JP2009106218A - 光合成ユニット装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】シアノバクテリアを培養する数十リットルの透明容器(金網入ガラス等)において、培養槽(セル)の構造は上部鍔付大径円筒部1aと球体形状の胴体部1b、これと小径の筒状の下部1cが中心線上に接続されている形状で、この培養セルを上中下三段構成ユニットとし、シアノバクテリアが小径の筒状部に集合濃縮したものを、可動弁4を開いて上段から中段へ中段から下段へ所定量だけ流下させ、シアノバクテリアの濃度を上げる。この最下段のセルの下端部に切換えシリンダー弁6を設け、シアノバクテリアが小径の筒状に集合濃縮したものを,メッシュのセットされたカップ7で受取り分離収穫する。
【選択図】図2
Description
特許文献1では、光分散担体が配置された上槽と光分散担体の無い下槽に隔てる貫通のスリットのある固定プレートと開閉可能な移動プレートによって藻体を分離する機構と、スパージヤで通気によって培養液を混合攪拌し、下降流によって藻体を下槽に自然沈降させ、藻体を分離することを特徴とする。
本発明は、流動培養であり、常にセル内を循環させるので、上槽・下槽の明暗部は不要である。さらには、軸流により発生する渦流(横循環流)によって流体力学的にセル中央下部に藻体を集合させる。さらに三段構成のセルは、藻体濃縮と藻体濃度の臨界を予防するため、上段・中段セルは連接ドレンによって、下段セルに流下させる。水平方向の移動プレートによる分離機構(スリット)は使用せず,下段セル下部のシリンダーに集合濃縮させ、これを切欠きプランジャーの180°回転とストローク往復によって圧送分離、収穫する。このため、スリットと液送ポンプは不要である。
特許文献2は、培養槽に内部照射の発光体を設置し、槽下部の藻体分離部が漏斗状であり、培養部の培養液攪拌と槽下の藻体分離部の藻体分離を通気ガス流量調節によりコントロールすることを特徴とする。
この場合は、対流による流動培養ができない。本発明は、球体セルにおける流動培養を行う。光合成による分裂増殖は対流(縦循環流)で、藻体の集合濃縮は渦流で行う。また、光量子は、太陽光及び人工光の外部照射で十分でありできる限り外部の、つまり太陽からのエネルギー獲得に意義がある。またガス置換翼と流動スクリューによって、確実に光合成を調速リードさせる。
特許文献3は、培養槽の溶存酸素濃度を大きくするためのディスクタービン翼を特徴とするが、本発明において、シアノバクテリアは、酸素発生型還元菌であるので、酸素の余分な供給そのものが不要である。
特許文献4は投入薬液と圧縮空気をノーズル先端から攪拌翼に投入することを特徴とするが、本発明では、無機塩類の注入は、正確な定量点滴注入法と、ガス置換のための、穴明スプーン翼と軸流スクリューによって垂直上下方向の対流を、球形体セル内で円周流動させ、この対流による流動培養に投入を行う。
特許文献5はヘッドタンクとポンプによる強制オーバーフローと密閉型水平培養槽を特徴とするが、本発明では、培養セルは球形であり、開放型である。
オーバーフローは、セルの基準水平面の維持のためのオーバーフローである。ヘッドタンクは、補充液定量点滴注入のためのタンクである。
上記記載の特許文献のみならず、光量子エネルギーの獲得と固定確率が最重要であるとした場合、本発明は、外部エネルギー(太陽光)の獲得と固定のみが、工業生産であれ消費生活であれ、エネルギーの基礎ベースとして先ず、必要であると認識し、理解して装置を開発した。
シアノバクテリアの色素多チャンネル光学系とこれに対応する合成系は、この分子軌道への転化効率が優れている。このシアノバクテリアの培養増殖を最適条件で高速分裂を高効率で維持するには、光学的、生化学的にも安定した培養セルと光量子の収率の改善と効果がもたらされる装置が、小型でコンパクトにユニット化され、平面上ばかりではなく空間的、立体的にも設置できるように、意図するべきと思われる。
なお、培養セルは、上・中・下三段構成ユニットを基本とし、上段セル数の増減は自由に選択できる。
この切り欠きプランジャー弁6b・6cは、共に連動させてシリンダーの開閉ができ、プランジャー駆動による吸引と圧送も、手動または自動制御によって運転することができる。
シアノバクテリアの光学系IIは、光照射によって水(H2O)を電気分解し酸素(以下O2とする)ガスを分離させ、細胞内から細胞外に移動させる。この間O2ガスによって浮力を発生させ水面に向かって上昇し、O2ガスの気泡を開放すると水底に沈む、スピルリナにおいては各個体によって多少異なるが、約0.02〜0.04m/sの浮沈速度で移動する。また、光照射のない場合(夜間)は代謝系の合成系と細胞分裂活動のため水底に静止する。
セル内流動培養の流動様式と流速はこの生態のリズムに順応させる。光照射による光合成では緩やかな対流によって流動(流速0.02〜0.04m/s)させ、光照射の無い水底に静止する状態の時、渦流(セル最外流速は約0.6m/s以下で行う)によって集合濃縮させる。
自動制御では、スクリュー軸はあらかじめセル軸心に対して対向角約15°(図3)の角度でモーターベースに取り付けておき、対流時(培養時)スクリュー軸捩れ角の傾きは垂直で、回転数を正回転(図3回転方向)約15rpmとし対流させ、渦流時(夜間)、スクリュー軸捩れ角の傾きは約30°でモーター取付ベースに支点を設けソレノイド30(図3)で傾きを構成させる、回転数を正回転約200rpmで渦流を発生させ培養セル全体に渦流が行き渡った時点に停止させ、待機(停止)4時間で集合濃縮させる。このインターバル駆動を3回繰り返すことによって上段より中段へ、中段より下段へ流下させる。最下段の集合分離は、一回に約50cc、光照射の無い時か、または夜間に4時間毎に一回で一日2回、シリンダーとプランジャーによって一日約100cc、メッシュカップへ移動させる。メッシュカップで固液分離されたシアノバクテリアはペースト状のものである。これをメッシュカップのまま水洗・洗浄し、水切りをしたものが生産物(ペースト状)である。
透明で球形のガラスセルであれば、全球面に光量子の入射が可能である、一部分に反射板27(鏡等)を使用することによって、この反射光の利用もできる。半球面光照射の場合、セルの光照射側(表側とする)の場所領域が、光合成炭酸同化作用(明反応)側であり、反照射側(裏側とする)の場所領域が、代謝系窒素同化(暗反応)側である。
透明球形ガラスセルの表側と裏側の場所領域区分をしておき、培養液の対流による流動によって、この表・裏の場所領域の一方向の流動移動による場所替えと、循環ができる。
また大きな対流では、縦の円周回転(公転)があり循環する。上記の自転と公転によりシアノバクテリアの光色素アンテナに、光量子獲得確率を均等に配分させて、光合成を進行させてセル内全域にシアノバクテリアの均一な濃度分布を保ち得る。
光量子は真夏で、1m2の受光面積に約380〜770nm波長(可視光)で毎秒1021個数入射している。これを効率よく受信するためのシアノバクテリアが有する光合成色素にクロロフィル(a,b,d)、カロテノイド(カロテン、キサントフィル)、フィコビリン(フィコシアニン、フィコエリスン)の波長体バンドチャンネルがあり、これらは炭素の共役二重結合となっているためπ電子雲のアンテナ指向性が生じる、シアノバクテリアの光量子収率はこのアンテナ側の受光機構と電子の存在確率に依存しているため、受光面での入射光量子の少ししか獲得できていない。この光量子収率の改善策として本発明では、流動培養の対流によるシアノバクテリア各個体の前記(0032)による自転と公転によって光量子入射光軸に対しπ電子雲アンテナの角度を回転可変させることにより光量子の入射によってπ電子雲中の電子の共鳴(電子スピン共鳴・量子収率)確率を大きくすることができる、分子軌道の遷移(分子軌道転化)確率も大きくなる。つまり、分子は基底状態から励起状態となる率が高くなり、エネルギー(ATP,NADPH)の獲得と保存も大きくなる。このエネルギーの流用と酸化によってエネルギーは常に必要に応じて供給されて、つまり、バクテリアの代謝系による多数の合成回路とヌクレオチド合成経路と、発エルゴン反応の進行がDNA自己複製プロモーターに供与されて、分裂と増殖が誘導され目的の光合成産物が増量されることになる。
太陽の光量子エネルギーのスペクトルは地球の海面で約300〜3000(nm)で水圏における微細藻類のシアノバクテリアの色素体による光学系II、Iは、吸収スペクトルが約380〜770(nm)の可視光であり、この可視光の透過が可能な材質でなければない。しかも、セル内培養液は、pH9.2〜10のアルカリ性であるので、耐薬品の物性を持つガラスが最適である。このガラスの強度の関係と培養液の流動と循環性から、セル内面は球形が適している。
培養液中のバクテリア密度と濃度が大きくなると、光量子が吸収されて、その光量子の到達深度が小さくなるので培養槽の表面から中心部までの距離寸法に制限が出てくる。よって、半径約0.2mが限界として設定した。
緯度が30度以上では、光強度は半減し、気温(室温)も変動しやすいので、セル内培養液の温度もこれに左右される。バクテリア臨界直前濃度と、光量子の到達深度0.1m〜0.15mと培養液の液温約20℃〜40℃の調整関係から容量約25L程度とした。
・三段以上では、ドレン弁の連結軸の軸心の調整が困難になる。
・三段1.8m以上では、高さ寸法が大きくなり、窓際に設置する場合、窓からの採光が悪くなる。
・三段以上では、ユニット高さ寸法が大きいと重心が高くなり不安定となる。
・三段以上では、補充液ヘッドタンクが高い位置になり、管理が難しくなる。
1a 鍔付大径円筒部
1b 球体形状胴体部
1c 小径筒状突起部
1d オーバーフロー用分岐管
1e 横リブ(透明ガラス)
1f 縦リブ(透明ガラス)
2 中段培養セル
3 下段培養セル
4 ドレン弁
5 連接棒
6 シリンダー
6a シリンダー
6b プランジャー1
6c プランジャー2
7 メッシュカップ(フィルター付きカップ)
8 オーバーフローホース
9 オーバーフロータンク
10 補充液タンク(ヘッドタンク)
11 流量調整バルブ
12 接続チューブ
13 連結管
14 ノーズル(テフロンチューブ)
15 ギヤードモーター
16 駆動シャフト
17 穴明スプーン翼
18 軸流スクリュー
19 ユニットシステム
20 バイオリアクター(酸化型)
21 温室
22 ソーラー(太陽光)発電パネルユニット
23 蛍光灯
24 フィルムヒーター
25 空調(温室制御)システム
26 ソレノイド(直動型ソレノイド)
27 反射板(鏡)
28 コントロールボックス
29 ラック
30 ソレノイド(ロータリーソレノイド)
Claims (6)
- 還元・酸素発生型微生物において、水圏で繁殖する微細藻類の内、シアノバクテリアの培養を行う、この光栄養生物(独立栄養微生物)を数十リットルの透明容器(金網入ガラス)で培養する、この場合、培養槽(セル)の構造は、培養液の液面維持オーバーフロー用分岐管付き上部鍔付き大径円筒部と球体形状の胴体部と、この底部球面に小径筒状の突起部が中心線上に接続されている形状で、主たる培養槽構造の胴体部内面が曲面を必要とする透明で球形の培養セル構造体。
- 前記請求項1の培養槽構造で、球形の培養セル構造体の曲率は流体力学の理論が応用でき、スクリューの軸流発生により、対流(縦循環流)と渦流(横循環流)を一定の時間間隔をおいて緩やかに構成させ、主に対流時に光合成反応を行わせる流動培養で、この光合成培養によって増殖したシアノバクテリアを渦流の作用によって、球体セルの底面曲率に沿って下降させ、下部中心に位置する小径筒状部へ集合濃縮させる請求項1に記載の培養セル構造体と効果。
- 前記請求項1、2の培養槽構造とその効果のものをセルの中心線上に上段・中段・下段に三段構成し、光合成によって増殖したシアノバクテリアを、渦流の作用によって各セル下部の小径筒状部へ集合濃縮させる、このシアノバクテリアを小径筒状部下端部に設けた可動弁を上段、中段同軸連結させて意図された時間間隔で同時動作させ、この弁を開き、上段より中段へ、中段より下段に所定量だけ流下させる、この様に中段、下段のシアノバクテリアの濃度を順次上げる請求項1、2に記載の構造体とその効果による光合成ユニット装置。
- 水圏における還元型微細生物のシアノバクテリア培養液中へ空気および、CO2ガスを投入し溶解作用させながら、培養液中に光合成炭酸同化作用によって発生するO2ガスを抜き取り、同時に新しい栄養液の補充は定量点滴注入法で行い、球形セル内全体のバクテリアにCO2と無機塩類をまんべんなく供給するための効果を備えた回転型気液混合、ガス置換翼と各セル所定の流動形態の形式が維持できるスクリューを、同軸上に上段は気液混合とガス置換用穴明スプーン翼と下段には下向きの軸流発生用スクリューを備えた培養セルとその装置で、回転穴明スプーン翼の中央に補充液の供給ができるように、スプーン翼の中央から上部はU字型に切欠きをして、この切欠き部に上部から差し込んである定量点滴ノーズル部は自由度のある耐薬品性チューブが、接触せずに回転運動ができる構造とし、上段・中段・下段の各セル内培養液は、軸回転手段による気液混合ガス置換翼とスクリューによって、CO2、空気、補充栄養液を混入させながら、かつ、対流と渦流を緩やかに作り、培養槽に培養液を流動することによって、光吸収と光量調整を行い無機塩類投入とガス置換及び培養液の恒温(20℃〜40℃)に保持された最適条件で最大増殖速度を維持させる請求項1、2および請求項3に記載の光合成ユニット装置。
- 前記請求項1、2、3および請求項4に記載の、この構造と効果によって光合成で分裂増殖したシアノバクテリアの濃度の臨界を前もって予防するように、この最下段のセルの小径筒状下端部に切換えプランジャー弁を設け、シリンダーを開口させて、シアノバクテリアがこれと小径の筒状部に集合濃縮したものをシリンダーに吸引、濃縮確保させ、これに弁を設け、所定の時間周期で取り出し方向に切換え開口して、プランジャー駆動力で圧送して、メッシュのセットされたカップで受取り分離収穫する、これらを装備しコンパクトにまとめて一般家庭に設置できるようにした請求項1、2、3および請求項4に記載の光合成ユニット装置。
- 前記請求項1、2、3および請求項4、5に記載の光合成ユニット装置の構造と効果による、分裂と増殖の最速・最大の生産量を実現させるためには、分裂増殖濃度の上限値である、臨界に達することを前もって予防し、常に臨界直前の最大増殖濃度値を維持する必要がある、このためには、以上上記の装置の効果によって、上段、中段、下段の最適増殖濃度値を平衡に維持させる制御機構とこのコントロール部を装備させ、コンパクトにまとめて一般家庭に設置できるようにした請求項1、2、3および請求項4、5に記載の光合成ユニット装置。
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2007
- 2007-10-31 JP JP2007283105A patent/JP2009106218A/ja active Pending
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