／ｍ２／ｓである。
【００２７】
２．培養方法
培養装置１を用いて、PCC6803株を、以下の方法で培養した。まず、外側容器２とは別の容器（以下では別容器とする）に、担体群と培地とを入れ、担体群を培地に浸漬した。この培地の組成は以下のとおりである。
・ＮａＮＯ3：1.5ｇ/Ｌ
・ＮａＨＣＯ３：15.8ｍｇ/L 
・Ａ６（micro-component)：1ｍＬ/Ｌ
・ＭｇＳＯ4：75ｍｇ/Ｌ
・Ｃｉｔｒｉｃ acid・Ｈ2Ｏ：6ｍｇ/Ｌ                     
・Ｋ2ＨＰＯ4：39ｍｇ/Ｌ
・Ferric ammonium citrate ：6ｍｇ/Ｌ
・ＣａＣｌ2・2Ｈ2Ｏ：38ｍｇ/Ｌ
・Ｎａ  ＥＤＴＡ：1ｍｇ/Ｌ
上記Ａ６（micro-component)：１Lの内訳は以下のとおりである。
・Ｈ３ＢＯ３：2.86ｇ/L
・ＭｎＣｌ２・４Ｈ２Ｏ：1.81ｇ/L
・ＺｎＳＯ４・７Ｈ２Ｏ：0.22ｇ/L
・ＣｕＳＯ４・５Ｈ２Ｏ：0.08ｇ/L
・Ｎａ２ＭｏＯ４（無水）：0.018ｇ/L
・濃硫酸：１droplet
・ＣｏＣｌ２：0.0221g/L  
さらに、別容器にPCC6803株の種を投入し、１５００時間培養を行った。この培養を、以下では液中培養とする。
【００２８】
その後、担体群を別容器から取り出し、保持ユニット３で保持した。この状態で培養を継続した。この培養を、以下では気中培養とする。気中培養の条件は、以下のとおりとした。
【００２９】
気中培養の期間中、供給ユニット７から培地を供給した。供給する培地の組成は、液中培養で用いた培地の組成と同じとした。培地の供給は、間欠的に行った。すなわち、培地を供給する時間Ｔ１と、供給を停止する時間Ｔ２とを交互に繰り返した。時間Ｔ１は１５分間であり、時間Ｔ２は３０分間である。
【００３０】
気中培養の期間中、光照射ユニット１５を用いて担体群に光を照射した。また、気中培養の期間中、外側容器２内に、１０Ｌの貯留培地２３が貯留されるようにした。その貯留培地２３を、回収ユニット９を用いて回収し、供給ユニット７に供給した。また、気中培養の期間中、ガス供給ユニット１１を用いて、貯留培地２３にＣＯ２混入空気を供給した。また、気中培養の期間中、温度調整ユニット１３を用いて、貯留培地２３の温度を３０℃に維持した。
【００３１】
液中培養及び気中培養における藻体濃度の推移を、図２に示す。液中培養における藻体濃度は、単位体積の培地に含まれる藻体の乾燥重量である。気中培養における藻体濃度は、単位体積の担体４に付着する藻体の乾燥重量である。
【００３２】
図２に示されているように、液中培養の後半では、藻体濃度の増加が頭打ちになっている。しかし、気中培養では、再び、藻体濃度が直線的に増加している。この結果から、培養装置１を用いた気中培養によれば、液中培養と同様以上に、光合成生物を増殖できることが確認できた。
【００３３】
３．培養装置１及び培養方法が奏する効果
（１Ａ）培養装置１は、立体形状を有する担体４を用いて培養を行う。そのため、担体４が占める水平面内における面積に対する光合成生物の収量を大きくすることができる。
【００３４】
（１Ｂ）培養装置１を用いれば、従来の液中培養に比べて、使用する培地の量を低減することができる。
（１Ｃ）培養装置１を用いる気中培養の場合、担体群を引き上げるだけで、培養した光合成生物を回収することができる。そのため、従来の液中培養に比べて、光合成生物の回収が容易である。  
＜他の実施形態＞
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
【００３５】
（１）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。
【００３６】
（２）上述した培養装置の他、当該培養装置を構成要素とするシステム、光合成生物を用いた物質の製造方法等、種々の形態で本発明を実現することもできる。
【符号の説明】
【００３７】
１…培養装置、２…外側容器、３…保持ユニット、４…担体、５…支柱、７…供給ユニット、９…回収ユニット、１１…ガス供給ユニット、１３…温度調整ユニット、１５…光照射ユニット、１９…配管、２１…圧力ポンプ、２３…貯留培地、２５…本体部、２７…循環配管
【図１】
2017195800.tif 000003
【図２】
2017195800.tif 000004