JP2013153744A - 微生物培養システム及び微生物の培養方法 - Google Patents

Abstract

【課題】培養液を自然流下させた担体表面で微細藻類等の微生物を継続して増殖させ、かつ、自然流下した培養液中から連続的に微生物を回収することができる微生物の培養システム及び培養方法を提供する。
【解決手段】気相中に配置して微生物を付着させる担体と、前記担体から流出した微生物を含む培養液を貯留する流出液タンクと、前記担体の上から連続的に培養液を供給する培養液供給部と、を備えているようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、微細藻類等の光合成微生物をはじめとする微生物の培養システム及び培養方法に関する。

淡水性の単細胞緑藻類であるクロレラは、従来から、健康食品や、養殖に利用されるワムシの餌等としても用いられているが、更に、今日では、化石燃料に代わるカーボンニュートラルな資源としても期待されている。また、食用油等の食品への利用も考えられる。

クロレラをはじめとする微細藻類を燃料や工業原料更には食用として用いるためには、できるだけ低いコストで生産量を向上することが必要である。

しかし、水中で微細藻類を大量培養する場合、大規模なプールやタンクを必要とする。このため、用地の取得、設備の大規模化による費用増大等の問題点がある。

特開平６−２３３８９号公報 特開平１０−３１４５４６号公報

一方、土地を有効活用して簡易な設備で単位面積当たりの生産量の向上を図るために、固相膜を用いて大気中で微細藻類を培養することが検討されている（特許文献１及び２）。しかし、特許文献１及び２に記載された培養方法では、培養液は間欠的に与えられるため、水及び栄養塩の供給が不充分であり、高い生産量を持続することはできない。

本発明はかかる問題点に鑑みなされたものであって、培養液を自然流下させた担体表面で微細藻類等の微生物を継続して増殖させ、かつ、自然流下した培養液中から連続的に微生物を回収することができる微生物の培養システム及び培養方法を提供することをその主たる所期課題としたものである。

すなわち本発明に係る微生物培養システムは、気相中に配置して微生物を付着させる担体と、前記担体から流出した微生物を含む培養液を貯留する流出液タンクと、前記担体の上から連続的に培養液を供給する培養液供給部と、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、担体表面からはがれて流出した微生物を培養液とともに自然流下させることができるので、微生物を増殖と同時に収穫し、微生物を担体から掻き取る作業によらずとも、又は、当該作業を単に補助的に行うだけで、培養を継続しつつ並行して増殖した微生物を回収することができる連続培養系を構築することができる。

本発明に係る微生物培養システムを用いて連続培養を行うためには、前記流出液タンクに貯留された微生物を含む培養液から少なくとも一部の微生物が取り除かれた培養液を前記担体上から供給する流路を備えていることが好ましい。このように微生物を回収した後の培養液を再利用することにより、コストを抑えて微生物を培養することができる。また、一度使用した培養液を再利用することにより、培養液の組成の変化をもとに栄養塩の一部を供給することができ、また、高濃度の栄養塩を好まない場合の微生物への負担を低減させることも可能である。

前記担体は円筒状であるのが好ましい。前記担体が円筒状であると、床面積当たりの培養面積をより多く確保することができるとともに、担体同士が接触しにくいので、好ましい。

前記微生物が、微細藻類等の光合成微生物である場合は、本発明に係る微生物培養システムは、前記担体に光を照射する光照射部を備えていることが好ましい。

培養液を自然流下させた担体表面で微細藻類等の微生物を継続して増殖させ、かつ、自然流下した培養液中から連続的に微生物を回収することを実現するために、本発明者が鋭意検討を続けたところ、本発明に係る微生物培養システムを用いて微生物を培養する場合、５ｍＬ／ｈ／ｍ^２以上の流速で培養液が流れるようにすることが必要であることを見出した。

このような本発明に係る微生物培養システムを用いて微生物を培養する方法もまた、本発明の１つである。すなわち本発明に係る微生物の培養方法は、微生物を付着させた担体を気相中に配置して、当該微生物を培養する方法であって、前記担体表面を、５ｍＬ／ｈ／ｍ^２以上の流速で培養液が流れるように、前記担体の上から連続的に前記培養液を供給することを特徴とする。

藻類等の微生物の安定した細胞増殖を維持し、ガス（ＣＯ_２）交換をしやすくするために必要な最小限の水分及び／又は養分を与えるためには、５ｍＬ／ｈ／ｍ^２以上の流速で培養液を流すことが必要である。このため、培養液の流速が５ｍＬ／ｈ／ｍ^２に至るまでは、流速の増加に伴い微生物の流出量も上昇するが、５ｍＬ／ｈ／ｍ^２以上では流出量の伸びは鈍化する。好ましくは１０ｍＬ／ｈ／ｍ^２以上である。なお、培養液の流速は、担体表面上の任意の箇所において測定した値である。

一方、流速が大きすぎると、（１）藻類等の微生物が固相に固着しづらくなり、増殖率が低下する、（２）養液相が厚くなり、ガス（ＣＯ_２）交換がしづらくなる、（３）物理的刺激により藻類等の微生物にストレスがかかる、といった問題が生じる。このため、流速の上限は、好ましくは１２００ｍＬ／ｈ／ｍ^２であり、より好ましくは５００ｍＬ／ｈ／ｍ^２であり、更に好ましくは１００ｍＬ／ｈ／ｍ^２である。

本発明に係る培養方法を連続的に行うためには、培養液とともに流下した微生物を、当該培養液中から回収し、回収後の培養液を再び微生物が付着した担体の上から供給することが好ましい。このように微生物を回収した後の培養液を再利用することにより、コストを抑えて微生物を培養することができる。また、一度使用した培養液を再利用することにより、培養液の組成の変化を緩和して、微生物への負担を低減させる効果もある。

前記微生物が、微細藻類等の光合成微生物である場合は、光を照射しながら前記微生物を培養することが好ましい。

本発明者らの検討結果から、クロレラ等の微細藻類は赤色光のみを照射した場合であっても良好に増殖することが判明した。このため、前記光は、赤色光であってもよい。

このような構成の本発明によれば、高い増殖速度を維持しつつ増殖した微生物を培養液とともに自然流下させることができるので、微生物を収穫する際に、微生物を担体から掻き取る作業が必須ではなくなる。このため、培養を継続しつつ増殖した微生物を回収することができる連続培養系を構築することができる。この結果、単位施設面積当たりの生産性を向上することができる。

また、本発明によれば、例えば１ｍの高さの担体に人工光を照射して微細藻類を培養することにより、実質床面積当たり２００ｇＤＷ／ｍ^２／ｄ又はそれ以上の細胞増殖速度を確保することが可能である。この値から本培養システムの原理を用いることにより、高さ１０ｍで同じ効率の装置が可能となれば、２ｋｇＤＷ／ｍ^２／ｄ以上の装置となり、床面積１ｈａの装置を備えた施設を１０００箇所建設できれば、クロレラの乾燥重量として年間７３０万ｔ以上の生産が可能となる。これに対して、日本のエチレン生産量は２０１０年において７０２万ｔである。従って、日本における工業原料として用いるに足る量の微細藻類を国内で生産することが可能となる。

また、本発明は、培養容器内に液体を満たさない培養システムであることから、以下の利点が挙げられる。

（１）培養容器からの水漏れの問題がなく、また水圧も問題とならないため、極めて安価でしかも１０ｍ又はそれ以上の高い装置の製作が可能である。
（２）通気するＣＯ_２混合空気は水中を通らないため、常圧で通気可能である。
（３）容器の大型化、又は薄型化に伴う培養液の撹拌の課題がなく、受光の課題を解決しやすい。
（４）培養液は、流出液タンク内と担体表面上分だけあればよいので、水槽を用いる液体培養より少ない培養液の量で培養を行うことができる。すなわち、水の使用量を最小限に抑えることが可能である。
（５）液体培養ではコンタミネーションが生じるとすぐに培養液全体へ広がるのに対し、固相培地を用いた本培養システムでは、広がりが遅く、コンタミネーションに対して比較的強い。すなわち、長期間の連続培養が容易である。
（６）培養液を常時流す培養形式であることから、必要に応じて培養液を別の培養液に交換（即ち培養液の組成の変更）し、目的の物質を多く生産する条件に変更することが容易に行える。
（７）培養液の担体への供給は、担体表面の自然落下速度であるため、培養液を担体の上方へ持ち上げる速度は充分低く抑えられる。このため、消費電力が抑えられる。
（８）連続培養による回収であることと、担体表面からの強制離脱を随時行うことにより、濃縮状態で微細藻類を回収することが可能である。そのため、微細藻類の回収が比較的安価に行うことができる。

本発明の一実施形態に係る培養装置の全体構成図。 同実施形態における固相膜の斜視図。 同実施形態に係る培養装置の部分平面図。 実施例で用いられた培養装置の全体構成図。 他の実施形態に係る培養装置の全体構成図。 試験２の結果を示すグラフ。

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。

本実施形態に係る培養装置１は、図１に模式的に示すように、気相中で微細藻類を培養するための培養装置であって、垂直に配置された固相膜２（本発明における担体に相当）と、固相膜２の間に配置された光照射部３と、固相膜２から流出した微細藻類を含む培養液を貯留する流出液タンク４と、流出液タンク４に貯留された培養液から分離された微細藻類を収容する収穫容器５と、流出液タンク４に貯留された培養液から分離された培養液を循環させる循環流路６と、新たな培養液を補給する培養液タンク７と、を備えている。

以下に各部を詳述する。
固相膜２は、微細藻類が付着できるとともに、上から供給された培養液を内部に浸透させつつ流下させることが可能なものであれば特に限定されず、例えば、綿ブロード、リント布等からなる薄膜や、多孔質状の薄板等の内部に空隙を有する部材からなるものが挙げられる。固相膜２は、図２に示すように、（ａ）平板状のものであってもよく、（ｂ）円筒状のものであってもよい。固相膜２が円筒状のものである場合は、床面積当たりの培養面積をより多く確保することができるとともに、固相膜２同士が接触しにくい。

光照射部３は、固相膜２に側方から光を照射するものであり、例えば、光源として板状をなす有機ＥＬや、蛍光灯やＬＥＤ等を備えており、適宜、増殖に適した波長や光量を有する光を照射するように構成してある。光照射部３は、３８０〜７８０ｎｍの波長の光を照射するものであればよいが、赤色光のみで増殖できる微細藻類の場合は、光合成に適した赤色光を照射するものであることが好ましい。なお、本発明者が検討した結果、クロレラ等の微細藻類は赤色光のみで良好に増殖することが確認された。また、照射は連続照射とは限らず、暗期を置く場合も可能で、１００〜１０，０００Ｈｚの間欠照射光を用いることもできる。更に、培養装置１を屋外に設置し、太陽光を利用することも可能である。

固相膜２が円筒状のものである場合、図３に示すように、固相膜２にまんべんなく光が照射されるように、固相膜２の間に更に棒状の光照射部３を配置してもよい。

流出液タンク４は、固相膜２から流出した微細藻類を含む培養液を貯留するためのものであり、上端が開口した容器である。固相膜２から流出した微細藻類を含む培養液は、流出液タンク４内において微細藻類を高濃度に含む沈殿と、微細藻類を含まない上清である培養液とに分離される。

収穫容器５は、流出液タンク４で分離された微細藻類を高濃度に含む沈殿を収容するものである。

循環流路６は、流出液タンク４で分離された培養液（上清）を回収して再度固相膜２に供給するためのものである。循環流路３上にはポンプＰが設けてあり、これにより回収された培養液を固相膜２の上方まで汲み上げることができる。汲み上げられた培養液は再度固相膜２の上から連続的に供給される。

培養液タンク７は、循環流路６に接続されており、循環流路６を流れる培養液に適宜新たな培養液を補給し、培養液の減少分を補うものである。

培養装置１で培養対象とする微細藻類は特に限定されず、例えば、クロレラ（系統学的に分けられたパラクロレラを含む）、セネデスムス、ボトリオコッカス、スティココッカス、ナンノクロリス、デスモデスムス等の微細藻類等が挙げられ、より具体的には、Chlorella kessleri、Chlorella
vulgaris、Chlorella saccharophila等のクロレラ；分子系統解析によりトレボキシア藻網として分類されるParachlorella kessleri（Chlorella kessleri）；セネデスムス属に属するSenedesmus obliquus；スティココッカス属に属するStichococcus ampliformis、ナンノクロリス属に属するNannochloris
bacillaris；デスモデスムス属に属するDesmodesmus subspicatus等が挙げられる。その他、付着性の珪藻やシュードコリシスティス、又はシアノバクテリア、更には小型の紅藻や緑藻も可能である。また、この中には、遺伝子組換えしたシアノバクテリアや微細藻類も含まれる。また、培養装置１を用いて、例えば、オーランチオキトリウム等の光合成を行わない卵菌類を、有機廃液を用いて培養することも可能である。なお、光合成を行わずに増殖できる微生物を培養装置１を用いて培養する場合は、光照射部３はなくてもよい。

培養装置１を用いた微細藻類の培養は自然流水中で行われるが、培養装置１は閉じた空間内に収容される。培養装置１が収容された閉鎖空間内には１〜４０％程度のＣＯ_２を含有する混合空気が充填してあることが好ましく、１〜１０％程度のＣＯ_２を含有する混合空気中であれば、多くの微細藻類に良好に光合成を行わせることができる。なお、大気を通気する場合でも微細藻類の増殖は、速度は遅くなるが、可能である。

培養装置１を用いて微細藻類の培養を行うには、固相膜２表面を、５ｍＬ／ｈ／ｍ^２以上の流速で培養液が流れるように、固相膜２の上から連続的に培養液を供給することが必要である。これにより、微細藻類の周囲を常に新鮮な培養液で満たして増殖を維持しつつ、微細藻類を培養液とともに連続して自然流下させることができる。また、随時、培養液の流速を変化させたり、固相膜２に振動等の衝撃を与えたりすることにより、固相膜２に付着している微細藻類を強制的に落下させると、回収量を増加することができる。

なお、培養液の供給速度が遅すぎると、微細藻類を固相膜２から連続的に流出させるのが困難であり、培養液の供給速度が速すぎると、固相膜２から微細藻類が剥がれ落ちて必要以上に流出してしまう。

なお、前記培養液としては、例えば、ガンボーグＢ５培地等の公知の液体培地から適宜選択して用いることができる。また、可能な場合には、各種産業から排出される廃水等も利用してよい。

このように構成した本実施形態に係る培養装置１によれば、固相膜２表面からはがれて流出した微細藻類を培養液とともに自然流下させることができるので、培養を継続しつつ増殖した微細藻類を回収することができる連続培養系を構築することができる。

また、培養液とともに流下した微細藻類を当該培養液中から回収し、微細藻類を回収した後の培養液を再び固相膜２の上から供給して、培養液を再利用することにより、コストを抑えて微細藻類を培養することができる。また、一度使用した培養液を再利用することにより、培養液の組成の変化を緩和して、微細藻類への負担を低減させる効果もある。

更に、微細藻類に常時培養液中の養分とＣＯ_２が供給されるため、充分撹拌されている液体培養に近い増殖速度を得ることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られない。

例えば、流出液タンク４内に貯留した培養液からの微細藻類の回収は、ろ過、遠心処理、又は、自然沈降のいずれによってもよい。なお、微細藻類が細胞外に排出する物質を収穫する場合には、吸着や濃縮等のその他の方法を適用する。

前記実施形態では、縦長の担体が設けられているが、横長の担体を用いてもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない限り、前述した種々の構成の一部又は全部を適宜組み合わせて構成してもよい。

以下に実施例を掲げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例によって何ら限定されるものではない。

＜試験１＞
図４に示すような培養装置（アクリル管サイズ：直径３ｃｍ×高さ１２０ｃｍ、断面積（床面積）７ｃｍ^２）を用いてクロレラ（Chlorella kessleri 11h）を培養した。

本培養装置１０は、アクリル管１２１内に収容された固相膜１２と、赤色ＬＥＤ（シーシーエス社製）からなる光照射部１３と、固相膜１２から流出したクロレラを含む培養液を貯留するためのガラス容器からなる流出液タンク１４と、流出液タンク１４に貯留された培養液から分離されたクロレラ（沈殿）を収容する収穫容器１５と、流出液タンク１４に貯留された培養液（上清）を循環させる循環流路１６と、培養液を貯留する培養液タンク１７と、を備えている。循環流路１６上には、培養液タンク１７の上流側にフィルターを備えた細胞ろ過部Ｆが設けてあり、培養液タンク１７の下流側にペリスタポンプＰ（イワキ社製、ＰＳＴ１１０）が設けてある。

固相膜１２としては、直径３ｍｍ×長さ１ｍのダイフロン（３フッ化塩化エチレン樹脂）丸棒に２ｃｍ×１１０ｃｍの綿ブロードを巻き付けた円筒状のものを１５本用いた。各円筒状の固相膜１２の間は数ミリ離間するようにして固定した。

固相膜１２の上には、少量の脱脂綿を広げて載置し（図示しない。）、クロレラが均一に広がるようにした。脱脂綿の上には、更に薄いメラミンスポンジ（図示しない。）を載せた。

また、固相膜１２の下には、５ｍｍ×１１０ｃｍの綿ブロード（図示しない。）を２枚敷いて、当該綿ブロードの表面及び内部でもクロレラが増殖できるようにした。

本培養装置１０を用いて、アクリル管１２１内に下から上に向けて２％ＣＯ_２を含む空気を０．７〜１Ｌ／ｍｉｎ程度の速度で流しつつ、培養液として植物組織培養培地ガンボーグＢ５を５倍希釈したものを使用して、１７５ｍＬ／ｈの速度で培養液を供給しつつ、８．３Ｗ／ｍ^２の強度の赤色光を照射しながら、室温（２５〜２７℃）でクロレラの培養を行った。なお、培養開始時には、乾燥重量で０．５ｇのクロレラを固相膜１２の上に載置した脱脂綿に付着させてから、培養を開始した。

固相膜１２から流出したクロレラを含む培養液はロートにて回収し、流出液タンク１４中に集めた。なお、流出液タンク１４内でクロレラが増殖するのを防ぐため、流出液タンク１４は黒い布で覆った。クロレラの回収は、１日に１〜２回、流出液タンク１４中の培養液を遠心処理して行った。回収したクロレラは培養液に再懸濁し、分光光度計（ベックマン社製、ＤＵ７００）で測定された７３０ｎｍの濁度から乾燥重量を算出した（７３０ｎｍの濁度０．３５＝１ｇＤＷ（乾燥重量）／Ｌ）。また、適宜、８０℃で２時間以上乾燥させたクロレラからも乾燥重量を求めて確認した。

培養の結果、培養２日目に固相膜１２が僅かに緑色となったが、固相膜１２から流出した培養液中にはクロレラはほとんど含まれていなかった。培養３日目よりクロレラが流出しはじめ、培養４日目では乾燥重量で１４０ｍｇＤＷ／ｄ（アクリル管の断面積あたり２００ｍｇＤＷ／ｍ^２／ｄ）のクロレラが流出した。その後、４日間連続で、１日あたり１８０〜２１０ｍｇＤＷ／ｄ（アクリル管の断面積（床面積）あたり約２５０ｍｇＤＷ／ｍ^２／ｄ）のクロレラが流出した。その後、連続培養を中止して、固相膜１２から６１０ｍｇＤＷのクロレラを回収した。なお、固相膜１２からのクロレラの回収率は９０％程度と考えられるので、固相膜１２に付着していたクロレラは７００ｍｇＤＷ程度であると推測される。

本培養装置１０の培養効率を維持したまま７ｍの装置にスケールアップしたと仮定すると１．５ｋｇＤＷ／ｍ^２／ｄの収穫が可能となり、培養に供する床面積が１施設あたり１ｈａであれば、２０００施設で年間１０００万ｔのクロレラを生産することが可能となる。これは日本の年間原油輸入量２億ｔの５％にあたり、化石燃料に代わる資源として有望である。

なお、本試験では、図４に示すように、固相膜１２として円筒状のものを使用したが、図５に示すように、平板状の固相膜１２を使用しても同様に培養を行うことができる。

＜試験２＞
図５に示すような培養装置１０（幅１ｃｍの綿ブロード使用、カラム高２５〜１００ｃｍ）を用い、培養液の流速を変えてクロレラの流出量（乾燥重量）を測定した。結果を図６のグラフに示す。

図６のグラフに示すように、培養液の流速が５ｍＬ／ｈ／ｍ^２に至るまでは、流速の増加に伴いクロレラの流出量も上昇したが、５ｍＬ／ｈ／ｍ^２以上では流出量の伸びは鈍化した。

従って、微細藻類の周囲を常に新鮮な培養液で満たして安定な増殖を維持しつつ、微細藻類を培養液とともに連続して自然流下させるためには、５ｍＬ／ｈ／ｍ^２以上の流速が必要であることがわかる。

１・・・培養装置
２・・・固相膜
３・・・光照射部
４・・・流出液タンク
５・・・収穫容器
６・・・循環流路
７・・・培養液タンク

Claims (9)

1. 気相中に配置して微生物を付着させる担体と、
   前記担体から流出した微生物を含む培養液を貯留する流出液タンクと、
   前記担体の上から連続的に培養液を供給する培養液供給部と、を備えていることを特徴とする微生物培養システム。
2. 前記流出液タンクに貯留された微生物を含む培養液から少なくとも一部の微生物が取り除かれた培養液を前記担体上から供給する流路を備えている請求項１記載の微生物培養システム。
3. 前記担体が、円筒状である請求項１又は２記載の微生物培養システム。
4. 前記微生物が、光合成微生物であり、
   前記担体に光を照射する光照射部を備えている請求項１、２又は３記載の微生物培養システム。
5. 微生物を付着させた担体を気相中に配置して、当該微生物を培養する方法であって、
   前記担体表面を、５ｍＬ／ｈ／ｍ^２以上の流速で培養液が流れるように、前記担体の上から連続的に前記培養液を供給することを特徴とする微生物の培養方法。
6. 前記流速の上限が、１００ｍＬ／ｈ／ｍ^２である請求項５記載の微生物の培養方法。
7. 培養液とともに流下した微生物を、当該培養液中から回収し、回収後の培養液を再び微生物が付着した担体の上から供給する請求項５又は６記載の微生物の培養方法。
8. 前記微生物が、光合成微生物であり、
   光を照射しながら前記微生物を培養する請求項５、６又は７記載の微生物の培養方法。
9. 前記光が、赤色光である請求項８記載の微生物の培養方法。