JP2014060967A - 微細藻類の培養方法及び微細藻類の培養設備 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 少なくとも窒素分又はリン分のいずれか一方を含む排水を膜濾過することにより濾過膜を透過した透過水を得る膜濾過工程と、前記透過水を含む液体中で微細藻類を培養する培養工程とを実施することを特徴とする微細藻類の培養方法等を提供する。
【選択図】 図1
Description
即ち、本実施形態の微細藻類の培養設備20は、図1に示すように、少なくとも窒素分又はリン分のいずれか一方を含む排水を活性汚泥法によって水処理する水処理装置3と、該水処理装置3にて水処理した排水を膜濾過することにより濾過膜を透過した透過水を得る膜濾過装置1と、前記透過水を含む液体A中で微細藻類を培養する培養装置2とを備えている。
前記無機窒素分としては、例えば、アンモニアイオン、硝酸イオン等が挙げられる。
前記有機リン分としては、例えば、リン脂質、核酸等が挙げられる。
前記無機リン分としては、例えば、リン酸イオン等が挙げられる。
また、前記水処理装置3によって排水が水処理されることにより、例えば、排水における前記窒素分(窒素含有化合物)が、より分子量の小さいアンモニアイオン、硝酸イオンなどの窒素分へ分解され得る。同様に、排水におけるリン分(リン含有化合物)が、より分子量の小さいリン酸イオンなどのリン分へ分解され得る。
前記水処理装置3によって水処理された排水中には、上記のように、水処理によって低分子化された窒素分、リン分などが含まれている。水処理によって低分子化された窒素分やリン分は、低分子化される前よりも、微細藻類が増殖における栄養成分として利用しやすいものとなっている。
従って、水処理装置3によって水処理された排水は、栄養成分として微細藻類が利用しやすい窒素分やリン分を含んでいる。
具体的には、前記膜ユニット1bは、図1に示すように、通常、外側において排水と接するように、濾過槽1aに収容された排水に浸漬されている。また、前記膜ユニット1bは、例えば、内側を陰圧にすることにより外側から内側へ向けて膜濾過を行い、濾過膜を透過した透過水を取り出すように構成されている。
前記精密濾過膜(MF膜)の孔径は、通常、0.01μmを超え10μm以下である。精密濾過膜(MF膜)の孔径は、細菌類の透過をより確実に阻止できるという点で、0.45μm以下であることが好ましい。
前記濾過膜として限外濾過膜(UF膜)又は精密濾過膜(MF膜)を採用することにより、濾過において排水中の微生物が濾過膜を透過することを完全に阻止することをも可能であり、微生物が含まれない透過水を得ることをも可能である。このような透過水を用いて後述する培養装置2において微細藻類を培養することにより、微生物による微細藻類の増殖阻害をより確実に抑えることができる。
前記濾過膜の材質としては、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、セルロース、ポリアミド、セラミック等が挙げられる。
しかも、前記透過水は、膜濾過装置1において濾過膜を透過しているため、上述したように、濾過前の排水における微生物の数より、微生物の数が少なくなっている。従って、前記透過水は、微生物の数が少なくなった分、後述する培養装置2における微細藻類の培養において用いられたときに、微生物による微細藻類の増殖阻害を抑えることができる。
従って、後述する培養装置2における微細藻類の培養においては、前記透過水を含む液体A中で微細藻類が培養されることにより、より利用しやすい低分子化された窒素分やリン分等を微細藻類が利用できることから、微細藻類の増殖がより促される。
前記気体供給管1cによって供給される気体としては、通常、空気が採用され、好ましくは、空気より二酸化炭素濃度が高い排気ガスなどの気体が採用される。
前記膜ユニット1bの表面に供給する気体として、空気などの二酸化炭素含有気体を採用することにより、後段の培養装置2における液体A中に二酸化炭素が溶け込み、溶け込んだ二酸化炭素が微細藻類の光合成に利用される。
即ち、本実施形態の微細藻類の培養設備20は、前記水処理装置3を備えておらず、該水処理装置3を経ずに供給された排水を前記膜濾過装置1が膜ユニット1bによって膜濾過して透過水を得るように構成されていてもよい。
前記無機培養成分としては、例えば、窒素を含む窒素含有無機化合物、リンを含むリン含有無機化合物などが挙げられる。また、前記無機栄養素としては、例えば、カリウムイオン、鉄イオン、マンガンイオン、コバルトイオン、亜鉛イオン、銅イオン、モリブテンイオン、ニッケルイオンなどが挙げられる。
前記微細藻類の培養設備20は、検出センサ11により窒素分やリン分の濃度を検出し、検出した濃度が所定値未満である場合に、培養成分貯留タンク10へ電気信号を送り、培養成分貯留タンク10から混合タンク4へ培養成分を供給するように構成されている。
詳しくは、原生動物や後生動物等の微生物が微細藻類と共存していると、微細藻類が増殖するために必要な栄養成分を微生物が利用することにより、微生物が栄養成分を利用した分、微細藻類が利用する栄養成分が減少し得る。また、原生動物や後生動物等の微生物が微細藻類を栄養成分として利用(捕食)し、微生物の増殖が微細藻類の増殖より優位になり得るため、微細藻類の増殖が抑制され得る。従って、細菌類や原生動物等の微生物を濾過膜によって減らすことにより、微生物を減らした分、透過水に含まれる栄養成分をより多く微細藻類の増殖に利用でき、微細藻類の増殖を促すことができる。
例えば、排水に難分解性の高分子物質が含有されていても、前記水処理装置3によって排水が水処理されることにより、斯かる高分子物質が低分子化されて比較的易分解性の物質となることから、微細藻類が低分子化された比較的易分解性の物質を栄養成分として容易に利用できる。従って、微細藻類の増殖がより促され得る。
前記微細藻類としては、光合成によって増殖する光独立栄養微細藻類、ブドウ糖などの有機性炭素を栄養源として利用して増殖する従属栄養微細藻類等が挙げられる。なお、前記光独立栄養微細藻類のなかには、後述するユーグレナ(Euglena)属に属する生物やクロレラ(Chlorella)属に属する生物のように、光合成することができ且つ有機性炭素を栄養源として利用できるものもある。
前記Euglena gracilisとしては、例えば、Euglena gracilis NIES-48(後述する独立行政法人国立環境研究所微生物系統保存施設における保管株)などが挙げられる。
前記Chlorella sorocinianaとしては、例えば、Chlorella sorociniana NIES-2169(後述する独立行政法人国立環境研究所微生物系統保存施設における保管株)などが挙げられる。
また、前記微細藻類としては、バイオディーゼルの原料となるワックスエステルを大量に蓄積できるという点、ビタミン、カロテノイド、栄養価の高いタンパク質、パラミロンなどの有価物を多く含んでいるという点、大量に培養しやすいという点で、前記ユーグレナ(Euglena)属に属する生物が好ましい。
前記培養装置2において微細藻類に光Bを照射することにより、光独立栄養の微細藻類は、光合成によって二酸化炭素を細胞内に取り込んで炭化水素や糖類などを合成しつつ増殖し得ると同時に、液体A中の成分(例えば、上述した有機窒素分等)を栄養成分として利用しつつ増殖する。
前記培養装置2において酸素及び二酸化炭素の存在下(即ち、酸素及び二酸化炭素を含む気体で液体Aを曝気しつつ)において微細藻類に光Bを照射することにより、光合成可能な微細藻類を光合成させつつ、しかも、炭素源を含む液体A中にて微細藻類を従属栄養培養により増殖させることができる。
前記培養装置2において光Bを照射せず微細藻類を暗条件下に置き、後述する散気管によって散気を行うことにより、微細藻類は、液体A中の炭素源(例えば、上述した糖類、又はアルコール、又は上述した有機窒素分等)を利用しつつ、増殖する。
光の強度が50μmol/m2/s以上であることにより、光合成をより促すことができるという利点がある。また、光の強度が200μmol/m2/s以下であることにより、光による増殖阻害をより確実に抑制できるという利点がある。
即ち、前記培養装置2は、微細藻類に光Bを照射して光合成を行わせつつ微細藻類を増殖させる期間と、暗条件下にて微細藻類を増殖させる期間とを繰り返し交互に設けるように構成されていることが好ましい。
前記培養装置2において微細藻類に光Bを照射する期間は、8時間〜15時間であることが好ましい。また、微細藻類に光合成を行わせない暗条件の期間は、9時間〜16時間であることが好ましい。
なお、液体AのpHを調整するためには、塩酸のような無機酸を液体Aに添加しても良く、酢酸のような有機酸を液体Aに添加してもよい。また、無機酸と有機酸とを組み合わせて用いても良い。有機酸を液体Aに添加することにより、微細藻類が該有機酸を炭素源として利用し増殖することができる。
具体的には、前記培養装置2は、例えば、培養槽2a内の微細藻類に呼吸用の酸素を供給すべく、散気管を経由させて液体A中に空気等を供給することにより、液体Aを散気するように構成されている。
また、前記培養装置2は、例えば、散気管を経由させて二酸化炭素を比較的多く含むガスなどを培養槽2a内の液体Aに供給することにより液体Aを散気しつつ、微細藻類に光合成を行わせるように構成されている。
また、前記培養装置2は、散気管からの散気を止めることにより、液体Aを嫌気条件下におくようにも構成されている。
なお、上記の培養装置2は、微細藻類の培養時において、光合成に利用される二酸化炭素や呼吸に利用される酸素を散気管によって液体A中に供給するように構成されているが、二酸化炭素や酸素の供給手段は、散気管に限定されるものではない。具体的には、該供給手段としては、例えば、供給された二酸化炭素や酸素を培養槽2a中の液体Aに溶解させるべく、撹拌翼を用いて液体Aを撹拌する手段、又は、供給された二酸化炭素や酸素を加圧して溶け込ませた加圧水を液体Aに供給する手段などが採用され得る。
一方、前記培養装置2は、光Bが照射されない暗条件下では、ユーグレナ(Euglena)属生物が、増殖しつつ液体A中の有機性炭素から有機物(多糖類や脂質等)を合成して該有機物を細胞内に貯蔵するように構成されている。該有機物を細胞内に貯蔵したユーグレナ(Euglena)属生物は、例えば回収されて、直接的に有価物として利用され得る。
さらに、前記培養装置2は、細胞内に多糖類や脂質等の有機物を貯蔵したユーグレナ(Euglena)属生物を暗所で嫌気条件下におくことにより、ユーグレナ(Euglena)属生物が、細胞内にワックスエステル等を貯蔵するように構成されている。貯蔵されたワックスエステルは、ユーグレナ(Euglena)属生物の細胞内から取り出されることにより、燃料、化成品などの原料として利用され得る。
前記微細藻類の培養設備20は、微細藻類取出用配管6によって、分離後の微細藻類を培養設備20外へ送るように構成されている。培養設備20外へ送られた微細藻類は、例えば、そのまま回収され、目的に応じて利用される。
前記微細藻類の培養設備20は、液体取出用配管7によって、分離後の液体を培養設備20外へ送るように構成されている。培養設備20外へ送られた分離後の液体は、例えば、そのまま放流されるか、又は、さらに水処理されて放流される。
具体的には、前記微細藻類の培養設備20は、図1及び図2に示すように、固液分離装置5における分離によって得られた液体(微細藻類の培養後の液体)を水処理装置3の曝気槽3a及び/又は濾過槽1aへ送る液体回収用配管8を備えている。
前記液体回収用配管8は、例えば図1に示すように、一端が液体取出用配管7の途中に取り付けられている。また、前記液体回収用配管8は、他端側が2つに分かれ、他端のそれぞれが水処理装置3の曝気槽3a及び/又は濾過槽1aに液体を供給するように配されている。そして、前記液体回収用配管8は、一端に弁が取り付けられており、この弁を制御することにより、液体取出用配管7を経た液体を他端側へ送り、他端のそれぞれから曝気槽3a及び/又は濾過槽1aに該液体を供給するように構成されている。
前記微細藻類の培養設備20においては、微細藻類の培養後の液体を再び培養設備20において用いる分、培養設備20において新たに加える水量が抑えられている。即ち、微細藻類の培養後の液体を曝気槽3aにおいて活性汚泥法によって水処理することにより、及び/又は、微細藻類の培養後の液体を濾過槽1aに加えることにより、前記微細藻類の培養設備20において新たに加える水量を抑えることができる。
また、本実施形態の微細藻類の培養設備20は、通常は廃棄される排水を用いて微細藻類を培養することができるという点、また、培養した微細藻類から有価物を得ることができるという点で、運転に費やされる費用に対して得られる利益が比較的高いという利点を有する。
前記水処理装置(排水を嫌気処理によって水処理するもの)は、培養設備20外から供給された排水を収容する嫌気処理槽(図示せず)を有し、該嫌気処理槽において排水を嫌気処理によって水処理するように構成されている。
前記嫌気処理槽は、嫌気性微生物によって、嫌気的条件下において排水中の化合物をより分子量の小さい化合物へ分解する水処理を行うように構成されている。そして、嫌気処理槽は、嫌気処理が施された消化液や消化脱離液などの排水を膜濾過装置1に送るように構成されている。
前記嫌気処理槽としては、具体的には例えば、グラニュールを利用した上向流式嫌気処理(UASB法)を行うように構成されたもの、又は、下水汚泥を処理するように構成された消化槽などが採用され得る。
前記嫌気処理としては、具体的には例えば、嫌気性消化処理などが採用され得る。嫌気性消化処理が施されることにより、排水中の前記窒素分や前記リン分が分解されて低分子化されたアンモニアやリン酸等を比較的多く含む排水(消化液)が発生する。斯かる排水(消化液)が膜濾過装置において膜濾過されることにより、アンモニアやリン酸等を比較的多く含む透過水が生じ、該透過水が培養装置において微細藻類の培養に利用されることとなる。
このように、前記嫌気処理槽を備えた微細藻類の培養設備においては、嫌気処理によって生じたアンモニア等を微細藻類の培養に利用できることから、アンモニア等の化学的な分解処理を行わなくとも、アンモニア等を微細藻類によって分解させることができる。
斯かる気体としては、酸素を含まないガス(不活性ガスや二酸化炭素など)が採用される。
嫌気処理槽が斯かる気体を排水に供給するように構成されていることにより、膜ユニットを洗浄できるとともに、嫌気処理槽内を嫌気状態に保つことができる。
即ち、本実施形態の微細藻類の培養方法においては、前記透過水が濾過膜を透過したものであるため、前記透過水における微生物の数が濾過前の排水より少なくなっている。従って、微生物の数が少なくなった分、微生物が微細藻類の増殖を阻害することを抑えることができる。
即ち、前記微細藻類の培養方法においては、少なくとも窒素分又はリン分のいずれか一方を含む排水を活性汚泥法又は嫌気処理によって水処理する水処理工程と、濾過膜によって前記水処理工程にて水処理した排水を膜濾過することにより濾過膜を透過した透過水を得る膜濾過工程と、前記透過水を含む液体中で微細藻類を培養する培養工程とを実施することが好ましい。
従って、水処理工程において水処理された排水は、栄養成分として微細藻類が利用しやすい窒素分やリン分を含んでいることから、該排水から膜濾過工程にて透過水を得て、該透過水が培養工程における液体Aに含まれることにより、微細藻類の増殖をより促し得る。
即ち、前記微細藻類の培養方法においては、水処理工程をさらに実施することにより、水処理工程において水処理された排水を膜濾過工程にて膜濾過することにより透過水を得て、培養工程において該透過水を含む液体A中で微細藻類が培養される。これにより、栄養成分としてより利用しやすい低分子化された窒素分等を微細藻類が利用できることから、微細藻類の増殖がより促される。
前記除菌工程は、培養成分混合工程の後に実施することが好ましい。即ち、前記除菌工程においては、培養成分混合工程にて透過水と微細藻類の培養成分とを混合してなる水溶液に除菌処理を施すことが好ましい。
前記除菌工程を実施することにより、培養工程において、除菌後の透過水を含む液体A中で微細藻類を培養するため、微細藻類の増殖に対する微生物の悪影響をより確実に抑制できるという利点がある。従って、微細藻類をより十分に増殖させることができるという利点がある。
前記培養工程にて微細藻類を培養した後の液体においては、微細藻類の増殖に伴って微細藻類から生成された増殖阻害成分が含まれている。該成分を含む液体を前記水処理工程において活性汚泥法又は嫌気処理によって水処理すると、増殖阻害成分の少なくとも一部が、活性汚泥法又は嫌気処理によって分解され、該成分は、減少し得る。従って、液体回収工程において、培養工程にて微細藻類を培養した後の液体を回収し、水処理工程において、回収した液体を水処理することにより、培養工程において、微細藻類の増殖阻害成分による悪影響を抑制することができる。
また、一般の微細藻類の培養設備及び培養方法において用いられる種々の態様を、本発明の効果を損ねない範囲において、採用することができる。
上記構成の微細藻類の培養設備においては、液体回収用配管8によって別途備えられた培養装置に送られる培養後の液体が、培養装置2における微細藻類の培養には必要とされない栄養成分、又は、培養装置2における微細藻類の培養で利用し切らなかった栄養成分を含んでいる。従って、これらを栄養成分として増殖する別種の微細藻類を別途備えられた培養装置にて培養することができる。このように、各種の微細藻類の特性に合わせ、培養後の液体を利用することにより、排水に含まれている栄養成分を効率的に分解させることができる。
2:培養装置、 2a:培養槽、 2b:照明機器、
3:水処理装置、 3a:曝気槽、 3b:曝気管、
4:混合タンク、 4a:撹拌機、
5:固液分離装置、
6:微細藻類取出用配管、
7:液体取出用配管、
8:液体回収用配管、
9:除菌装置、
10:培養成分貯留タンク、 11:検出センサ、 12:透過水取出用配管、
20:培養設備、
A:液体、B:光。
Claims (4)
- 少なくとも窒素分又はリン分のいずれか一方を含む排水を膜濾過することにより濾過膜を透過した透過水を得る膜濾過工程と、前記透過水を含む液体中で微細藻類を培養する培養工程とを実施する微細藻類の培養方法。
- 前記膜濾過工程の前に、前記排水を活性汚泥法又は嫌気処理によって水処理する水処理工程をさらに実施し、該水処理工程にて水処理した排水を前記膜濾過工程にて膜濾過する請求項1記載の微細藻類の培養方法。
- 前記透過水に除菌処理を施す除菌工程をさらに実施し、前記培養工程では、前記除菌工程にて除菌処理を施された前記透過水を含む液体中で微細藻類を培養する請求項1又は2に記載の微細藻類の培養方法。
- 少なくとも窒素分又はリン分のいずれか一方を含む排水を膜濾過することにより濾過膜を透過した透過水を得る膜濾過装置と、前記透過水を含む液体中で微細藻類を培養する培養装置とを備えた微細藻類の培養設備。
Priority Applications (2)
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