JP2010004868A

JP2010004868A - 水生光合成生物培養装置

Info

Publication number: JP2010004868A
Application number: JP2008203052A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yoneda; 賢治米田
Original assignee: CCS Inc
Current assignee: CCS Inc
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-08-06
Publication date: 2010-01-14

Abstract

【課題】光導出面から培養液中への光の射出の程度を制御しやすいとともに、汚れにくい導光部材を備えた水生光合成生物培養装置を提供する。
【解決手段】培養液を収容してその中で水生光合成生物を培養することが可能な培養槽と、内部に導入した光を前記培養槽内に射出する光導出面を有し、その内部に光散乱粒子が分散しているか又は前記光導出面上に微細な凹凸が形成してある導光部材と、を備えていて、前記光導出面には、光触媒作用を示す物質からなる被覆層が形成してあるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光の射出度合の制御が容易であるとともに、汚れにくい導光部材を備えた水生光合成生物培養装置に関する。

藻類等の水生光合成生物を人工的に培養する場合、水生光合成生物に光を照射することが必要であるが、水生光合成生物を培養する培養液にその外側から光を照射すると、水面で反射する割合が高いので、光の培養液中への到達効率が低い。このため、光源から発した光を、導光部材を用いて培養液中に導入するように構成した培養装置として、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。

光源から発した光をその内部に導入して光導出面から射出させる導光部材としては、ムラのない均一な光を効率的に射出するために、光の散乱・拡散手段として、導光部材の内部に光散乱粒子が含有されていたり、光導出面に微細な凹凸が設けられていたりするものが知られているが、このような導光部材を空気中で使用する場合、導光部材内部を伝播してきた光は光導出面において全反射しやすいので、光散乱粒子の含有量や、光導出面上における微細な凹凸の形成具合等によって光導出面における全反射の起こりやすさを変えることにより、光導出面からの光の射出の程度を制御することができる。

水生光合成生物はその種類により光合成に好適な照度が異なるので、水生光合成生物培養時にはその水生光合成生物にとって好適となるように光を制御することが必要であるが、このような導光部材を用いて光源から光を導入して培養液中を照射すると、水は空気より光学的に密な物質であるので、水中では空気中よりも、導光部材内部を伝播してきた光が光導出面において全反射しにくく、より漏出しやすい。このため、水中では、光散乱粒子の含有量や光導出面上における微細な凹凸の形成具合等によっては、前記光導出面における全反射の起こりやすさを充分に変えることが難しく、導光部材の光導出面からの光の射出の程度を制御することは、空気中より困難になる。

また、培養液中に浸漬した導光部材が、水生光合成生物から排出された老廃物等が付着することにより汚れると、光導出面からの光の射出効率が低下するので、光合成が不活発になり増殖速度が低下するという問題がある。
特開昭５２−１０５２７７号公報

そこで本発明は、光導出面から培養液中への光の射出の程度を制御しやすいとともに、汚れにくい導光部材を備えた水生光合成生物培養装置を提供することを所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る水生光合成生物培養装置は、培養液を収容してその中で水生光合成生物を培養することが可能な培養槽と、内部に導入した光を前記培養槽内に射出する光導出面を有し、その内部に光散乱粒子が分散しているか又は前記光導出面上に微細な凹凸が形成してある導光部材と、を備えていて、前記光導出面には、光触媒作用を示す物質からなる被覆層が形成してあることを特徴とする。

前記光触媒作用を示す物質としては特に限定されないが、なかでも、二酸化チタンが強力な光触媒作用を示すので好ましい。

前記導光部材の基体材料の屈折率ｎｂと、前記光触媒作用を示す物質の屈折率ｎｐと、水の屈折率ｎｗとは、ｎｗ＜ｎｂ＜ｎｐの関係にあり、具体的には、二酸化チタンの屈折率は約２．５〜２．７であり、水の屈折率は１．３３であり、導光部材の基体を構成するプラスチックやガラス等の透光体の屈折率は約１．５前後であるので、導光部材の光導出面に二酸化チタンがコーティングしてあると、導光部材基体内部を伝播した光は二酸化チタンからなる被覆層との界面で一部が反射し残りが屈折して前記被覆層内を進行する。前記透光体と二酸化チタンとでは二酸化チタンの方が光学的に密であるので、導光部材基体内部を伝播した光が前記被覆層との界面で全反射することはない。これに対して、二酸化チタンと水では、水の方が光学的に疎であるので、二酸化チタンからなる被覆層を伝播した光は前記被覆層と水との界面で全反射しやすい。

このような本発明に係る水生光合成生物培養装置によれば、前記導光部材の光導出面に二酸化チタン等の光触媒作用を示す物質からなる被覆層が形成してあることにより、前記光導出面からの光の漏出が防止されるので、光散乱粒子の含有量や、光導出面上における微細な凹凸の形成具合等を調整することにより、当該光導出面からの光の射出の程度を制御しやすくなる。また、前記光導出面に光触媒作用を示す物質からなる被覆層が形成してあることにより、光源から発した光が前記導光部材に導入されると当該光触媒作用を示す物質に光が当たり、超親水作用と強力な酸化還元作用とが発現して、前記導光部材に汚れが付着しにくくなるとともに、汚れが付着しても分解することができる。このため、前記導光部材の光導出面から射出される光の照度の低下を防ぐことができる。

なお、ダイヤモンドライクカーボンも二酸化チタン等の光触媒作用を示す物質と同様に屈折率が高いので、ダイヤモンドライクカーボンからなる被覆層が前記導光部材の光導出面に形成してある場合も、同様に前記光導出面からの光の漏出が防止されるので、光散乱粒子の含有量や、光導出面上における微細な凹凸の形成具合等を調整することにより、当該光導出面からの光の射出の程度を制御しやすくなる。また、ダイヤモンドライクカーボンは結晶粒がないので極めて高い平滑性を有し、このため、ダイヤモンドライクカーボンからなる被覆層が前記導光部材の光導出面に形成してあると、汚れや藻類が付着しにくい。

前記ダイヤモンドライクカーボンとしては特に限定されないが、水素を含有せず電子軌道がダイヤモンドに近いｔａ−Ｃ（ｔｅｔｒａｈｅｄｏｒａｌａｍｏｒｐｈｏｕｓｃａｒｂｏｎ）が好適に用いられる。

本発明に係る水生光合成生物培養装置は、更に、前記導光部材から培養液中に導出された光をＣＯ_２バブルにより散乱して、光ムラを解消して培養液中をより均一に照明するとともに、光触媒作用により導光部材表面から剥離しつつある汚れを、ナノピコオーダーに微細気泡化したＣＯ_２バブルが破裂することにより除去して、導光部材を清浄に保つために、前記培養槽内に微細気泡化したＣＯ_２を供給するＣＯ_２供給部を備えていることが好ましい。

また、導光部材が振動することによっても、導光部材に付着した汚れを除去することが可能である。このような導光部材が振動する水生光合成生物培養装置としては、例えば、次のような構成を有するものが挙げられる。すなわち、培養液を収容してその中で水生光合成生物を培養することが可能な培養槽と、一端にＬＥＤが設置されていて、前記ＬＥＤから内部に導入された光を前記培養槽内に射出する導光部材と、を備えていて、前記導光部材が振動するように構成してあることを特徴とする水生光合成生物培養装置も、本発明の１つである。なお、導光部材が振動するとは、導光部材に振動機構が備わっていて自ら振動する態様以外に、他の部材が振動することにより伝播してきた表面弾性波によって導光部材が振動する態様も含むものである。

例えば、前記ＬＥＤが実装された基板が振動することにより、当該基板から直接又はＬＥＤを介して表面弾性波が伝播し、培養液中に浸漬した導光部材も振動すると、導光部材に汚れがつきにくくなる。また、振動の程度によっては超音波を発生させることも可能となり、導光部材に加えて培養槽等にも汚れがつきにくくなるとともに、一旦付着した汚れも剥離しやすくなる。なお、ＬＥＤは振動に対して耐久性があるので、振動によって基板に半田付けした箇所が外れて電気的連絡が絶たれてＬＥＤが点灯しない等の不具合は起こりにくい。

しかして、本発明によれば、導光部材の光導出面を光触媒作用を示す物質によって被覆することにより、光導出面からの光の漏出を防いで光の射出の程度を制御しやすくするとともに、導光部材を汚れにくく、また、汚れが付着しても落ちやすくすることができる。

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。

本実施形態に係る水生光合成生物培養装置１は、図１に模式的に示すように、培養液を収容してその中で水生光合成生物を培養することが可能な培養槽２と、培養槽２内に光を照射する光照射部３と、培養槽２に収容された培養液中にＣＯ_２を供給するＣＯ_２供給部４と、を備えている。

培養槽２は、培養液を収容してその中で水生光合成生物を培養するためのものであり、培養液を攪拌する攪拌部２１と、培養液の温度を調節する温度調節部２２と、を備えている。

攪拌部２１は、培養槽２中の培養液を攪拌して、水生光合成生物やＣＯ_２バブル等を培養液中に均一に分散するためのものであり、駆動機構を備えた攪拌棒の先端に攪拌用フィンが設けてあり、攪拌棒が回転することにより、先端に設けられたフィンが培養液を攪拌するように構成してある。

温度調節部２２は、培養槽２中の培養液の温度を水生光合成生物の増殖に適した温度に調整するためのものであり、例えば、シートヒータ、ブロックヒータ、恒温水を循環させる装置、ペルチェ素子を用いた装置等が挙げられる。

光照射部３は、水生光合成生物の増殖に適した波長や照度を有する光を照射するためのものであり、平板状の基板３１の一方の面に多数実装されたＬＥＤ３２と、各ＬＥＤ３２が一端に埋設された導光部材３３を備えている。

基板３１には、図示しない振動機構が設けてあり、基板３１が振動することにより、基板３１から直接又はＬＥＤ３２を介して表面弾性波が導光部材３３に伝播し、導光部材３３も振動する。

導光部材３３は、一端に埋設されたＬＥＤ３２から照射された光を内部に導入して培養槽２に収容された培養液中に導出するものであり、図１及び図２に示すように、プラスチックやガラス等の透光体からなる軸直交断面円形な棒状体である基体３３１と、基体３３１表面のうち側周面と底面に形成された二酸化チタン等の光触媒作用を示す物質からなる被覆層３３２と、を備えていて、図示しない固定部材により基板３１から吊り下げ固定されている。

導光部材３３の側周面３３３及び底面３３４は、導光部材３３内部を伝播した光を培養液中に射出する光導出面として機能する。

基体３３１は、その内部に透明フィラや金属や金属酸化物等からなる光散乱粒子３３５が分散されていて、ＬＥＤ３２から導光部材３内部に導入された光は基体３３１内部で光散乱粒子３３５により拡散される。また、これにより光の密度ムラも解消される。

基体３３１の側周面及び底面は、例えば、二酸化チタン等の光触媒作用を示す物質によって被覆されており、光が漏出しにくいように構成してある。なお、基体３３１の側周面及び底面は、部分的に被覆されていてもよい。

そして、ＬＥＤ３２から発して、導光部材３３内部に導入された光は、光散乱粒子３３５により拡散されつつ光導出面３３３、３３４で反射されて、ムラなく均一な光に攪拌されながら、一部は下方に伝播していき、一部は光導出面３３３、３３４から射出される。

ＣＯ_２供給部４は、培養槽２中に収容されている培養液中にＣＯ_２を供給するためのものであり、例えば、加圧溶解による方法（加圧して気体をより多く溶解した状態からキャビテーション等を用いて微細気泡を発生させる方法）や、超音波による方法（超音波を与えることにより気泡を加振させて分裂させる方法）や、剪断による方法（激しい流れの中に気体を吹き込んで気体を引きちぎって気泡を細かくする方法）や、衝撃波による方法（ベンチェリ管による衝撃波を用いて発生させる方法）や、微細孔のある中空構造体に気体を通気させる方法等を用いて、マイクロバブル〜ナノピコバブルに微細気泡化したＣＯ_２を供給するものである。

このように微細気泡化したＣＯ_２は、通常の気泡が液中を急激に上昇し液面で破裂するのに対して、上昇速度が遅く長時間液中に留まり続け、また、気相と液相との界面で生じた界面張力により加圧されより一層小さくなる。更に、微細気泡は負に帯電しており、互いに反発するので、結合することがなく、気泡濃度が低下しない。このため、ＣＯ_２を微細気泡化して供給することにより、ＣＯ_２バブルを液中に常に高密度で分散させることができるので、光合成を促進することができる。

また、ＣＯ_２バブルが培養液中に高密度で分散していると、導光部材３から射出された光がＣＯ_２バブルにより散乱して、培養液中での光ムラが解消されて、培養液内が均一に照明される。

水生光合成生物培養装置１は、更に、流出路５、流入路６、及び、培養液タンク７、を備えている。

流出路５は、培養槽２中から培養液を流出させるためのものであり、培養槽２に設けてある流出口５１をその上流端とする。そして、充分に増殖した水生光合成生物を培養槽２から回収する場合や、培養槽２内を掃除する場合等に、流出路５から培養液を流出させる。

流入路６は、その上流に設けてある培養液タンク７から、新たな培養液を培養槽２中に供給するためのものであり、培養槽２に設けてある流入口６１をその下流端とする。

このような水生光合成生物培養装置１で培養する水生光合成生物としては特に限定されないが、例えば、クロレラ、キートセラス、ナンノクロロプシス、イソクリシス、パブロバ、テトラセルミス等の単細胞藻類や、水草等が好適である。また、水生光合成生物培養装置１を用いて、センタイ類、地衣類、バクテリア等を培養することも可能である。

このような構成を有する本実施形態によれば、導光部材３３の光導出面３３３、３３４に二酸化チタン等の光触媒作用を示す物質からなる被覆層３３２が形成してあることにより、光導出面３３３、３３４からの光の漏出が防止されるので、光散乱粒子３３５の含有量を調整することにより、光の射出の程度を制御しやすくなる。また、光導出面３３３、３３４に二酸化チタン等の光触媒作用を示す物質からなる被覆層３３２が形成してあることにより、ＬＥＤ３２から発した光が導光部材３に導入されると当該二酸化チタン等に光が当たり、超親水作用と強力な酸化還元作用とが発現して、導光部材３３に汚れが付着しにくくなるとともに、汚れが付着しても分解される。このため、導光部材３３の光導出面３３３、３３４から射出される光の照度の低下を防ぐことができる。

また、本実施形態では、基板３１が振動し、それにより発生した表面弾性波が導光部材３３に伝播するように構成してあるので、この点からも、導光部材３３に汚れがつきにくくなる。また、振動の程度によっては超音波を発生させることも可能となり、導光部材３３に加えて培養槽２等にも汚れがつきにくくなるとともに、一旦付着した汚れも剥離しやすくなる。なお、ＬＥＤ３２は振動に対して耐久性があるので、振動によって基板に半田付けした箇所が外れて電気的連絡が絶たれてＬＥＤ３２が点灯しない等の不具合は起こりにくい。

また、本実施形態では、マイクロバブル〜ナノピコバブルに微細気泡化したＣＯ_２を培養液中に供給するので、培養液中のＣＯ_２バブルの密度を常に高く維持することができ、水生光合成生物が光合成に伴いＣＯ_２を消費することにより培養液中の溶存ＣＯ_２濃度（ＣＯ_３ ^２−濃度）が低下しても、常にＣＯ_２バブルからＣＯ_２が供給されるので、溶存ＣＯ_２濃度を略飽和濃度に維持することができ、光合成を促進することが可能となる。また、光触媒作用により導光部材３３表面から剥離しつつある汚れを、ナノピコオーダーに微細気泡化したＣＯ_２バブルが破裂することにより除去して導光部材を清浄にすることも可能である。

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、導光部材３３は前記実施形態におけるものに限定されず、光散乱粒子３３５に代えて又は光散乱粒子３３５とともに、基体３３１表面に微細な凹凸が設けられていてもよい。また、透光性材料からなり内部に空間を有した有底管状のものであってもよく、その内部空間に光源が設けられていてもよく、また、内部空間には透光性の液体が充填されていてもよい。

更に、被覆層３３２は二酸化チタン等の光触媒作用を示す物質に代えてダイヤモンドライクカーボンからなるものであってもよい。

また、導光部材３の軸直交断面形状は円形に限定されず、多様な形状を選択することができ、例えば、導光部材３が軸直交断面矩形の板状体であってもよい。また、導光部材３の設置本数も特に限定されず、適宜必要に応じて選択することができる。

更に、振動機構が設けてあるのは基板３１に限定されず、導光部材３３に直接振動子が備わっていても良く、又は、基板３１から延伸された振動部が培養液に浸漬してあったり、攪拌部２１、培養槽２、温度調節部２２等に振動子が設けてあってもよい。

ＬＥＤ３２は導光部材３３の一端に設けてあればよく、埋設されていなくてもよい。

攪拌部２１は振盪器、マグネット攪拌器等であってもよい。

培養槽２は、培養槽２の外部に設けた人工光源からの光や太陽光を、導光部材３を介して栽培槽２内に導入するように構成してあってもよい。

ＣＯ_２供給部４は、マイクロバブル〜ナノピコバブル化したＣＯ_２を供給するものでなくともよく、通常のサイズの気泡としてＣＯ_２を供給するものであってもよい。

導光部材３３の光導出面３３３、３３４には二酸化チタン等の光触媒作用を示す物質からなる被覆層３３２が形成してあるので、導光部材３３は汚れにくいものであるが、汚れが落ちにくい場合や、培養槽２内面等が汚れた場合は、培養槽２から培養液を除去してから、ナノピコバブルのオゾン水で洗浄して、汚れの除去と、滅菌とを同時に行なってもよい。

ナノピコバブルのオゾン水は、１〜１０ｎｍ以下の粒径のオゾン気泡が水中に大量に分布しているものである。従来のマイクロ〜ナノバブルと呼ばれる細かな気泡は、水中に分散すると白濁して見える程度のもので、浮力により脱気し、マイクロ〜ナノバブル水を散水した場合にも容易に脱気するのに対して、ナノピコバブルは、浮力の影響を受けないといわれる５００ｎｍよりはるかに粒径が小さい気泡であり、ナノピコバブルのオゾン水を散水しても極めて僅かしか脱気しない。

また、ナノピコバブルのオゾン水は、細菌やウィルスといった数１０ｎｍの極小の病原体も破壊可能であるとともに、動物に対しては無害で安全である。

そして、ナノピコバブルのオゾン水によれば、超微細の気泡を無限に溶存させることができるので、病原体や洗浄面に酸化効果の高いオゾンの気泡が接触する頻度が飛躍的に高まる。

また、水生光合成生物の培養中であっても、培養液中にオゾンのナノピコバブルを供給して、培養槽２内面等の汚れの除去と、滅菌とを同時に行なってもよい。なお、オゾンのナノピコバブルは水生光合成生物よりはるかに微小であるので、破裂しても水生光合成生物には殆ど影響しない。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてもよく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明の一実施形態に係る水生光合成生物培養装置を示す模式的構成図。前記実施形態における導光部材の軸直交断面図。

符号の説明

１・・・水生光合成生物培養装置
２・・・培養槽
３・・・導光部材
３１・・・光導出面
３２・・・光導入面
３４・・・光触媒作用を示す物質からなる被覆層
４・・・ＣＯ_２供給部

Claims

培養液を収容してその中で水生光合成生物を培養することが可能な培養槽と、
内部に導入した光を前記培養槽内に射出する光導出面を有し、その内部に光散乱粒子が分散している導光部材と、を備えていて、
前記光導出面には、光触媒作用を示す物質からなる被覆層が形成してあることを特徴とする水生光合成生物培養装置。
培養液を収容してその中で水生光合成生物を培養することが可能な培養槽と、
内部に導入した光を前記培養槽内に射出する光導出面を有し、前記光導出面上に微細な凹凸が形成してある導光部材と、を備えていて、
前記光導出面には、光触媒作用を示す物質からなる被覆層が形成してあることを特徴とする水生光合成生物培養装置。
前記導光部材の基体材料の屈折率ｎｂと、前記光触媒作用を示す物質の屈折率ｎｐと、水の屈折率ｎｗとは、ｎｗ＜ｎｂ＜ｎｐの関係にある請求項１又は２記載の水生光合成生物培養装置。
前記光触媒作用を示す物質は、二酸化チタンである請求項１、２又は３記載の水生光合成生物培養装置。
前記培養槽内に微細気泡化したＣＯ_２を供給するＣＯ_２供給部を備えている請求項１、２、３又は４記載の水生光合成生物培養装置。
培養液を収容してその中で水生光合成生物を培養することが可能な培養槽と、
一端にＬＥＤが設置されていて、前記ＬＥＤから内部に導入された光を前記培養槽内に射出する導光部材と、を備えていて、
前記導光部材が振動するように構成してあることを特徴とする水生光合成生物培養装置。
培養液を収容してその中で水生光合成生物を培養することが可能な培養槽と、
内部に導入した光を前記培養槽内に射出する光導出面を有する導光部材と、を備えていて、
前記光導出面には、ダイヤモンドライクカーボンからなる被覆層が形成してあることを特徴とする水生光合成生物培養装置。