JP2008237067A - 藻類培養システム - Google Patents

Abstract

【課題】効率よく培養槽内に光を照射できるとともに、熱の問題を抑制でき大光量化も可能な藻類培養システム及びそれに用いられる光照射装置を提供する。
【解決手段】藻類培養システム１００において、筒部１０ａを有する藻類育成用培養槽１０と、前記筒部１０ａに外嵌する環状筐体３及びその筐体３内に内向きに配置された複数のＬＥＤを有し、前記筐体３の内周面に設けた光射出口から筒部１０ａ内に向かって光を射出する光照射装置と、を設けた藻類培養システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、培養槽内で藻類を育成するための藻類培養システム及びそれに用いられる光照射装置に関するものである。

光合成生物である藻類は、生理活性物質、有用色素など様々な有用物質の生産に広く用いられている。例えば、Ｈａｅｍａｔｏｃｏｃｃｕｓ ｓｐ．やＳｐｉｒｕｌｉｎａ ｓｐ．等の産生するカロテノイド系色素はその生理活性、安全性が優れており食品着色料、抗酸化剤、動物飼料、及び健康食品等として広い用途を持っている。その他、クロロフィルやビタミンなどの有用物質を作り出す藻類としてクロレラなども著名である。

かかる藻類の培養は、従来、太陽光下で行われていたが、近時では、藻類そのものの育成促進や制御、あるいは有用物質等の生成効率向上のために、太陽光ではなくＬＥＤや蛍光灯などの人工光源を利用して、特定の波長の光を培養槽に照射する試みも行われている（特許文献１、２）。

ところで、このような光源は、蛍光灯を並列に並べたりＬＥＤを面板状に敷き詰めるなどして構成した面発光型のものが一般的で、培養槽の上方や側方に配置される。また、特許文献３に示すように、培養槽の液中に沈めて用いるものも開発されている。
特開２００４−１４７６４１ 特開２００２−３１５５６９ 特開２００１−３５２９６８

しかしながら、前者のものでは、光源から射出された光は発散するため、そのすべてが培養槽内に照射されず、光量ロスが大きく効率的な問題がある。また後者のものでは、確かに光源から射出された全ての光が培養液に照射されるため、効率の点では問題がないが、新たに熱の問題が生じる。すなわち、光源で発生する熱のほとんどが培養液に伝達されるため、培養液の温度を制御しきれずに、藻類育成に適した温度よりも上昇してしまう恐れが生じる。特に太陽光に匹敵するかそれ以上の光量を照射しようとすると、この熱の問題は大きくクローズアップされてくる。さらに培養液中に光源を沈めるため、防水対策も必要となる。

本発明は、かかる問題を鑑みてなされたものであって、その主たる所期課題とするところは、効率よく培養槽内に光を照射できるとともに、熱の問題を抑制でき大光量化も可能な藻類培養システム及びそれに用いられる光照射装置を提供することにある。

すなわち、本発明に係る藻類培養システムは、筒部を有する藻類育成用培養槽と、前記筒部に外嵌する環状筐体及びその筐体内に内向きに配置された複数のＬＥＤを有し、前記筐体の内周面に設けた光射出口から筒部内に向かって光を射出する光照射装置と、を備えていることを特徴とする。

このようなものであれば、筒部の周囲を取り囲むようにして環状の光照射装置が配置され、その内周面から筒部内に向かって光が照射されるので、例えば筒部表面と光照射装置の内周面とを近接させておくことにより、光射出口から射出されるほとんどの光をロスなく筒部内に導入することができ、光照射効率を大きく向上させることができる。また、光照射装置で発生する熱は、その筐体から外気に伝えられるので、培養液への熱影響を可及的に減少させることができるうえ、ＬＥＤを用いていることから、光の中に遠赤外線などの熱線が含まれず、輻射熱の影響をも抑制できる。

筒部内に光を導入するには、筒部を透明壁で構成することが必要であるが、全てを透明にすると、内部に導入された光が筒部の側周面から抜けてしまい、光量ロスになる。かかる不具合を解決するには、前記筒部を内向きの光反射面で覆う一方で、その光反射面に前記光射出口から射出された光を導入するための透明窓を設けておくことが望ましい。

特にＬＥＤに超高輝度型のパワーＬＥＤ（常時約２００ｍＡ以上の電流を流すことのできるＬＥＤ）を用いれば、蛍光灯などとは異なり、太陽光の数倍の明るさで筒部内を照明することが可能になる。

効率よく光を筒部内に導入するには、筐体の内周面を筒部外周面にできるだけ近接させることが好ましいが、直接接触させてしまうと前述した熱の問題が生じ得る。これを解決するには、前記筐体と筒部との間に介在して当該筐体を筒部に固定する固定部材を設け、筐体と筒部とを直接接触させないように構成しておくことが望ましい。この場合、前記固定部材の一部又は全部に断熱性の素材を用いればなおよいし、筐体と筒部とを近接させつつその間に薄い断熱シートを挟み込むなどしてもよい。また、前記固定部材を、筒部の外周面の複数点で接触させる構成も有効である。

前記光射出口から射出される光が筒部の表面で反射されることを可及的に防止するには、その光の光軸が筒部の外周面にほぼ垂直となるように構成しておくことが好ましい。

さらに言えば、前記ＬＥＤと光射出口との間に介在し、ＬＥＤから射出された光を平行又は平行に近い光にする光学素子を設けておけばなおよい。

加えて、前記培養槽中の培養液を流動させる流動機構を有していると好ましい。本システムでは、筒部にのみ光が照射されるが、流動機構により培養液を流動させることにより、培養液内に遊動する藻類の全てに万遍なく光を照射することができる。

以上に述べたように、本発明に係る藻類培養システムによれば、培養槽に筒部を設けるとともに、光照射装置を環状にして前記筒部の外周をとり囲む構成としているので、効率よく培養槽内に光を照射できるとともに、熱問題を解決でき、ひいては大光量化も可能となる。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態にかかる藻類培養システム１００は、図１にその主要部分斜視図を、図２に分解斜視図を、図３に平面図をそれぞれ示すように、円環状をなす光照射装置１と、その光照射装置１が外嵌する筒部１０ａを一部に有した藻類育成用培養槽１０と、前記培養槽１０中の培養液ＬＱを流動させる流動機構２０と、を備えている。

まず光照射装置１から説明する。この光照射装置１は、図１〜図６に示すように、複数の光源部２と、これら光源部２を保持する円環状をなす筐体３とを備えたものである

光源部２は、図４等に示すように、ＬＥＤ２１とそのＬＥＤ２１の光照射側に配置された光学素子２２とからなるものである。ＬＥＤ２１は、連続して２００ｍＡ以上の電流を流すことのできるいわゆるパワーＬＥＤと称されるチップ型のものであり、金属製のベースブロック２１１、そのベースブロック２１１上に配置した１又は複数のＬＥＤ素子２１２及びそのＬＥＤ素子２１２を保護する半球状の透明モール２１３からなる一体製品である。光学素子２２は、基端から先端に向かって徐々に断面積の広がる概略円錐形状をなす透明中実の樹脂またはガラス製のものである。

そして、この光学素子２２の基端面に設けた嵌合凹部２２１が前記モール２１３にほぼがたなく外嵌することで、当該光学素子２２の軸線と前記ＬＥＤ２１から射出される光の光軸とが合致するように構成されている。ＬＥＤ２１から出た光は、その立体角が一定以内のものは前記嵌合凹部２２１に設けた凸レンズ部で屈折し、またそれ以外の光は光学素子２２の側周面で全反射し、それら光は光学素子２２の先端面から光軸とほぼ平行な光として射出される。

かかる光源部２は、平面状態で部分円弧形をなす帯状のフレキシブル配線基板４に搭載されている。この配線基板４には、ＬＥＤ２１の配設ピッチにあわせて複数の露出用孔４ａが貫通させてあり、各ＬＥＤ２１はその露出用孔４ａ上にその底面を露出させるようにしてそれぞれ搭載される。配線基板４とＬＥＤ２１とは直接接しておらず、配線基板４は、電気接続部材たる屈曲させた配線用金属板４１によってのみ電気的かつ機械的にＬＥＤ２１と接続されている。

筐体３は、図１〜図３に示すように、半円環状をなす一対の半割体３Ａからなり、また各半割体３Ａは、それぞれ一対の筐体要素３１、３２からなる。各筐体要素３１、３２には、図４、図５に示すように、中心軸線Ｃ方向に延びる凹凸部３１ａ、３２ａが設けてあり、互いの中心軸線を合致させながら近づけ、嵌合させることにより、半割体３Ａが形成される。また、この筐体３の内周面３ｄには、等間隔に複数（数十）の円形状の光射出口６が開口している。

一方の筐体要素３１は、筐体３の底面３ｂ及び内周面３ｄを形成するもので、前記光源部２を先端から嵌め込むための円柱状の収容凹部５が、放射状に複数設けてある。前記光射出口６は収容凹部５の底面に開口している。

ところで、前記収容凹部５の軸線Ｃ１は筐体３の中心軸線Ｃにやや斜めに交わるように構成してあり、筐体３の内周面３ｄは、前記収容凹部５の軸線Ｃ１に対して垂直に設定してある。そして、この収容凹部５に光学素子２２が、その光軸を収容凹部５の軸線Ｃ１と合致させてラジアル方向にほぼがたなく嵌合する。なお、符号Ｒは、この光学素子２２の先端周縁部と収容凹部５の底面との間に介在させた弾性体であるＯリングである。

さらにこの実施形態では、収容凹部５に嵌め込まれた光源部２を固定するための構造として、他方の筐体要素３２の外周壁を貫通する貫通孔７を収容凹部５に対応する部位に設けるとともに、この貫通孔７にめねじ部７ａを設けておき、そのめねじ部７ａに押圧部材たるおねじ部材８を外側から螺入して前記光源部２の底面を熱伝導部材９を介して押圧できるようにしている。

このように構成した光照射装置の組み立ての一例につき説明する。

まず、平面状にした配線基板４上に光源部２を複数搭載する。

その一方で、一方の筐体要素３１の収容凹部５にＯリングＲを入れておく。

次に、配線基板４に搭載された各光源部２を、順次、前記収容凹部５に、先端から、すなわち光学素子２２側から嵌め入れていく。このとき、配線基板４を筐体要素３１に沿って曲げていく。

全ての光源部２を収容凹部５に嵌め入れた後、他方の筐体要素３２を、光源部２を収容している一方の筐体要素３１に嵌め合わせる。

そして、貫通孔７に、外方から熱伝導部材９を嵌め入れ、その後に、おねじ部材８を螺入する。このことにより、おねじ部材８が熱伝導部材９を押圧し、その押圧力を受圧した熱伝導部材９が、露出用孔４ａを貫通して、その先端面をＬＥＤ２１の底面に直接密着させながらこれを押圧する。おねじ部材８の螺入深度は、熱伝導部材９に設けた段部９ｂと貫通孔７に設けた段部７ｂとが接触することで決定され、その状態で、ＯリングＲが弾性変形し、光源部２は、収容凹部５の底面とおねじ部材８との間で狭圧固定されることとなる。このとき筐体要素３１、３２にもその反力が作用してこれらががたなく固定される。

このようにして半割体３Ａをそれぞれ組みたてた後、後述する藻類育成用培養槽１０における筒部１０ａの所定部位を取り囲むようにして半割体３Ａ同士をねじ止めなど（図示していない）により接合する。

次に藻類育成用培養槽１０について説明する。

この培養槽１０は、図２等に示すようにクロレラ等の微小藻類を混入させた培養液ＬＱを収容するもので、その一部に円筒状の筒部１０ａを有する。この筒部１０ａの全領域又は前記光照射装置１が外嵌する部位を含む一定幅領域は、図５等に示すように、内向きの光反射面ＲＦを有した反射層１０ｂで覆われており、その反射層１０ｂにおける前記光射出口６に臨む部位には、光射出口６から射出された光を内部に導入するための透明窓１０ｃが設けられている。そしてこの透明窓１０ｃから内部に導入され、筒部１０ａの反対側に到達した光が、光反射面ＲＦで再び内向きに反射するように構成されている。

さらに本実施形態では、図１等に示すように、例えば光照射装置１の筐体２の複数個所（３点以上）に固設したブラケット１１１と、そのブラケット１１１にラジアル方向に螺入した止めねじ部材１１２とからなる固定部材１１を設け、止めねじ部材１１２をねじ込み、その先端で筒部１０ａの外周面の複数点を押圧することで、光照射装置１を筒部１０に固定できるように構成している。

ところで光照射装置１の内径は、筒部１０ａの外径よりもわずかに大きく設定されていて、止めねじ部材１１２の先端が光照射装置の内周面よりもさらに内方に到達するようにねじ込むことにより、筒部１０ａの外周面に光照射装置１の内周面３ｄが近接（ただし接触しない）して固定できるようにしてある。

さらにこの藻類培養システム１００は、前記培養槽１０中の培養液ＬＱを流動させる流動機構２０を備えている。この流動機構２０は、例えば磁力などによって外部から回転可能に構成した回転子２０ａを有したものである。

しかしてこのようなものであれば、筒部１０ａの周囲を取り囲むようにして環状の光照射装置１が配置され、その内周面３ｄから筒部１０ａ内に向かって光が照射されるので、光照射装置１からでたほとんどの光を無理なく筒部１０ａ内に導入することができる。また、光導入用の透明窓１０ｃを除き、前記筒部１０ａを内向きの光反射面ＲＦで覆っているので、内部に一旦導入された光は筒部１０ａの側周面からほとんど漏れることがない。この結果、非常に効率よく培養槽１０内に光を照射できるようになる。

特にこの実施形態では、各光射出口６から射出される光の光軸Ｃ１を、筒部１０ａの中心軸Ｃに対し、垂直ではなくやや傾斜させているので、あるひとつの光射出口６から出た光が、その正反対側にある光射出口６から漏れてしまうことをも防止できる。さらに、光は平行光又はそれに近く、透明窓１０ｃの表面に対して、やや傾斜しているとは言え、垂直に近い角度で入射するので、この部分での反射による光量ロスも抑制できる。

また、この構成では、筒部１０ａにのみ光が照射されるが、流動機構２０により培養液ＬＱを流動させているので、培養液ＬＱ内を遊動する藻類の全てに万遍なく光を照射することができる。

加えて、この実施形態では、ＬＥＤ２１に超高輝度型のパワーＬＥＤ（常時約２００ｍＡ以上の電流を流すことのできるＬＥＤ）を用いているので、蛍光灯などとは異なり、太陽光の数倍の明るさで筒部１０ａ内を照明することができる。

一方、熱問題に言及しておけば、光照射装置１は直接筒部１０ａに触れておらず、筒部１０ａには止めねじ部材１１２が数点で接触するだけであるため、光照射装置１で発生する熱のほとんどは筐体３から外気に伝えられ、その熱による培養液ＬＱへの影響を可及的に抑制できる。さらに、ＬＥＤ２１を用いていることから、光の中に遠赤外線などの熱線が含まれず、輻射熱の影響も抑制できる。

また、光照射装置１において配線基板４を孔空きのものとし、光源部２の本体である各ＬＥＤ２１の底面を露出させるとともに、その底面に熱伝導性の極めてよい熱伝導部材９を介して、やはり熱伝導性のよいおねじ部材８を密着させているため、これらを通じて筐体３に光源部２の熱を効率的に伝えることができる。したがって、大光量化して光源部２での発熱量が増大しても、その熱を筐体３に効率よく伝えて放熱させることができ、光源部２の温度を適正に保つことができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、筐体の内周面と筒部外周面との間に断熱シートを介在させたり、固定部材に断熱性の素材を用いたりすることで、筒部への熱影響をさらに抑制することができる。

前記光射出口から射出される光が筒部の表面で反射されることを可及的に防止することを優先する場合には、その光の光軸が筒部の外周面にほぼ垂直となるように構成してもよい。

また、培養槽として、市販されている試験管やビーカを用いることも可能である。このことから明らかなように、本発明に係る光照射装置は、実験や小規模生産などにも好適に対応できる。

さらに、ＬＥＤから射出される光が、ある程度の範囲で指向性を有しているのであれば光学素子は必ずしも必要ない。また、光射出口が前記実施形態のように間欠的に設けられている必要もなく、筐体の内周面に亘って連続的に光射出口が開口しているような構成でもかまわない。

例えば筒部が円筒状ではなく、四角柱状である場合などは、それに合わせて光照射装置を四角環状の形状にするなどしてもよい。

また、図７及び図８に示すように、複数のＬＥＤ２１から射出される各光の光軸Ｌを、側方から見て筒部１０ａの中心軸Ｃに対し所定角度傾斜させるとともに、平面方向から見て前記中心軸Ｃを通らないような角度に設定し、前記筒部１０ａの一端面１０ｄから入射した光が、筒部の内側面で複数回反射しつつ他端面１０ｅに向かってスパイラル状に進行するようにしてもよい。

その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の一実施形態にかかる藻類培養システムを示す部分斜視図。 本発明の一実施形態にかかる藻類培養システムの各構成要素を示す分解斜視図。 本発明の一実施形態にかかる藻類培養システムを示す部分平面図。 同実施形態における光照射装置の内部構造を示す斜視部分断面図。 同実施形態における藻類培養システムの内部構造を示す部分縦断面図。 同実施形態における光照射装置の分解斜視図。 本発明の他の実施形態にかかる藻類培養システムを示す模式的平面図。 同実施形態にかかる藻類培養システムを示す模式的側面図。

符号の説明

１００・・・藻類培養システム
１ ・・・光照射装置
１０ ・・・藻類育成用培養槽
１０ａ・・・筒部
１０ｃ・・・透明窓
１１ ・・・固定部材
２０ ・・・流動機構
２１ ・・・ＬＥＤ
２２ ・・・光学素子
３ ・・・筐体
３ｄ ・・・内周面
６ ・・・光射出口
ＬＱ ・・・培養液
ＲＦ ・・・光反射面
Ｃ ・・・中心軸線

Claims (9)

1. 筒部を有する藻類育成用培養槽と、
   前記筒部に外嵌する環状筐体及びその筐体内に内向きに配置された複数のＬＥＤを有し、前記筐体の内周面に設けた光射出口から筒部内に向かって光を射出する光照射装置と、を備えている藻類培養システム。
2. 前記筒部が内向きの光反射面で覆われており、その光反射面に前記光射出口から射出された光を導入するための透明窓が設けられている請求項１記載の藻類培養システム。
3. 前記筐体と筒部との間に介在して当該筐体を筒部に固定する固定部材を設け、筐体と筒部とが直接接触しないように構成している請求項１又は２記載の藻類培養システム。
4. 前記固定部材に断熱性の素材を用いている請求項３記載の藻類培養システム。
5. 前記固定部材が筒部の外周面の複数点で接触するものである請求項３又は４記載の藻類培養システム。
6. 前記光射出口から射出される光の光軸が筒部の外周面にほぼ垂直となるように構成している請求項１、２、３、４又は５記載の藻類培養システム。
7. 前記ＬＥＤと光射出口との間に介在し、ＬＥＤから射出された光を平行又は平行に近い光にする光学素子をさらに備えている請求項１、２、３、４、５又は６記載の藻類培養システム。
8. 前記培養槽中の培養液を流動させる流動機構を備えている請求項１、２、３、４、５、６又は７記載の藻類培養システム。
9. 筒部を有する藻類育成用培養槽と、その培養槽中の培養液を少なくとも筒部において流動させる流動機構と、を備えている藻類培養システムに用いられ、
   前記筒部に外嵌する環状筐体と、その筐体内に内向きに配置された複数のＬＥＤとを有し、前記筐体の内周面に設けた光射出口から筒部内に向かって光を射出するように構成された藻類育成用光照射装置。