(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光合成藻類にエネルギーを供給するための光照射装置を有し藻類培養液中で藻類を培養するための藻類培養槽と、
哺乳類を飼育するための哺乳類飼育室と、
前記藻類培養槽から藻類培養液を導出し再び前記藻類培養槽に戻す送液ラインと、
前記哺乳類飼育室からガスを導出し藻類培養液と直接接触させることなく再び前記哺乳類飼育室に戻す気体循環ラインと、
気体を通すが水を通さない気液分離膜を含み前記送液ラインと前記気体循環ラインとの間で気液分離膜を介して酸素と二酸化炭素の交換を行うガス交換装置とを備え、
前記ガス交換装置は、気体の種類によってその透過速度を大きく異にすることのない非選択性気液分離膜モジュールと、気体の中でも二酸化炭素を優先的に通すことが可能なＣＯ２選択性気液分離膜モジュールとを有し、前記気体循環ライン中の二酸化炭素を前記送液ライン中の藻類培養液内に溶解させ、かつ前記送液ライン中の藻類培養液内の溶存酸素を該気体循環ライン内に取り込むことにより、藻類培養槽内で藻類が発生する酸素と哺乳類飼育室内で哺乳類が発生する二酸化炭素とのガス交換を行うものであり、
そして藻類培養槽における酸素発生量と哺乳類飼育室における二酸化炭素発生量は均衡するように調節されるものである、哺乳類飼育室に供給する酸素の量と藻類培養槽に供給する二酸化炭素の量の均衡を維持させるための微少重力下での閉鎖系における二酸化炭素リサイクルシステム。
【請求項２】
該光合成藻類が藍藻類、原核緑藻類、紅藻類、灰色藻類、クリプト藻類、渦鞭毛藻類、黄金色藻類、珪藻類、褐藻類、黄緑藻類、ハプト藻類、ラフィド藻類（緑色鞭藻類）、クロララクニオン藻類、ミドリムシ藻類（ユーグレナ藻類）、プラシノ藻類、緑藻類および車軸藻類からなる群より選択されるものである請求項１記載のシステム。
【請求項３】
該光合成藻類がユーグレナ属藻類である請求項１記載のシステム。
【請求項４】
該光合成藻類がクロレラ属藻類である請求項１記載のシステム。
【請求項５】
該光合成藻類がクラミドモナス属藻類である請求項１記載のシステム。
【請求項６】
該気体循環ラインが哺乳類飼育室とガス交換装置の間に異物除去用のフィルターをさらに含むものである請求項１〜請求項５いずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
該送風用ポンプが加圧ポンプである請求項１〜請求項６いずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
該藻類培養槽の光照射装置が太陽光を光源とするものであり、かつ、藻類培養装置の少なくとも一部が太陽光を透過する素材で作られた壁面を有するものである請求項１〜請求項７いずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
該藻類培養槽の光照射装置が人為的光源を使用するものであり、かつ、該人為的光源が光透過性素材で作成された容器の中に収容されているものである請求項１〜請求項８いずれか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
該藻類培養槽に温度制御装置がさらに設置されているものである請求項１〜請求項９いずれか１項に記載のシステム。
【請求項１１】
該哺乳類飼育室と該ガス交換装置の間に該哺乳類飼育室内の二酸化炭素を優先的に気体循環ラインに導入することができる二酸化炭素濃縮装置をさらに設置するものである請求項１〜請求項１０いずれか１項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、宇宙空間または微少重力下における閉鎖系での二酸化炭素リサイクルシステム（二酸化炭素リサイクル装置）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
宇宙基地の建設の構想が現実化しつつある今日、宇宙空間における人または哺乳類の長期滞在の必要性は今後益々増大すると考えられる。そして、そのためには閉鎖系における実質的に無制限な酸素の供給が要求されるが、現状では有効な手段が開発されておらず、これを解決する手段の開発が切望されている。
【０００３】
一方、本発明者らは先に、光合成藻類の一種であるユーグレナが高濃度の二酸化炭素の存在下でクロロフィル生合成を誘導することにより大量の藻体を生産することができることを報告した( アイガ，Y.ら、「光合成藻、ユーグレナの光放射ダイオードによる生育」CELSS J. 9, 7-12, 1997  、中野長久ら、「ユーグレナ・グラシリスの高ＣＯ2 条件への適応とその機構」CELSS J., 7, 15-18, 1995 )。さらに本発明者らはユーグレナ細胞がアミノ酸分析やラット飼育テストにより明らかなようにタンパクなどの極めて高い栄養素を含むことをも報告した（中野長久ら、「原生生物、ユーグレナ・グラシリスＺは閉鎖エコシステムで唯一栄養源として機能する」、CELSS J., 8, 7-12, 1996 ) 。ユーグレナのこれらの特徴は宇宙空間あるいは微少重力下での閉鎖系においてヒトの食糧の提供という観点からのみならず、二酸化炭素を酸素へ変換する光バイオリアクターを開発するという観点でも極めて重要であることに本発明者らは注目するに至った。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、宇宙空間または微少重力下における閉鎖系でヒトまたは哺乳類の発生する二酸化炭素を酸素に変換する二酸化炭素リサイクルシステムを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは宇宙空間あるいは微少重力下における閉鎖系での酸素供給手段として二酸化炭素を酸素に変換するリサイクルシステムを開発すべく研究を進めた。まず、本発明者らはこれまでの自らの研究（中野長久ら、ＣＥＬＳＳ，7, 15-18 (1995) 、相賀一郎ら、ＣＥＬＳＳ，9, 7-12 (1997)) の成果に基づき、ユーグレナが▲１▼培養が容易であり、特に酸性条件下で生育が容易であること、▲２▼単位容積当たりの光合成能が高いこと（約０．６モルＣＯ2 ／時・ｍ3 ）、▲３▼光エネルギーの利用効率が高いこと（８０％以上）、▲４▼高濃度二酸化炭素に耐性であること（４０％ＣＯ2 ／供給空気、最大の生育は５〜１５％ＣＯ2 下で得られる）および▲５▼含まれるタンパク質がヒトの食糧として極めて良質であることに注目し、光合成藻類を利用する二酸化炭素 リサイクルシステムの構築に着手した。それには、哺乳類が酸素を消費して生産する二酸化炭素を光合成藻類の培養槽に供給すると共に藻類により生産される溶存酸素を微少重力下で藻類培養液から分離し哺乳類飼育室に供給するラインの構築を必要とする。本発明者らは鋭意検討を重ねた末、微少重力下で溶存酸素を培養液から効率的に分離すると共に二酸化炭素を藻類培養液に効率的に溶解することができる気液分離膜を構成要素とするガス交換装置を構築することができた。さらに藻類の培養条件の検討等を行った結果、微少重力下における閉鎖系で、藻類培養槽と哺乳類飼育室の間に設置された上記ガス交換装置を含む気体循環ラインを用いることにより、酸素を消費して哺乳類が生産する二酸化炭素を光合成藻類に供給し、光合成藻類がそれを消費して生産する溶存酸素を哺乳類に供給することにより、藻類培養槽に供給する二酸化炭素レベルと哺乳類飼育室に供給する酸素レベルを長期間定常状態に保つことができる、二酸化炭素リサイクルシステムの構築に成功し、本発明を完成するに至ったものである。
【０００６】
即ち、本発明の要旨は、（１）光合成藻類にエネルギーを供給するための光照射装置を有し藻類培養液中で藻類を培養するための藻類培養槽と、哺乳類を飼育するための哺乳類飼育室と、前記藻類培養槽から藻類培養液を導出し再び前記藻類培養槽に戻す送液ラインと、前記哺乳類飼育室からガスを導出し藻類培養液と直接接触させることなく再び前記哺乳類飼育室に戻す気体循環ラインと、気体を通すが水を通さない気液分離膜を含み前記送液ラインと前記気体循環ラインとの間で気液分離膜を介して酸素と二酸化炭素の交換を行うガス交換装置とを備え、前記ガス交換装置は、気体の種類によってその透過速度を大きく異にすることのない非選択性気液分離膜モジュールと、気体の中でも二酸化炭素を優先的に通すことが可能なＣＯ２選択性気液分離膜モジュールとを有し、前記気体循環ライン中の二酸化炭素を前記送液ライン中の藻類培養液内に溶解させ、かつ前記送液ライン中の藻類培養液内の溶存酸素を該気体循環ライン内に取り込むことにより、藻類培養槽内で藻類が発生する酸素と哺乳類飼育室内で哺乳類が発生する二酸化炭素とのガス交換を行うものであり、そして藻類培養槽における酸素発生量と哺乳類飼育室における二酸化炭素発生量は均衡するように調節されるものである、哺乳類飼育室に供給する酸素の量と藻類培養槽に供給する二酸化炭素の量の均衡を維持させるための微少重力下での閉鎖系における二酸化炭素リサイクルシステム、（２）該光合成藻類が藍藻類、原核緑藻類、紅藻類、灰色藻類、クリプト藻類、渦鞭毛藻類、黄金色藻類、珪藻類、褐藻類、黄緑藻類、ハプト藻類、ラフィド藻類（緑色鞭藻類）、クロララクニオン藻類、ミドリムシ藻類（ユーグレナ藻類）、プラシノ藻類、緑藻類および車軸藻類からなる群より選択されるものである前記（１）記載のシステム、（３）該光合成藻類がユーグレナ属藻類である前記（１）記載のシステム、（４） 該光合成藻類がクロレラ属藻類である前記（１）記載のシステム、（５）該光合成藻類がクラミドモナス属藻類である前記（１）記載のシステム、（６） 該気体循環ラインが哺乳類飼育室とガス交換装置の間に異物除去用のフィルターをさらに含むものである前記（１）〜（５）いずれかに記載のシステム、（７）該送風用ポンプが加圧ポンプである前記（１）〜（６）いずれかに記載のシステム、（８） 該藻類培養槽の光照射装置が太陽光を光源とするものであり、かつ、藻類培養装置の少なくとも一部が太陽光を透過する素材で作られた壁面を有するものである前記（１）〜（７）いずれかに記載のシステム、（９）該藻類培養槽の光照射装置が人為的光源を使用するものであり、かつ、該人為的光源が光透過性素材で作成された容器の中に収容されているものである前記（１）〜（８）いずれかに記載のシステム、（１０）該藻類培養槽に温度制御装置がさらに設置されているものである前記（１）〜（９）いずれかに記載のシステム、（１１）該哺乳類飼育室と該ガス交換装置の間に該哺乳類飼育室内の二酸化炭素を優先的に気体循環ラインに導入することができる二酸化炭素濃縮装置をさらに設置するものである前記（１）〜（１０）いずれかに記載のシステムに関する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明について詳細に説明する。
本発明の微少重力下における閉鎖系での二酸化炭素（ＣＯ2 ）リサイクルシステムは、藻類を培養するための藻類培養槽およびヒトを含む哺乳類を飼育するための哺乳類飼育室を含んでおり、上記藻類培養槽には光合成藻類にエネルギーを供給するための光照射装置および培養液を循環させるための水流発生装置が備え付けてある。そして必要があれば培養温度を調節するための温度制御装置を設置することもできる。上記藻類培養槽と上記哺乳類飼育室との間は上記藻類培養槽内の培養液中の溶存酸素と上記哺乳類飼育室内の気体を交換することができるように気体循環ラインで連結されている。この気体循環ラインは気体を通すが水を通さない気液分離膜を含むガス交換装置およびライン内の気体を循環させるための送風用ポンプを含んでいる。このガス交換装置は上記気体循環ライン中の二酸化炭素を藻類培養液内に溶解させかつ藻類培養液内の培養液中の溶存酸素を上記気体循環ライン内に取り込むことにより藻類培養槽内で藻類が発生する酸素と哺乳類飼育室内で哺乳類が発生し気体循環ラインに入る二酸化炭素の間のガス交換を行わせるものである。このような本発明の二酸化炭素リサイクルシステムを用いれば、藻類培養槽内で藻類が発生した培養液中の溶存酸素はガス交換装置により効率的に気体循環ラインに取り込まれついで哺乳類飼育室に供給される。一方、哺乳類飼育室で哺乳類が発生した二酸化炭素は気体循環ラインに入りガス交換装置により効率的に藻類培養液に溶解される。従って、本発明のシステムを用い、藻類培養槽における酸素発生量と哺乳類飼育室における二酸化炭素発生量が均衡するように調節することにより、微少重力下での閉鎖系においても、哺乳類飼育室で哺乳類を飼育しながら藻類培養槽で藻類を培養することにより、哺乳類飼育室に供給する酸素の量と藻類培養槽に供給する二酸化炭素の量の均衡を維持することが可能となる。
【０００８】
本発明のシステムには、ガス交換装置についての上記説明で述べたように、藻類培養液中で発生した溶存酸素を培養液から分離するための気液分離膜がガス交換装置の必須の構成要素として搭載されている。その理由は、培養液中の溶存酸素を培養液から分離することは重力の存在下では極めて容易であるのに反し、微小重力下ではこれが極めて困難であることにある。気体と液体の間で比重の差が存在しない微小重力の下では、培養液中で発生した酸素を培養液から分離することは容易ではない。本発明者らは鋭意検討した結果、気液分離膜を利用して培養液中の溶存酸素を効率的に分離することが可能であることを発見し、本発明のシステムの必須の構成要素としたものである。すなわち、このガス交換装置は哺乳類飼育室に通じる気体循環ラインと藻類培養液を気液分離膜を介してこの装置内で接触させ、この間に溶存酸素を藻類培養液から気体循環ラインへと移行させ、同時に気体循環ラインから二酸化炭素を藻類培養液へ溶解させる働きを行う。このガス交換装置を用いることにより藻類培養槽内で藻類が発生した培養液中の溶存酸素は効率的に気体循環ラインを通って哺乳類飼育室に送られ、哺乳類飼育室で哺乳類が発生した二酸化炭素は気体循環ラインを通って効率的に藻類培養液へと送られることになる。この装置は、例えば、気液分離膜からなる筒の中に藻類培養液を環流させその間に膜を通過して筒の外に出た酸素を集め、同時に気液分離膜の筒の外側を循環する気体の中の二酸化炭素が筒の中すなわち藻類培養液の中へ溶解するような装置でもよい。気液分離膜はなるべく藻類培養液と接する表面積を大きくとることが好ましい。例えば、蛇行する気液分離膜からなる筒などが例示できる。この装置に使用される気液分離膜としては、非選択性の多孔質膜（三菱レーヨン社製、大セル化学社製）などが有利に使用できるが、気体特に酸素と二酸化炭素を通過させるが液体を通過させることができない膜であって、藻類培養液と接触しても長期間安定なものであれば特に限定されることなく本発明に使用できる。
【０００９】
本発明のシステム中のガス交換装置には、さらにＣＯ２選択性気液分離膜を上記の非選択性気液分離膜の後方または前方または交互に設置することができる。ＣＯ２選択性気液分離膜は酸素と二酸化炭素の透過速度を異にし二酸化炭素を優先的に透過させる膜である。ＣＯ２選択性気液分離膜を上記の非選択性気液分離膜の後方に設置した場合は、藻類培養液はまず非選択性気液分離膜と接触して培養液内の酸素を気体循環ラインへ放出し、ついでＣＯ２選択性気液分離膜と接触して気体循環ラインから二酸化炭素を効率よく受け取ることができる。前方に設置した場合は、まず藻類培養液はＣＯ２選択性気液分離膜と接触して気体循環ラインから二酸化炭素を効率的に受け取り、ついで非選択性気液分離膜と接触して酸素を気体循環ラインに放出することになる。このようなＣＯ２選択性気液分離膜（二酸化炭素／酸素分離用の膜）としては、例えば、ＴＰＸ膜（三菱レーヨン社製）や大セル化学社製Ｏ２／ＣＯ２分離膜などの膜を使用することが好ましい。軽量で効率の高い装置が本発明にとって特に好ましい。また、気液分離膜の目詰まりを防止するため、ガス交換装置と哺乳類飼育室の間に異物除去のためのフィルターを備えつけることが好ましい。
【００１０】
本発明のシステムにおける気体循環ラインは、上記のガス交換装置を含みかつガス交換装置と哺乳類飼育室および藻類培養槽の間を必要に応じてパイプで連結しており、さらに循環させる気体に圧力を加えるためのポンプが必要に応じて一つ以上備え付けられている。パイプの素材としては特に限定されないが、軽量で丈夫で腐食されないテフロン樹脂やシリコンチューブなどが好ましい。
【００１１】
本発明のシステムにおける気体循環ラインには、哺乳類飼育室と連結させて、哺乳類飼育室内の二酸化炭素を優先的に通過させて哺乳類飼育室内の二酸化炭素濃度を減少させ同時に気体循環ラインの二酸化炭素の濃度を高める働きをする二酸化炭素濃縮装置を設置することができる。この装置は、例えば上記のＴＰＸ膜（三菱レーヨン社製）や大セル化学社製Ｏ2 ／ＣＯ2 分離膜などのＣＯ2 選択性気液分離膜を多段階に使用することにより構成することができる。
【００１２】
本発明のシステムにおける藻類培養槽には、水流発生装置が備え付けられる。これは、宇宙空間または微少重力下においても、培養液中での混合を十分にするためである。培養液の均一化は藻類による二酸化炭素やエネルギー源である光、その他の栄養分の利用効率を高め、藻類の生育速度の最適化に不可欠である。また、藻類が発生する溶存酸素の分散をよくし、ガス交換装置による溶存酸素の取り込みの効率を高めるためにも有用である。このような水流発生装置としては、水流ポンプやプロペラなどの水流発生に通常使用できる装置であれば特に限定されず使用可能である。なるべくエネルギー効率の良い装置が好ましいことはいうまでもない。
【００１３】
本発明のシステムにおける藻類培養槽には、光合成藻類のエネルギー源として光を供給する設備が必要となる。これは、藻類培養槽の壁面の一部を光透過性の素材、例えば、ガラスあるいは光透過性樹脂で作成し、太陽光を利用できるようにすることで可能となり、また藻類培養槽の中に発光性ダイオードのような人為的光源を上記のような光透過性の素材から成る容器中に収めて取り付けることにより達成することもできる。このような光源の例としては、赤色ＬＥＤ（ＳＬＡ−５７７ＪＴ３Ｆ、ローム社、京都）や青色ＬＥＤ（日亜ケミカル工業社、徳島）などが挙げられる。
さらに、与える光の波長によって藻類の生育に相違が生ずるので、藻類の生育ひいては藻類による酸素の発生効率に好ましい光を放射する光源を使用することが好ましい。このような光源としては、例えばユーグレナの場合は、上記赤色ＬＥＤ（波長６６０ｎｍ）または赤色ＬＥＤ（波長６５０ｎｍ）と青色ＬＥＤ（４５０ｎｍ）の共用（例えば、１：１）が例示される（相賀一郎ら、ＣＥＬＳＳ，9, 7-12 (1997)) 。
【００１４】
本発明のシステムにおける藻類培養槽には、必要があれば温度制御装置を取り付けてもよい。これは、藻類の培養による培養槽内の温度上昇を抑え、藻類の生育に最適なように温度を制御し、酸素の供給量を最大にする必要があるからである。温度制御装置としては、微生物の培養槽に通常使用されている装置であれば特に限定されることなく使用可能である。例えば、クールユニットやサーモスタットなどが例示できる。なお、藻類の培養適温はユーグレナを含む多くの藻類の場合は１０〜３３℃であるが、好温性の藻類の場合はもっと高い温度で培養することが好ましい。
【００１５】
本発明のシステムにおける哺乳類飼育室は、哺乳類がヒトの場合は人が生活する閉鎖空間を指し、哺乳類が人以外の動物の場合は哺乳類を飼育するための閉鎖空間を指す。当然温度および湿度が制御され、長期間の生存に適するように設計される。また、二酸化炭素の濃度をモニターするため、二酸化炭素濃度測定装置を備えることが好ましい。
【００１６】
ヒト（６０ｋｇ）の酸素消費量は安静時で約２５０ｍｌ／分、最大値で約２５００ｍｌ／分といわれ、哺乳類では、マウス（３５ｇ）が約１ｍｌ／分、ブタ（２５０ｋｇ）が約５４０ｍｌ／分、そしてウシ（５００ｋｇ）が約１０４０ｍｌ／分であるといわれている（理化学辞典（１９９８年版））。一方、ヒト一人当たりの二酸化炭素の排泄量は、安静時で０．６５モル／時、通常で１モル／時程度と考えられる。１モルの二酸化炭素を光合成で消費し等モルの酸素を発生させるためには、光合成有効波長域（４００〜７００ｎｍ）の光量子が９モル必要である。地球の大気圏外で太陽に正対する平面が受ける太陽の輻射総量は１．３８ｋＷ／ｍ2 であり、この太陽光エネルギーのうち４５％程度が光合成に利用可能なエネルギーであると仮定すると、１ｍ2 当たり１時間に約１０モルの光量子が地球の大気圏外では降り注いでいることになる（太陽光中の光合成有効波長領域における放射束密度と光量子束密度の関係式として、１Ｗ／ｍ2 ＝４．５７μモル光量子／ｍ2 ／ｓを用いた）。従って、培養槽に与えた光合成有効波長域の光量子がすべて光合成に利用されると仮定すると、地球周回軌道にある人工衛星上では、培養槽の光受容面を常に太陽に正対する位置に置くことが可能であれば、光受容面の約１ｍ2 でヒト一人が排泄する二酸化炭素を藻類を用いて酸素に変換することが理論的に可能である。
【００１７】
本発明に用いられる光合成藻類としては、藍藻類、原核緑藻類、紅藻類、灰色藻類、クリプト藻類、渦鞭毛藻類、黄金色藻類、珪藻類、褐藻類、黄緑藻類、ハプト藻類、ラフィド藻類（緑色鞭藻類）、クロララクニオン藻類、ミドリムシ藻類（ユーグレナ藻類）、プラシノ藻類、緑藻類または車軸藻類などが例示でき、このいずれを用いても本発明の目的を達成することができる。これらの藻類はすべて二酸化炭素を消費して光合成を行い、酸素を発生させることができるからである。中でも、光合成能の高い藻類、例えばユーグレナ属藻類、具体的には、ユーグレナ・グラチリスＺ（Euglena gracillis Z) ATCC 12716 、ユーグレナ・グラチリスＺ（Euglena gracillis Z) ATCC 12894 、ユーグレナ・グラチリス・バル・バチラリス (Euglena gracillis var. bacillaris) ATCC 10616 、ユーグレナ・グラチリス・バル・サッカロフィラ (Euglena gracillis var. saccharophila) ATCC 12983  、緑藻類の中のクロレラ属藻類、具体的には、クロレラ・ブルガリス (Chlorella vulgaris) ATCC 9765 および  クラミドモナス属藻類、具体的には、クラミドモナス・ラインハードティー(Chlamydomonas reinhardtii) ATCC 18798  等が好適である。
【００１８】
以下に、光合成藻類の例としてユーグレナ藻類を取り上げ、その培養条件について説明する。なお、他の藻類についても二酸化炭素を炭素源として光合成させる場合に通常採用されている公知の条件を使用することができる。
適当な培地にユーグレナの種培養（細胞密度：１〜２×１０6 細胞／ｍｌ）を１０〜２５％（ｖ／ｖ）接種し、エネルギー源として光を照射し、攪拌しながら培養を行う。重力存在下では、通常無菌空気（１分当たり培地容量の０．５〜２倍程度）を吹き込む。これにより、培養液内に二酸化炭素を溶解させるが、微小重力下では気液分離膜装置を使用し空気中の二酸化炭素を培養液に導入する。
適当な培地としては、例えば、クレイマー・マイヤース培地（脱塩水１リットル中に１．０ｇの（ＮＨ4)2 ＨＰＯ4 、１．０ｇのＫＨ2 ＰＯ4 、０．２ｇのＭｇＳＯ4 ・７Ｈ2 Ｏ、０．０２ｇのＣａＣｌ2 ・２Ｈ2 Ｏ、０．８ｇのクエン酸、３ｍｇのＦｅ2(ＳＯ4)3 、１．８ｍｇのＭｎＣｌ2 ・４Ｈ2 Ｏ、１．５ｍｇのＣｏＳＯ4 ・７Ｈ2 Ｏ、０．４ｍｇのＺｎＳＯ4 ・７Ｈ2 Ｏ、０．２ｍｇのＮａ2 ＭｏＯ4 ・２Ｈ2 Ｏ、０．０２ｍｇのＣｕＳＯ4 ・５Ｈ2 Ｏ、０．１ｍｇのチアミン塩酸塩、および０．０００５ｍｇのシアノコバラミンを含み、ｐＨは３．５〜６．８、好ましくは５．５である）が本発明でも便利に使用できる。
【００１９】
培養温度は２０〜２８℃、好ましくは２５〜２７℃である。
通常、約１日のラグタイムの後、対数増殖期に入り、約１週間〜１０日間で定常期に入る。この条件で、通常空気を吹き込んだ場合は、約２×１０6 細胞／ｍｌまで生育する。空気に二酸化炭素を５〜２０％混合すると、生育はさらに増大し、それぞれ約２〜３倍の細胞数に達する。二酸化炭素の割合を４５％まで高めるとユーグレナでも生育しなくなる。
上記のような高い二酸化炭素混合比の気体を吹き込んだ場合でも、培養中の培地のｐＨは４．５〜６．０の間に保たれ、培地のｐＨの調整は不要である。これは本発明にとって極めて有利な性質である。
【００２０】
照射する光は太陽光でもよいが、人為的光源が放射する光でもユーグレナは活発に生育する。本発明者らの研究（相賀一郎ら、ＣＥＬＳＳ，9, 7-12 (1997)) により、赤色ＬＥＤ単独または赤色ＬＥＤと青色ＬＥＤ（１：１）の光を照射するとユーグレナは極めて良好な生育を示す。
生育が旺盛であることは、それだけ多くの二酸化炭素を消費しそして酸素を放出することを意味し、本発明で採用する藻類の培養条件として適していることを示すものである。
【００２１】
さらに、培養物の一部を定期的に採取し、等量の培地を補給することにより、ユーグレナの生育を永続させることが可能となる。
【００２２】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例等によりなんら限定されるものではない。
【００２３】
実施例１
本発明の宇宙空間または微少重力下での閉鎖系二酸化炭素リサイクルシステムのモデルとして図２に示す哺乳類飼育室と藻類培養槽とを含む閉鎖系二酸化炭素リサイクルシステムを構築した。
【００２４】
本実験では、光を透過させるため円形のガラスの培養槽（容積３リットル）を特注し、藻類培養槽として使用した。光の強度を調節できるように、培養槽のまわりに蛍光灯（パルックボール、ＥＦＴ２５ＥＷ、松下電工製）を６台取り付けた。培養槽内の温度を制御するため冷却装置（Carry cool LP-3000CL-A、ORION 社製）で25℃に調節した水を培養槽下部に循環させた。気体循環ラインにおける送風のため、エアーポンプ(APN-085LV-1、岩城硝子社製) を使用した。培養液から気体循環ラインへの酸素の放出および気体循環ラインから培養液への二酸化炭素の溶解を行わせるため、ガス交換装置として非選択性気液分離膜モジュールおよびＣＯ2 選択性気液分離膜モジュールを併用した。非選択性気液分離膜モジュールおよびＣＯ2 選択性気液分離膜モジュールの中を培養液を循環させるため、送液ポンプ（PST-550 、岩城硝子社製) を含む送液ラインを取付け、送液の速度は０．１リットル／分とした。なお、本実験は重力存在下（地上）で行われたため、細胞の沈澱を防ぐ目的で培養槽に攪拌モーターと羽を取り付けた。
【００２５】
ＣＯ2 選択性気液分離膜モジュールには、三菱レーヨンのＴＰＸ膜を使用した。この膜の能力では、二酸化炭素 の１ｍｌ／分（マウス１匹の放出する二酸化炭素 量）を取り出すのに、０．２〜０．４ｍ2 の面積で足りる。本実験では、マウス１匹を哺乳類飼育室で飼育するので、計算上は０．４ｍ2 のＴＰＸ膜で足りることろであるが、余裕をみて、１．５ｍ2 のＴＰＸ膜を使用した。
【００２６】
また、非選択性気液分離膜モジュールには非選択性の多孔質膜（三菱レーヨン社製）１．５ｍ2 を使用し、培養液中に発生した豊富な酸素を回収した。
【００２７】
哺乳類飼育室は３２×３２×３０ｃｍ（容積約３０リットル）の大きさで、エアポンプで気体循環ラインに６リットル／分の空気を圧力０．８ｋｇ／ｃｍ2 で送風した。哺乳類飼育室と藻類培養槽とはガス交換装置（非選択性気液分離膜モジュールおよびＣＯ2 選択性気液分離膜モジュール）を挟んで連結した。哺乳類飼育室にはマウス（Balb/c、雄、15週齢、30ｇ) を１匹入れ飼育した。哺乳類飼育室は、藻類培養室、ガス交換装置とともに２５℃に調節された実験室内に置いた。なお、動物飼育室内の空気を攪拌するため、空気攪拌機（OAFAN Model9225 、SHICOH社製) を使用した。また、ＣＯ2 濃度計（Model TG-1300A、Bionics Instrument社製) および酸素濃度計（Model OM-25ANL、JIKCO 社製) を取り付けた。
【００２８】
藻類培養槽（容量３リットル）にはユーグレナ・グラチリスＺ（Euglena gracillis Z) ATCC 12716 の種培養（定常状態の細胞）を約１．５リットル仕込み、さらにクレイマー・マイヤース培地を加え、培養槽およびガス交換装置を含む送液ライン中を培養液で満たした。なお、この時の培養液中の細胞数は、７．７５×１０5 細胞／ｍｌとなった。
【００２９】
実験１
図２に示す本発明のシステムにおいて気体循環ラインを閉鎖した場合
システムの閉鎖性を確認した後、実験を開始した。哺乳類飼育室の二酸化炭素濃度は、マウスが発生する二酸化炭素のため、約１時間で０．０４％（４００ｐｐｍ）から０．３％（３０００ｐｐｍ）まで増加し（図３）、このマウスは動きを停止した。このとき、酸素濃度の低下も観察された。
【００３０】
実験２
図２に示す本発明のシステムにおいて、非選択性気液分離膜モジュールおよびＣＯ2 選択性気液分離膜モジュールから成るガス交換装置を含む気体循環ラインを介して哺乳類飼育室と藻類培養槽を連結し、哺乳類飼育室ではマウスを飼育し、藻類培養槽および送液ライン中にはユーグレナを含めず培地のみを充填した場合
システムの閉鎖性を確認した後、実験を開始した。哺乳類飼育室の二酸化炭素濃度は、マウスが発生する二酸化炭素のため、最初の２０分間は急激に増加し、０．０４％（４００ｐｐｍ）から０．１３５％（１３５０ｐｐｍ）にまで達した（図４）。その後、ガス交換装置を介して培養液中に二酸化炭素が溶け込むため、二酸化炭素濃度の増加速度は低下したが、引き続きゆっくりとした増加をみせ、５時間後には０．２４５％（２４５０ｐｐｍ）にまで増加し、マウスの動きは停止していた。
【００３１】
実験３
図２に示す本発明のシステムをすべて稼働させた場合、すなわち、非選択性気液分離膜モジュールおよびＣＯ2 選択性気液分離膜モジュールから成るガス交換装置を含む気体循環ラインを介して哺乳類飼育室と藻類培養槽を連結し、哺乳類飼育室ではマウスを飼育し、藻類培養槽では光を照射しながらユーグレナを培養した場合
システムの閉鎖性を確認した後、実験を開始した。藻類培養槽には培地として前記のクレイマー・マイヤース培地を使用し、ユーグレナ・グラチリスＺ ATCC 12716 の濃度は７．５５×１０5 細胞／ｍｌであった。哺乳類飼育室の二酸化炭素濃度は、マウスの発生する二酸化炭素のため、０．０４％（４００ｐｐｍ）から上昇を始め、０．５時間後には０．０９％（９００ｐｐｍ）に達したが、その後低下し、２．５時間後には０．０７５％（７５０ｐｐｍ）の平衡値に達し、２４時間後まで平衡を保った（図５）。この状況で、マウスの動きは大気中のものと同様正常な行動を示した。なお、光を消すと、ユーグレナは光合成を行えないため、図４に示した場合と同様の結果となった。
【００３２】
以上の実験結果は、微小重力下での閉鎖系においてユーグレナなどの光合成藻類を用いる二酸化炭素リサイクルシステムが実質的に構築可能であることを示すものである。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の微少重力下における閉鎖系での二酸化炭素リサイクルシステムにより、宇宙空間などにおける閉鎖系で、ヒトなどの哺乳類が酸素を消費して発生する二酸化炭素を光合成藻類を用いてリサイクルし再び酸素に変えることが可能となり、ヒトなどの長期間生存のための重要な問題の一つが実質的に解消することになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の微少重力下における閉鎖系での二酸化炭素リサイクルシステムの概念図を示す。
【図２】図２は実施例１で用いた本発明のシステムのモデルの概念図を示す。
【図３】図３は、図２に示す本発明のシステムにおいて、哺乳類飼育室ではマウスを飼育し、気体循環ラインを閉鎖した場合の哺乳類飼育室における二酸化炭素濃度の変化を示すグラフである。
【図４】図４は、図２に示す本発明のシステムにおいて、非選択性気液分離膜モジュールおよびＣＯ2 選択性気液分離膜モジュールから成るガス交換装置を含む気体循環ラインを介して哺乳類飼育室と藻類培養槽を連結し、哺乳類飼育室ではマウスを飼育し、藻類培養槽および送液ライン中にはユーグレナを含めず培地のみを充填した場合の哺乳類飼育室における二酸化炭素濃度の変化を示すグラフである。
【図５】図５は、図２に示す本発明のシステムを用いた場合、すなわち、非選択性気液分離膜モジュールおよびＣＯ2 選択性気液分離膜モジュールから成るガス交換装置を介して哺乳類飼育室と藻類培養槽を連結し、哺乳類飼育室ではマウスを飼育し、藻類培養槽では光を照射しながらユーグレナを培養した場合の哺乳類飼育室における二酸化炭素濃度の変化を示すグラフである。
【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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