JP2007043909A

JP2007043909A - 培養装置

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Publication number: JP2007043909A
Application number: JP2005228695A
Authority: JP
Inventors: Fujihiko Tomita; 冨士彦冨田; Masatoshi Iida; 正敏飯田
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2005-08-05
Publication date: 2007-02-22

Abstract

【課題】培養特性に優れた扁平型培養装置を提供すること。
【解決手段】一対の板材を所定の間隔で対向させてなる箱体を備えた扁平型培養装置であって、該板材が外側に張り出したたわみを有する培養装置を提供する。このたわみが以下の式：
【数１】
を満たすことが好ましい。この式において、Ｈは、培養装置の高さを表し、Ｄは、該培養装置の上端の中央部と下端の中央部とを結ぶ垂線の下からＨ／３の距離にある点Ｐと、該板材の内表面における、該培養装置の下からＨ／３の高さに対応する水平面と該板材の上端の中央部と下端の中央部とを結ぶ線との交点Ｑとの距離を示す。
【選択図】図２

Description

本発明は、扁平型培養装置に関する。さらに詳しくは、光合成微生物、光合成藻類などの光合成を行う生物の培養に適した培養装置に関する。

微生物または藻類を培養するために、様々な培養装置が提供されている。これらの中でも、光合成微生物または光合成藻類の培養においては、光の照射が必要であるため、装置の材料として光透過性材料を使用し、さらに、光が効率よく利用され得るように、種々検討が行われている。培養装置としては、ドーム型（特許文献１）、二重円筒型（特許文献２）、楕円型（特許文献３）、扁平型（特許文献４〜６）などの培養装置が開発されている。

一般に、培養装置内を定期的に洗浄し、付着物を除く必要がある。特許文献１に開示されるドーム型の培養装置は、構造が複雑であるため、清掃のしやすさという点で問題がある。特許文献２に開示されている二重円筒型の培養装置は、二重円筒を横置きにすることにより、培養液中に旋回流を生じさせ得るため、培養槽内の藻類などの光合成生物が効率よく攪拌され、内側および外側から光照射をすることができる点で優れている。しかし、清掃のしやすさという点で問題がある。

特許文献３には、２枚のポリエチレン板を向かい合わせて溶接にて貼り合わせることにより、断面が楕円状のセルを形成し、垂直支持手段にこのセルを複数個懸吊した培養装置が記載されている。各セルは、水平断面の周囲長が５ｃｍ〜１００ｃｍが好ましいと記載されており、そのため、この装置は比較的小さなセルの連結体であり、培養効率が悪く、清掃がしにくいなどの問題がある。

特許文献４には、扁平型の培養装置が開示されている。この培養装置は、光透過性材料からなる一対の板材を２ｃｍ以下の間隔で対向させて構成した箱体を培養槽として使用し、培養槽の下部から二酸化炭素を供給して、攪拌効果をもたらす構造である。さらに、構造強度の向上と攪拌効率向上を目的として邪魔板が槽内に設けられている。そのため、一対の板材の平行性は保たれるものの、清掃しにくいという問題がある。また、特許文献５に開示される培養装置は、一対の透明板から構成されるリアクタモジュールを平行状態で離間させて複数立設し、かつ各リアクタモジュールの下部を枠状の支持体で補強して、透明板を平行に保つように構成されている。しかし、この培養装置では、両端に配置されたリアクタモジュール以外へは光が十分に到達せず、清掃のしやすさにも問題がある。特許文献６に開示される培養装置は、透明材料からなる一対の板材からなる支持体を枠体で保持し、この支持体に透明な容器（袋）を挿入することにより、清掃のしにくさの問題を解決している。
国際公開第９９／５０３８４号パンフレット国際公開第２００２／９９０３１号パンフレット特開平６−２０９７５７号公報特開平１０−１５０９７４号公報特開２０００−１３９４４４号公報国際公開第２００５／２１７０３号パンフレット

本発明は、さらに効率よく微生物、藻類などを培養するための、扁平型培養装置を提供することを目的とする。

本発明は、一対の板材を所定の間隔で対向させてなる箱体を備えた扁平型培養装置であって、該一対の板材がそれぞれ外側に張り出したたわみを有する、培養装置を提供する。

１つの実施態様では、上記たわみは、以下の式：

を満たす。ここで、Ｈは、培養装置の高さを表し、そしてＤは、該培養装置の上端の中央部と下端の中央部とを結ぶ垂線の下からＨ／３の距離にある点Ｐと、該板材の内表面における該培養装置の下からＨ／３の高さに対応する水平面と該板材の上端の中央部と下端の中央部とを結ぶ線との交点Ｑとの距離を示す。

別の実施態様では、上記箱体内部に可撓性の容器が装着されており、一つの例ではこの容器は光透過性材料から構成されている。

他の実施態様では、上記板材が光透過性材料であり、一つの例では、この材料はガラスである。

１つの実施態様では、上記一対の板材は光透過性材料を含み、そして該一対の板材の外側から人工光を照射するための光源を備える。

さらなる実施態様では、上記箱体および／または上記容器の下方に、気体供給手段を備える。

本発明はまた、微生物または藻類の培養方法を提供し、該方法は、上記の培養装置を用いて、箱体内部の培養液中で微生物または藻類を培養する工程を含む。

この方法の１つの実施態様では、上記微生物または藻類は光合成微生物または光合成藻類であり、上記板材は光透過性材料からなり、そして上記箱体内部に光透過性材料からなる容器が装着されている。

本発明によれば、箱体を構成する板材（平板）の一対にそれぞれ外側に張り出したたわみをもたせることにより、板材の内部の培養液中にゲルトラー渦を発生させることができる。このゲルトラー渦は、上下方向への培養液の流れとほぼ垂直の方向（水平方向）に発生するので、培養液は、水平方向に渦巻きながら上下方向に移動する。したがって、攪拌効率を向上させ、壁面への生物の付着も防止できる。ゲルトラー渦は、上記のようにほぼ水平方向に渦を巻くため、渦の外側と内側では光の照度が異なる。そこで、特に、箱体を構成する板材として光透過性材料を用い、箱体の内部に光透過性の可撓性の容器（袋）を装着して光合成生物を培養する場合、光合成の明反応・暗反応サイクル効果（またはフラッシングライト効果）により光合成の効率が高められ、そして透光量の低下を防止する効果を奏し、袋を取り替えることにより、装置の清掃が不要となる。さらに、板材に培養液を直接接触させる場合にも、ゲルトラー渦により装置の清掃が不要となり、培養装置の維持が簡単となるという効果も奏する。

本発明の培養装置は、一対の板材を所定の間隔で対向させてなる箱体を備えた扁平型培養装置であって、一対の板材がそれぞれ外側に張り出したたわみを有するように構成されている。このような、張り出したたわみ部分を有することにより、扁平型培養装置における微生物または藻類などの生物の培養に際して、上下方向への培養液の流れに対してゲルトラー渦を生じさせることができる。

たわみの大きさ、位置などの特に制限はないが、ゲルトラー渦の発生および攪拌効率並びに箱体の強度を考慮すると、板材の四辺を固定することが必要であるため、たわみの最も大きい部分は、板材の中央部でかつ下部付近にあることが好ましい。

たわみの程度（最大たわみ）は、ゲルトラー渦を発生させるという観点からは、以下の式：

を満たすようにすることが好ましい。ここで、Ｈは培養装置の高さを表し、Ｄは、該培養装置の上端の中央部と下端の中央部とを結ぶ垂線の下からＨ／３の距離にある点Ｐと、該板材の内表面における、該培養装置の下からＨ／３の高さに対応する面と該板材の上端の中央部と下端の中央部とを結ぶ線との交点Ｑとの距離を示す。

以下、この式を、図１を参照して説明する。図１ａは、一対の板材を対向して配置し、この一対の板材の四辺を、例えば、特許文献６に記載のような外枠で固定して箱体とする培養装置において、一方の板材１を内表面側から見た正面図である。図１ｂは、この板材１の上端中央部Ａ−下端中央部Ｂの断面図である。高さＨは、培養液が満たされている部分の上端中央部Ａと下端中央部Ｂとの間の距離ＡＢ（垂線）であり、板材自体の長さではない。そして、たわみは、この高さの下から約１／３の高さのところで最大たわみとなるように構成することが、ゲルトラー渦の発生および攪拌効率の点から好ましい。そのため、この垂線の高さＨの約１／３に相当する点をＰとし、他方、たわみを有する板材１の内表面について、上端中央部Ａと下端中央部Ｂとを結ぶ線分ＡＢと、垂線の高さＨの約１／３に相当する水平面との交点をＱとする。そして、Ｄは点Ｐと点Ｑとの距離を示す。

このＤ／Ｈは、上記範囲、すなわち、０．００５より大きく、０．０２より小さいことが好ましい。より好ましくは、０．００８〜０．０１５の範囲である。

図２に、本発明の装置の一例を用いて培養する場合の培養槽の状態を模式的に示す。この装置では、一対の板材が対向して配置され、一対の板材はそれぞれ外側に張り出している。培養槽の底部には、二酸化炭素を供給するための手段（例えば、パイプ）が設けられている。この板材の内表面のたわみ部分は所定の曲率を有する凹面であり、この凹面の曲率に平行な流れがあると、流れに対して垂直な回転渦、すなわちゲルトラー渦が発生する。このゲルトラー渦は、培養液の流れの軸に対して垂直の方向に発生するので、培養液が凹面に沿って移動する場合、凹面に垂直方向の渦を有するゲルトラー渦が発生し、渦巻きながら移動する。したがって、攪拌効率が向上し、例えば、壁面内側に袋を使用する場合には袋への生物の付着も防止することができる。

ところで、一般に、光合成においては、連続光照射よりも、明状態と暗状態を繰り返す明反応・暗反応サイクルでの照射を行うほうが、光合成効率がよいとされている。例えば、光合成生物を培養するために本発明の培養装置で連続光照射を行う場合は、箱体を構成する板材として光透過性材料を用い、この箱体の内部に光透過性の可撓性の容器（袋）を装着する。この場合、容器（袋）内の培養液はたわみ部分の凹面の曲率に沿って移動し、ゲルトラー渦は、凹面に対して垂直方向に発生するため、ゲルトラー渦の外側（内表面側）と内側とでは、光の強度が異なり、一種の光合成の明反応・暗反応サイクル効果（またはフラッシングライト効果）により光合成の効率が高められる。

本発明の培養装置に用いられる箱体を構成する板材は、特に制限がない。板材の種類に応じ、そして、最大たわみを考慮して、調整すればよい。予めたわみをつけた板材を組み合わせてもよく、培養液を入れたときに、上記範囲内のたわみとなるように板材の厚み、強度などを設計した板材を用いてもよい。あるいは、箱体を支持するための枠体を、たわみを生じさせるべき位置に配置してもよい。

光合成微生物または光合成藻類を培養する場合には、光透過性材料を用いることが好ましい。このような板材として、ガラス、強化ガラス、アクリル板、ポリカーボネートなどが挙げられる。耐久性、取り扱いなどを考慮すると強化ガラスが好ましく用いられる。

また、板材の大きさおよび厚みに特に制限はなく、材料の強度を考慮して適宜決定すればよい。板材の幅は１０００ｍｍ〜１５００ｍｍ程度が好ましく、そして高さは１２００ｍｍ〜２０００ｍｍ程度が好ましい。板材の厚みは、ガラスの場合は３ｍｍ〜２０ｍｍ程度、および樹脂の場合は２０ｍｍ〜５０ｍｍが好ましい。板材を対向させる間隔は、１５ｍｍ〜６０ｍｍ程度が好ましい。しかし、板材のサイズについては、これらに制限されない。

本発明の培養装置に用いられる箱体は、必要に応じて、例えば、特許文献６に記載されているように、複数個を枠体に固定して使用される。光合成微生物または光合成藻類を培養する場合、板材の張り出したたわみ部を有する面に光が照射されるように設置される。特に、人工光（例えば蛍光灯）を用いる場合、自然光を用いる場合よりも省スペース化が可能となる。また、光量の調節が可能となり、さらに、自然光の高照度による、いわゆる板材の光焼けが防止される。

この箱体は、そのまま、培養槽として用いられるが、箱体内部に可撓性の容器を装着してもよい。このような容器（例えば、袋）に培養液を入れて培養し、培養後、袋を取り出して廃棄することにより、培養後の箱体自体の洗浄が不要となる。この場合、箱体および／または容器は、気体供給手段を備えるように構成される。

光合成微生物または光合成藻類を培養する場合、箱体内部に装着される可撓性の容器は、光透過性材料で形成されていることが好ましい。このような光透過性材料としては、透明なポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、塩化ビニルなどの樹脂材料が好ましい。

独立栄養性の光合成微生物または光合成藻類を培養する場合、光透過性の容器は、二酸化炭素を通気できるようなコネクションを有するように構成されていることが好ましい。

（実施例１）
幅１２５０ｍｍ、高さ１６００ｍｍ、厚さ６ｍｍの一対の強化ガラスを、４５ｍｍの間隔をあけて対向させ、両側面はおよび下辺は枠体に固定し、上辺は同間隔で、枠体で押さえるように構成した。この箱体内部にポリエチレンの透明な袋を挿入し、袋の下部から二酸化炭素を導入するように構成した。袋に培養液を入れると、ガラス板にたわみが生じた。この状態で箱体の高さ（上記式のＨ）を測定したところ１５００ｍｍであった。その１／３の高さにおける上記Ｄの値は２１ｍｍであった。したがって、Ｄ／Ｈは０．０１４であった。この装置は、図２に模式的に示すような形状であった。

この状態で箱体の上辺を固定した。培地に０．７ｇ／Ｌとなるように、光合成緑藻であるヘマトコッカス・プルビアリスを接種し、３％の二酸化炭素を０．５ｖｖｍで吹き込みながら、５００時間培養した。この間、箱体を構成する強化ガラスの両外面から約９００μＥ／ｍ^２ｓの人工光で照射した。５００時間経過後の藻体量は２．９ｇ／Ｌであった。

（比較例１）
強化ガラスの厚みを厚くして、たわみが生じない培養装置（図３参照）を用いて、人工光の照射光を実施例１と同様に調整したこと以外は、実施例１と同様にして、ヘマトコッカス・プルビアリスを培養した。５００時間経過後の藻体量は２．４ｇ／Ｌであった。

上記の実施例１および比較例１の結果を比較すると、一対の板材を所定の間隔で対向させてなる箱体のそれぞれの板材に外側に張り出したたわみを持たせることにより、培養効率が上がっていた（実施例１）。

本発明の培養装置は、扁平型培養装置における培養効率を向上させることができるので、微生物、藻類などの培養の分野で利用される。特に、光合成微生物、光合成藻類などの光合成生物の培養の分野に有用である。

本発明の培養装置に用いる板材におけるたわみを説明するための、装置内部からの板材の正面図（ａ）および断面図（ｂ）である。本発明の培養装置の一例において培養を行う場合の培養槽の模式縦断面図である。たわみを生じない板材を用いた培養装置において培養を行う場合の培養槽の模式縦断面図である。

Claims

一対の板材を所定の間隔で対向させてなる箱体を備えた扁平型培養装置であって、該一対の板材がそれぞれ外側に張り出したたわみを有する、培養装置。
前記たわみが、以下の式：

を満たし、ここで、Ｈが、培養装置の高さを表し、そしてＤが、該培養装置の上端の中央部と下端の中央部とを結ぶ垂線の下からＨ／３の距離にある点Ｐと、該板材の内表面における該培養装置の下からＨ／３の高さに対応する水平面と該板材の上端の中央部と下端の中央部とを結ぶ線との交点Ｑとの距離を示す、請求項１に記載の培養装置。
さらに、前記箱体内部に可撓性の容器が装着されている、請求項１または２に記載の培養装置。
前記板材が光透過性材料からなる、請求項１から３のいずれかの項に記載の培養装置。
前記光透過性材料がガラスである、請求項４に記載の培養装置。
前記容器が光透過性材料からなる、請求項３から５のいずれかの項に記載の培養装置。
前記一対の板材が光透過性材料を含み、そして該一対の板材の外側から人工光を照射するための光源を備える、請求項４から６のいずれかの項に記載の培養装置。
前記箱体および／または前記容器の下方に、気体供給手段を備える、請求項１から７のいずれかの項に記載の培養装置。
微生物または藻類の培養方法であって、一対の板材を所定の間隔で対向させてなる箱体を備えた扁平型培養装置において、該箱体内部の培養液中で微生物または藻類を培養する工程を含み、該一対の板材がそれぞれ外側に張り出したたわみを有する、方法。
前記微生物または藻類が光合成微生物または光合成藻類であり、前記板材が光透過性材料からなり、そして前記箱体内部に光透過性材料からなる容器が装着されている、請求項９に記載の方法。
前記たわみが、以下の式：

を満たし、ここで、Ｈが、培養装置の高さを表し、そしてＤが、該培養装置の上端の中央部と下端の中央部とを結ぶ垂線の下からＨ／３の距離にある点Ｐと、該板材の内表面における該培養装置の下からＨ／３の高さに対応する水平面と該板材の上端の中央部と下端の中央部とを結ぶ線との交点Ｑとの距離を示す、請求項９または１０に記載の方法。