JP2015053873A - 光合成微生物培養装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで、効率よく光合成微生物を培養できる光合成微生物培養装置およびその制御方法を提供する。【解決手段】光合成微生物を含んだ培養液Ｍを収容し、太陽光を用いて光合成微生物を培養する光合成微生物培養槽２と、太陽から照射される光エネルギを測定する光センサ７と、光合成微生物培養槽２に収容される培養液Ｍの温度を測定する温度センサ８と、光センサ７で測定した光エネルギおよび温度センサ８で測定した温度に基づいて、光合成微生物培養槽２に収容される培養液Ｍの光合成微生物濃度を推算する光合成微生物濃度推算手段１０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、光合成微生物の培養に用いる光合成微生物培養装置およびその制御方法に関する。

昨今、温室効果ガスの一つである二酸化炭素（ＣＯ₂ ）の排出量を抑制するという観点から、カーボンニュートラル（carbon neutral）という考え方が浸透してきている。また、カーボンニュートラルなエネルギ源として、バイオマス由来の原料から生産された燃料（バイオ燃料）の使用が一部に始まっている。

しかし、大豆、トウモロコシ、パームなどの可食性植物を原料とする場合、食糧不足への懸念が問題となっている。また、ジャトロファ、カメリナなどの非可食性植物を原料とする場合、可食性植物の場合と比較して、単位面積当りの生産量が低い。このため、植物を原料とする場合、広い耕地を確保のための森林破壊の問題が付きまとう。そこで、これら植物の中で油脂生産能力が高いパームよりも、単位面積当りの油脂生産能力が１０倍程度高い光合成微生物に注目が集まっている。このような光合成微生物としては、例えば、微細藻類（藍藻も含む）が知られており、光合成能を有し、バイオ燃料およびバイオ燃料の原料となりうる成分を生合成し、細胞内に蓄積する。

このような光合成微生物（微細藻類）においては、最大増殖速度を得るための最適な光合成微生物濃度（藻体濃度）の範囲が存在する。このため、光合成微生物（微細藻類）の培養槽においては、限界濃度に達するまで増殖させるよりも、最大増殖速度を維持できるように、最適な光合成微生物濃度（藻体濃度）の範囲に保ったまま、タイミングよく生産された光合成微生物（微細藻類）を回収することが好ましい。

特許文献１には、微細藻類が生息する培養液中に二酸化炭素を供給し、光を照射して微細藻類を培養する微細藻類の培養装置において、培養液中の微細藻濃度を測定する微細藻濃度計と、光の照射量を測定する照射量計と、培養液の液深を測定する液深計とを具備することを特徴とする微細藻類の培養装置が開示されている（請求項１参照）。

特開平５−２８４９５９号公報

しかしながら、特許文献１の培養装置は、微細藻類の濃度を直接測定する微細藻類濃度計が必要となるため、高価な微細藻類濃度計を培養槽の数だけそろえる必要がある。このため、光合成微生物（微細藻類）の生産規模を大規模化する際に、初期コストが増大するという課題がある。

そこで、本発明は、低コストで、効率よく光合成微生物を培養できる光合成微生物培養装置およびその制御方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために、本発明に係る光合成微生物培養装置は、光合成微生物を含んだ培養液を収容し、太陽光を用いて前記光合成微生物を培養する光合成微生物培養槽と、太陽から照射される光エネルギを測定する光センサと、少なくとも前記光合成微生物培養槽に収容される前記培養液の温度を測定する温度センサと、少なくとも前記光センサで測定した前記光エネルギおよび前記温度センサで測定した前記温度に基づいて、前記光合成微生物培養槽に収容される前記培養液の光合成微生物濃度を推算する光合成微生物濃度推算手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る光合成微生物培養装置の制御方法は、光センサで測定した光エネルギおよび温度センサで測定した培養液の温度に基づいて、光合成微生物培養槽に収容される光合成微生物の前記培養液中における光合成微生物濃度を推算する光合成微生物濃度推算ステップと、前記光合成微生物培養槽から光合成微生物回収装置へと前記光合成微生物を含んだ前記培養液を送液する送液制御装置による送液量を前記推算した前記光合成微生物濃度に基づいて制御する送液制御ステップと、を含み、前記送液制御ステップは、前記推算した光合成微生物濃度が、所定の濃度範囲に収束するように、前記送液制御装置による送液量を制御することを特徴とする。

また、本発明に係る光合成微生物培養装置の制御方法は、光センサで測定した光エネルギおよび温度センサで測定した培養液の温度に基づいて、光合成微生物培養槽に収容される光合成微生物の前記培養液中における光合成微生物濃度を推算する光合成微生物濃度推算ステップと、前記光合成微生物培養槽から光合成微生物回収装置へと前記光合成微生物を含んだ前記培養液を送液する送液制御装置を前記推算した前記光合成微生物濃度に基づいて制御する送液制御ステップと、を含み、前記送液制御ステップは、前記推算した光合成微生物濃度が、第１閾値以上となると、前記送液制御装置を動作させることを特徴とする。

本発明によれば、低コストで、効率よく光合成微生物を培養できる光合成微生物培養装置およびその制御方法を提供することができる。

第１実施形態に係る光合成微生物培養装置の構成模式図である。 制御装置の機能ブロック図である。 増殖量推算式で推算した値と実測値とを対比するグラフである。 第１実施形態に係る光合成微生物培養装置における制御フローチャートである。 第２実施形態に係る光合成微生物培養装置における制御フローチャートである。 第３実施形態に係る光合成微生物培養装置の構成模式図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

≪第１実施形態≫
第１実施形態に係る光合成微生物培養装置１について、図１を用いて説明する。図１は、第１実施形態に係る光合成微生物培養装置１の構成模式図である。

光合成微生物培養装置１は、複数（図１の例では７２基）の光合成微生物培養槽２と、培養液搬送配管３と、液ポンプ４と、光合成微生物回収装置５と、培養液供給配管６と、光センサ７と、温度センサ８と、光合成微生物濃度センサ９と、制御装置１０と、を備えている。

光合成微生物培養槽２は、無終端の開水路（オープンポンド）で形成されるレースウェイ型培養槽であり、光合成微生物を含んだ培養液Ｍを収容して、光合成微生物を含んだ培養液Ｍを水路に沿って循環させることができるようになっている。なお、図示は省略するが、光合成微生物培養槽２は、培養液Ｍに散気ガス（ＣＯ₂ 含有ガス）を散気する散気手段（図示せず）と、培養液Ｍを攪拌するとともに、培養液Ｍを水路に沿って循環させる循環攪拌手段（図示せず）と、を有している。

このように、光合成微生物培養槽２は、培養液Ｍを循環攪拌手段（図示せず）で攪拌・循環させながら、散気手段（図示せず）で散気ガス（ＣＯ₂ 含有ガス）を散気する。また、培養液Ｍには、窒素源、リン源、ミネラルなどの栄養塩類が添加されている。これにより、光合成微生物は、光合成により、バイオ燃料およびバイオ燃料の原料となりうる成分を生合成して細胞内に蓄積するとともに、その数が増殖する。

培養液搬送配管３は、光合成微生物培養槽２の光合成微生物を含んだ培養液Ｍを光合成微生物回収装置５へと搬送する配管であり、その途中に液ポンプ４が設けられている。液ポンプ４は、光合成微生物培養槽２の光合成微生物を含んだ培養液Ｍを、培養液搬送配管３を介して、光合成微生物回収装置５へと送液することができるようになっている。なお、図１に示すように、複数（図１の例では１８基）の光合成微生物培養槽２に対して１つの液ポンプ４が設けられている。また、後述する制御装置１０は、液ポンプ４の動作・停止および動作時の送液量を制御することができるようになっている。

光合成微生物回収装置５は、沈殿槽（図示せず）を有し、光合成微生物を含んだ培養液Ｍから光合成微生物を沈殿させ、上澄み液Ｍ１と沈殿物Ｍ２とに分離させる。なお、上澄み液Ｍ１は、後述する培養液供給配管６を介して光合成微生物培養槽２に戻すことにより、上澄み液Ｍ１に含まれる栄養塩類や沈殿していない光合成微生物を再利用することができる。また、光合成微生物を多く含む沈殿物Ｍ２は、沈殿槽（図示せず）から回収され、遠心分離等によりさらに濃縮処理され、バイオ燃料の原料となる。

なお、光合成微生物回収装置５の入口側（沈殿槽（図示せず）よりも上流側）には、光合成微生物培養槽２から送液された培養液Ｍに含まれる光合成微生物の濃度を測定する光合成微生物濃度センサ９が設けられている。光合成微生物濃度センサ９としては、例えば、吸光度計を用いて、吸光度を測定することにより光合成微生物濃度（藻体濃度）を計測することができる。なお、光合成微生物濃度センサ９で測定された光合成微生物濃度（藻体濃度）は、制御装置１０に送信される。

培養液供給配管６は、培養液供給源（図示せず）から光合成微生物培養槽２に培養液Ｍ０を供給する配管である。また、培養液供給配管６は、光合成微生物回収装置５の上澄み液Ｍ１も培養液Ｍ０として光合成微生物培養槽２に供給する。なお、栄養塩類添加装置（図示せず）により、培養液供給配管６から光合成微生物培養槽２に供給される培養液Ｍ０に栄養塩類が添加されるようになっている。また、光合成微生物培養装置１で連続培養運転を行う場合、培養液供給量調整手段（図示せず）により、光合成微生物培養槽２の培養液Ｍの水位が一定となるように、培養液供給配管６から光合成微生物培養槽２に供給される培養液Ｍ０の液量が制御されるようになっている。光合成微生物培養装置１で回分培養運転を行う場合、光合成微生物の回収後に、培養液供給量調整手段（図示せず）により、光合成微生物培養槽２の培養液Ｍの水位が所定水位となるように、培養液供給配管６から光合成微生物培養槽２に供給される培養液Ｍ０の液量が制御されるようになっている。

光合成微生物の培養を屋外で実施する場合、光合成微生物が光合成に必要な光エネルギは太陽から照射される光に依存する。このため、光合成微生物培養装置１は、太陽から照射される光エネルギを測定する光センサ７を備えている。ここで、太陽光の波長のうち、光合成微生物が光合成に利用できる波長域は、一般的に４００ｎｍから７００ｎｍの可視光領域であるとされる。このため、光センサ７は、当該波長を測定することができる光量子束密度計が望ましい。もっとも、可視光領域の波長に含まれる光エネルギは、太陽光の全エネルギのうち４５％程度である。このため、光センサ７は、日射計などの光強度センサであってもよい。なお、光センサ７で測定された光エネルギ（日照量）は、制御装置１０に送信される。

温度センサ８は、光合成微生物培養槽２の培養液Ｍの温度を測定する。なお、温度センサ８で測定された培養液Ｍの温度は、制御装置１０に送信される。温度センサ８は、光合成微生物培養装置１全体に対して１つであってもよく、複数の光合成微生物培養槽２のうちの代表する数個の光合成微生物培養槽２に設置されていてもよい。また、温度センサ８は、光合成微生物培養槽２の培養液Ｍの温度だけでなく、気温、地中温度などを測定し、環境因子データとして測定した方が望ましい。

制御装置１０は、光センサ７、温度センサ８および光合成微生物濃度センサ９の測定値が入力され、液ポンプ４の動作・停止および動作時の送液量を制御することにより、光合成微生物培養装置１全体を制御することができるようになっている。

制御装置１０について、図２を用いてさらに説明する。図２は、制御装置１０の機能ブロック図である。

制御装置１０は、光合成微生物増殖量推算部１１と、光合成微生物濃度推算部１２と、液ポンプ制御部１３と、判定部１４と、を備えている。

光合成微生物増殖量推算部１１は、光センサ７で測定された光エネルギ（日照量）と、温度センサ８で測定された培養液Ｍの温度（または、環境因子データ）と、後述する光合成微生物増殖量推算式と、から、光合成微生物培養槽２における光合成微生物の増殖量（後述するｄＸ／ｄｔ）を推算することができるようになっている。

光合成微生物濃度推算部１２は、光合成微生物増殖量推算部１１で推算した光合成微生物の増殖量に基づいて、光合成微生物培養槽２の光合成微生物濃度を推算することができるようになっている。なお、制御装置１０は、前回の光合成微生物濃度（後述する光合成微生物濃度Ｘ）を記憶しており、前回の光合成微生物濃度（光合成微生物濃度Ｘ）に光合成微生物増殖量推算部１１で推算した光合成微生物の増殖量（ｄＸ／ｄｔ）を加味することにより、現在の光合成微生物濃度（光合成微生物濃度Ｘ）を推算する。

液ポンプ制御部１３は、光合成微生物濃度推算部１２で推算した光合成微生物濃度に基づいて、液ポンプ４の動作・停止および動作時の送液量を制御することができるようになっている。光合成微生物培養装置１で回分培養運転を行う場合、光合成微生物濃度推算部１２で推算した光合成微生物濃度が所定の濃度以上となると、液ポンプ４を動作させ、光合成微生物回収装置５で光合成微生物を回収する。光合成微生物培養装置１で連続培養運転を行う場合、光合成微生物濃度推算部１２で推算した光合成微生物濃度が、最大増殖速度を得るための最適な光合成微生物濃度の範囲内となるように、液ポンプ４の送液量を制御する。

判定部１４は、光合成微生物濃度センサ９で実測された光合成微生物濃度を用いて判定を行う。判定部１４の詳細については後述する。

＜光合成微生物増殖量推算式＞
ここで、光合成微生物増殖量推算部１１の光合成微生物の増殖量を推算する光合成微生物増殖量推算式について説明する。光合成微生物増殖量推算式は、微生物の増殖速度式を元にすることができる。ここで、微生物の増殖速度式として、一般には、Ｍｏｎｏｄ式に代表される式（１）のようなモデル式が知られている。本実施形態に用いる光合成微生物増殖量推算式としては、式（１）を修正した式（２）を用いる。

ここで、Ｘは光合成微生物濃度（藻体濃度）［ｋｇ／ｍ³ ］であり、ｔは時間［ｈ］であり、Ｓ₁ は制限基質濃度［単位は制限基質による］であり、Ｋ₁ は制限基質の半飽和定数［単位は制限基質による］であり、μは比増殖速度［１／ｈ］であり、Ｔは培養液の温度［℃］であり、ｋ_T は温度Ｔに依存する温度影響係数［−］（無次元）であり、Ｋ_d は呼吸速度係数［−］（無次元）である。

なお、基質とは、光合成微生物が光合成で増殖するのに際して必要なエネルギ・物質のことであり、具体的には、光エネルギ、二酸化炭素、栄養塩類等である。制限基質とは、光合成微生物が光合成で増殖するのに際してボトルネックとなる基質のことであり、具体的には、本実施形態では光エネルギである。

光合成微生物が光合成で増殖する場合、制限基質濃度Ｓ₁ に光エネルギ（日照量）を当てはめることにより、光合成微生物の増殖量を推算することができる。水面に照射された光は培養液中の光合成微生物によって減衰するため、光合成微生物が受光する光エネルギは水深で異なる。光の減衰はランバート・ベール則に従い、水深に応じた光強度は、水面に照射された光強度、光合成微生物の濃度、光合成微生物がもつ吸光係数から計算することができる。ランバート・ベール則と式（２）を連立させ、水深で積分した推算式を用いることもできる。

一方、光が当たらない、夜間や悪天候時などにおいては、光合成による光合成微生物の増加量よりも、呼吸による光合成微生物の減少量が上回り、光合成微生物濃度が減少傾向に転じることがある。この呼吸による光合成微生物の減少量を加味して光合成微生物濃度変化を推定するために、式（２）に示す光合成微生物増殖量推算式は、呼吸による光合成微生物濃度の減少速度を加味する項（−Ｋ_d ・Ｘ）を加えている。これにより、１日の明暗サイクルに応じた光合成微生物濃度の変化を加味する推算式としている。

また、非特許文献［北岡正三郎編、「ユーグレナ−生理と生化学」、株式会社学会出版センター、1989年12月10日、p.232、l.15-l.25］には、ユーグレナは、培養温度が２９℃で生育速度が最大となり、培養温度を２５℃および２０℃に低下させると生育が遅くなることが記載されている。また、培養温度を上昇させても生育は遅くなり、さらに培養温度を上げ、培養温度が３４℃以上で死に至ることが記載されている。このため、各温度Ｔで培養した結果得られた増殖への影響を温度影響係数ｋ_T として、式（２）に示す光合成微生物増殖量推算式に加えている。

このように、本実施形態に係る光合成微生物培養装置１は、光センサ７で培養環境の光エネルギ（日射量、制限基質濃度Ｓ₁ ）を測定し、温度センサ８で培養液Ｍの温度（温度Ｔ）を測定し、その実測データを式（１）に示す光合成微生物増殖量推算式に当てはめることで、経時的な光合成微生物の推算が可能になる。なお、半飽和定数Ｋ₁ 、比増殖速度μ、呼吸速度係数Ｋ_d 、温度Ｔと温度影響係数ｋ_T との対応関係を示すマップは、予め、実験等により求めておき、制御装置１０の記憶部（図示せず）に記憶されている。

なお、式（２）に示す光合成微生物増殖量推算式は、光エネルギと温度の関数としたが、培養液Ｍの溶存二酸化炭素濃度など、増殖速度の律速要因となるものを予め把握し、影響を数式化することで、律速要因の中で最も増殖速度を制限する要因にしたがって増殖速度が変化する式を作成し、利用してもよい。

また、屋内において光合成微生物に一定強度の光エネルギを与えた際のデータに基づいて、半飽和定数Ｋ₁ 、比増殖速度μ、呼吸速度係数Ｋ_d 、温度Ｔと温度影響係数ｋ_T との対応関係を示すマップを決定すると、式（２）に示す光合成微生物増殖量推算式と実際の培養とで、差異が生じる場合もある。この場合には、式（２）に示す光合成微生物増殖量推算式に修正項を加えることにより、修正してもよい。

ここで、光合成微生物としてユーグレナを培養した具体例を図３に示す。図３は、増殖量推算式で推算した値と実測値とを対比するグラフである。なお、図３において、横軸は培養日数（時間ｔに相当）であり、縦軸は藻体量（光合成微生物濃度Ｘに相当）である。また、光センサ７および温度センサ８の測定値を式（２）に示す光合成微生物増殖量推算式に与えて演算した推定値を実線で示し、実測値を■（黒で塗り潰した四角）で示し、実測値を結んだ曲線を破線で示す。

図３に示すように、式（２）に示す光合成微生物増殖量推算式の推定値は、実測値とよく一致している。即ち、式（２）に示す光合成微生物増殖量推算式を用いることにより、好適に光合成微生物濃度を推算することができる。

＜光合成微生物＞
本実施形態に用いることのできる光合成微生物としては、ユーグレナ（Euglena）を挙げることができる。ユーグレナは鞭毛虫の一群で、運動性のある藻類として有名なミドリムシを含む。大部分のユーグレナは、葉緑体を持っており、光合成を行って独立栄養生活を行うが、捕食性のものや吸収栄養性のものもある。
ユーグレナは、動物学と植物学の双方に分類される属である。
動物学では、原生動物門（Protozoa）の鞭毛虫綱（Mastigophorea）、植物鞭毛虫亜綱（Phytomastigophorea）に属する目の中にミドリムシ目（Euglenida）があり、これは三つの亜目、Euglenoidina、Peranemoidina、Petalomonadoidinaよりなる。
Euglenoidinaには、属としてEuglena、Trachelemonas、Strombonas、Phacus、Lepocinelis、Astasia、Colaciumが含まれる。
植物学では、ミドリムシ植物門（Euglenophyta）があり、その下にミドリムシ藻類綱（Euglenophyceae）、ミドリムシ目（Euglenales）があって、この目に含まれる属としてはEuglenaの他、動物分類表と同様である。
これ以外にも、シアノバクテリア、緑藻およびトレボキシア、プラシノ藻（緑色藻類）、原始紅藻類、珪藻、円石藻、渦べん毛藻、真眼点藻、黄金色藻などから１種または２種以上を選択して用いることができる。

なお、シアノバクテリアとしては、例えば、Chroococcacae、Stigonematacae、MastigocladacaeおよびOscillatroriacaeを挙げることができる。また、その他にも、Synechococcus lividusおよびSynechococcus elongatusなどのSynechococcusや、Synechocystis minervaeなどのSynechocystisや、Mastigocladus laminosusなどのMastigocladusや、Phormidium laminosusなどのPhormidiumや、Symploca thermalisなどのSymplocaや、Aphanocapsa thermalisなどのAphanocapsaや、Fisherellaなどを挙げることができる。
さらには、アナべナ（Anabaena）属に属するアナべナ・バリアビリス（Anabanena variabilis）ＡＴＣＣ ２９４１３、シアノテセ（Cyanothece）属のCyanothece sp. ＡＴＣＣ ５１１４２、シネノコッカス（Synechococcus）属に属するSynechococcus sp. ＰＣＣ ７９４２およびアナシスティス（Anacystis）属に属するアナシスティス・ニデュランス（Anacystis nidulans）および好熱性シアノバクテリアなどを用いることができる。

緑藻およびトレボキシアとしては、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）、クラミドモナス、ドナリエラ、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、およびデスモデスムスなどの気生藻を挙げることができる。具体的には、Chlorella vulgarisおよびChlorella saccharophilaなどのクロレラ（Chlorella）、Dunaliella salina、Dunaliella tertiolectaなどのDunaliella、並びに光合成などの基本的な性質は同じであるが、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）を挙げることができる。また、クラミドモナス（Chlamydomonas）属に属するクラミドモナス・ラインハルディ（Chlamydomonas reinhardtii）、クラミドモナス・モエブシィ（Chlamydomonas moewusii）、クラミドモナス・ユーガメタス（Chlamydomonas eugametos）、クラミドモナス・セグニス（Chlamydomonas segnis）、セネデスムス（Senedesmus）属に属するセネデスムス・オブリクス（Senedesmus obliquus）、スティココッカス（Stichococcus）属に属するスティココッカス・アンプリフォルミス（Stichococcus ampliformis）、ナンノクロリス（Nannochloris）属に属するナンノクロリス・バシラリス（Nannochloris bacillaris）、およびデスモデスムス（Desmodesmus）属に属するデスモデスムス・スブスピカツス（Desmodesmus subspicatus）などを挙げることができる。

また、プラシノ藻（緑色藻類）としては、例えば、テトラセルミスなどを挙げることができ、原始紅藻類としては、例えば、シアニディオシゾン、シアニディウム、ガルディエリア、ポルフィリディウムなどを挙げることができる。
なお、本実施形態に用いることのできる光合成微生物は、光合成によりバイオ燃料およびバイオ燃料の原料となりうる成分を生成し、細胞内に蓄積することができ、溶存酸素低減処理により沈降性が向上できるものであれば用いることができ、前記したものに限定されるものではない。

＜培養液Ｍ＞
光合成微生物としてユーグレナを用いる場合、培養液Ｍとして、例えば、改変Cramer-Myers培地（（ＮＨ₄）₂ＨＰＯ₄ １．０ｇ／Ｌ、ＫＨ₂ＰＯ₄ １．０ｇ／Ｌ、ＭｇＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏ ０．２ｇ／Ｌ、ＣａＣｌ₂・２Ｈ₂Ｏ ０．０２ｇ／Ｌ、Ｆｅ₂（ＳＯ₂）₃・７Ｈ₂Ｏ ３ｍｇ／Ｌ、ＭｎＣｌ₂・４Ｈ₂Ｏ １．８ｍｇ／Ｌ、ＣｏＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏ １．５ｍｇ／Ｌ、ＺｎＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏ ０．４ｍｇ／Ｌ、Ｎａ₂ＭｏＯ₄・２Ｈ₂Ｏ ０．２ｍｇ／Ｌ、ＣｕＳＯ₄・５Ｈ₂Ｏ ０．０２ｍｇ／Ｌ、チアミン塩酸塩（ビタミンＢ１） ０．１ｍｇ／Ｌ、シアノコバラミン（ビタミンＢ１２）０．０００５ｍｇ／Ｌ、（ｐＨ３．５））を用いることができる。なお、（ＮＨ₄）₂ＨＰＯ₄は、（ＮＨ₄）₂ＳＯ₄やＮＨ₃ａｑに変換することも可能である。
なお、培養液Ｍは、用いる光合成微生物に適した培地を用いればよく、これに限定されるものでないことはいうまでもない。

＜散気ガス（ＣＯ₂ 含有ガス）＞
散気手段（図示せず）から光合成微生物培養槽２の培養液Ｍに散気される散気ガスは、ＣＯ₂ を含有するガスであればよく、例えば、工場や火力発電所から排出される燃料排ガスを用いてもよい。なお、散気ガスとして燃料排ガスを用いる場合、集塵機、脱硝装置、脱硫装置により、燃料排ガス塵埃、ＮＯｘ（窒素酸化物）、ＳＯｘ（硫黄酸化物）を取り除くことが好ましい。

＜制御フロー（連続培養）＞
次に、第１実施形態に係る光合成微生物培養装置１の制御方法について説明する。図４は、第１実施形態に係る光合成微生物培養装置１における制御フローチャートである。

ここで、前述したように、光合成微生物においては、最大増殖速度を得るための最適な光合成微生物濃度の範囲が存在する。このため、光合成微生物培養槽２においては、限界濃度に達するまで増殖させるよりも、最大増殖速度を維持できるように、最適な光合成微生物濃度の範囲に保ったまま、タイミングよく生産された光合成微生物（微細藻類）を回収することが好ましい。このため、図４に示す制御フローチャートは、連続培養において、光合成微生物濃度を所定の範囲に収束するように、液ポンプ４の送液量を制御する。

ステップＳ１０１において、制御装置１０の光合成微生物増殖量推算部１１は、温度センサ７および光センサ８の測定値に基づいて、光合成微生物増殖量を推算する。
ステップＳ１０２において、制御装置１０の光合成微生物濃度推算部１２は、ステップＳ１０１で推算された光合成微生物増殖量に基づいて、光合成微生物濃度を推算する。

ステップＳ１０３において、制御装置１０は、ステップＳ１０２で推算された光合成微生物濃度が、上限閾値以内であるか否かを判定する。なお、上限閾値とは、最大増殖速度を得るための最適な光合成微生物濃度の範囲に基づいて設定された範囲の上限値である。推算された光合成微生物濃度が上限閾値以内である場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、制御装置１０の処理はステップＳ１０４に進む。推算された光合成微生物濃度が上限閾値以内でない場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、制御装置１０の処理はステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０４において、制御装置１０は、ステップＳ１０２で推算された光合成微生物濃度が、下限閾値以上であるか否かを判定する。なお、下限閾値とは、最大増殖速度を得るための最適な光合成微生物濃度の範囲に基づいて設定された範囲の下限値である。推算された光合成微生物濃度が下限閾値以上である場合（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、制御装置１０の処理はステップＳ１０５に進む。推算された光合成微生物濃度が下限閾値以上でない場合（Ｓ１０４・Ｎｏ）、制御装置１０の処理はステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０５において、制御装置１０の液ポンプ制御部１３は、液ポンプ４の送液量が基本値となるように制御する。
ステップＳ１０６において、制御装置１０の液ポンプ制御部１３は、液ポンプ４の送液量が基本値よりも増加するように制御する。
ステップＳ１０７において、制御装置１０の液ポンプ制御部１３は、液ポンプ４の送液量が基本値よりも減少するように制御する。

（作用・効果）
このように、第１実施形態に係る光合成微生物培養装置１によれば、光合成微生物の増殖に大きく影響する光強度、日照時間、温度を光センサ７および温度センサ８で測定して、光合成微生物増殖量推算式で光合成微生物の増殖量を推算し、光合成微生物濃度を推算する。これにより、光合成微生物培養槽２ごとに高価な光合成微生物濃度センサ９を設置することなく、光合成微生物培養槽２の光合成微生物濃度が最大増殖速度を得るための最適な光合成微生物濃度の範囲に基づいて設定された範囲に収束するように制御することができ、低コストで、効率よく光合成微生物を培養することができる。

また、光合成微生物回収装置５の光合成微生物濃度センサ９で培養液Ｍの光合成微生物濃度を実測し、この実測値と推定値とを対比して、光合成微生物増殖量推算式の定数・係数等（式（２）では半飽和定数Ｋ₁ 、比増殖速度μ、呼吸速度係数Ｋ_d 、温度Ｔと温度影響係数ｋ_T との対応関係を示すマップ）を修正するようにしてもよい。これにより、推定性能を向上させることができる。

≪第２実施形態≫
次に、第２実施形態に係る光合成微生物培養装置１について、図５を用いて説明する。なお、第１実施形態に係る光合成微生物培養装置１は連続培養（図４参照）を行うのに対し、第２実施形態に係る光合成微生物培養装置１は回分培養（図５参照）を行う点で異なっている。第２実施形態に係る光合成微生物培養装置１の構成は、図１に示す第１実施形態に係る光合成微生物培養装置１と同様であり、説明を省略する。

＜制御フロー（回分培養）＞
第２実施形態に係る光合成微生物培養装置１の制御方法について説明する。図５は、第２実施形態に係る光合成微生物培養装置１における制御フローチャートである。なお、開始時において、液ポンプ４は停止している。

ステップＳ２０１において、制御装置１０の光合成微生物増殖量推算部１１は、温度センサ７および光センサ８の測定値に基づいて、光合成微生物増殖量を推算する。
ステップＳ２０２において、制御装置１０の光合成微生物濃度推算部１２は、ステップＳ２０１で推算された光合成微生物増殖量に基づいて、光合成微生物濃度を推算する。

ステップＳ２０３において、制御装置１０は、ステップＳ２０２で推算された光合成微生物濃度が、所定の第１閾値以上であるか否かを判定する。なお、第１閾値とは、光合成微生物の回収を開始するか否かを判定するための閾値である。推算された光合成微生物濃度が第１閾値以上である場合（Ｓ２０３・Ｙｅｓ）、制御装置１０の処理はステップＳ２０４に進む。推算された光合成微生物濃度が第１閾値以上でない場合（Ｓ２０３・Ｎｏ）、制御装置１０の処理はステップＳ２０１に戻り、光合成微生物の培養を継続する。

ステップＳ２０４において、制御装置１０の液ポンプ制御部１３は、液ポンプ４を動作させ、光合成微生物培養槽２の光合成微生物を含んだ培養液Ｍを光合成微生物回収装置５に送液する。即ち、光合成微生物の回収を開始する。
ステップＳ２０５において、制御装置１０は、光合成微生物回収装置５の入口側に設けられた光合成微生物濃度センサ９を用いて、光合成微生物濃度を実測する。

ステップＳ２０６において、制御装置１０の判定部１４は、ステップＳ２０５で実測された光合成微生物濃度が、所定の第２閾値以上であるか否かを判定する。なお、第２閾値とは、光合成微生物の回収を中止するか否かを判定するための閾値である。実測された光合成微生物濃度が第２閾値以上である場合（Ｓ２０６・Ｙｅｓ）、制御装置１０の処理はステップＳ２０９に進む。実測された光合成微生物濃度が第２閾値以上でない場合（Ｓ２０６・Ｎｏ）、制御装置１０の処理はステップＳ２０７に進む。

ステップＳ２０７において、制御装置１０の液ポンプ制御部１３は、液ポンプ４を停止させる。即ち、光合成微生物の回収を中止する。
ステップＳ２０８において、制御装置１０は、記憶している光合成微生物濃度をステップＳ２０５で実測した光合成微生物濃度とする。そして、制御装置１０の処理はステップＳ２０１に戻り、光合成微生物の培養を継続する。

ステップＳ２０９において、制御装置１０は、光合成微生物の回収を終了するか否かを判定する。光合成微生物の回収を終了する場合（Ｓ２０９・Ｙｅｓ）、制御装置１０の処理はステップＳ２１０に進む。光合成微生物の回収を終了しない場合（Ｓ２０９・Ｎｏ）、制御装置１０の処理はステップＳ２０９を繰り返す。なお、光合成微生物の回収を終了するか否かを判定方法は、限定されるものではない。例えば、光合成微生物培養槽２内の光合成微生物を含んだ培養液Ｍを全量回収した場合に終了と判定する。

ステップＳ２１０において、制御装置１０の液ポンプ制御部１３は、液ポンプ４を停止させる。即ち、光合成微生物の回収を終了する。

（作用・効果）
このように、第２実施形態に係る光合成微生物培養装置１によれば、ステップＳ２０３に示す光合成微生物の回収を開始するか否かの判定を、光センサ７および温度センサ８の測定値から推算した光合成微生物増殖量に基づいて行うことができる。これにより、光合成微生物培養槽２ごとに高価な光合成微生物濃度センサ９を設置することなく、低コストで、効率よく光合成微生物を培養することができる。

また、光合成微生物回収装置５に光合成微生物濃度センサ９を設けることにより、回収を継続する場合には（Ｓ２０６・Ｙｅｓ）、第２閾値以上の高い光合成微生物濃度を確保することができ、効率的な光合成微生物の回収を行うことができる。一方、実測した光合成微生物濃度が第２閾値未満の場合には（Ｓ２０６・Ｎｏ）、光合成微生物の回収を中断することができ、低濃度の培養液から光合成微生物を回収するといった無駄を防止することができる。

加えて、ステップＳ２０８において、制御装置１０が記憶している光合成微生物濃度をステップＳ２０５で実測した光合成微生物濃度とすることができる。これにより、制御装置１０の処理がステップＳ２０１に戻り、式（２）に示す光合成微生物増殖量推算式を用いて光合成微生物増殖量を推算する際、光合成微生物濃度Ｘを実測値とすることができる。また、続くステップＳ２０２において、光合成微生物濃度を推算する際にも、前回の光合成微生物濃度Ｘを実測値とすることができる。これにより、光合成微生物濃度の推算精度を向上させることができ、続くステップＳ２０３に示す光合成微生物の回収を開始するか否かの判定を適切に行うことができる。

光合成微生物培養装置１は、複数（図１では４基）の液ポンプ４を備えており、各液ポンプ４を動作させるタイミングをずらすことにより、液ポンプ４に対応した光合成微生物培養槽２の光合成微生物濃度を光合成微生物濃度センサ９で測定することができる。

≪第３実施形態≫
次に、第３実施形態に係る光合成微生物培養装置１Ａについて、図６を用いて説明する。図６は、第３実施形態に係る光合成微生物培養装置１Ａの構成模式図である。

第３実施形態に係る光合成微生物培養装置１Ａは、１つの液ポンプ４に対して複数（図６の例では１８基）の光合成微生物培養槽２が設けられ、さらに、１つの液ポンプ４に対応する複数（図６の例では１８基）の光合成微生物培養槽２のまとまりに対して、それぞれ光センサ７および温度センサ８が設けられている。即ち、液ポンプ４と、光センサ７と、温度センサ８と、複数（図６の例では１８基）の光合成微生物培養槽２と、から構成されるグループが構成されている。図６の例では、４つのグループＧ１〜Ｇ４が構成されている。光センサ７および温度センサ８は、対応する光合成微生物培養槽２の近傍に配置される。その他の構成は、第１、第２実施形態に係る光合成微生物培養装置１と同様であり、説明を省略する。

そして、制御装置１０は、各グループＧ１〜Ｇ４ごとに、光センサ７および温度センサ８の測定値から光合成微生物増殖量、光合成微生物濃度を推算し、液ポンプ４を制御する。なお、連続培養でも、回分培養であってもよい。

（作用・効果）
広範囲に光合成微生物培養槽２が設置される大規模光合成微生物培養装置の場合、局所的な天候変化や、地形による影響等により、光合成微生物培養槽２の環境要因が一様とならないことが想定される。これに対し、第３実施形態に係る光合成微生物培養装置１Ａによれば、各グループＧ１〜Ｇ４ごとに、光センサ７および温度センサ８の測定値から光合成微生物増殖量、光合成微生物濃度を推算することができるので、コストの増加を抑えつつ、推算精度がより向上し、効率よく光合成微生物を培養することができる。

≪変形例≫
なお、本実施形態（第１〜第３実施形態）に係る光合成微生物培養装置１，１Ａは、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

光合成微生物回収装置５は、液ポンプ４により光合成微生物を含んだ培養液Ｍを回収するものとして説明したが、これに限られるものではない。例えば、光合成微生物培養槽２と光合成微生物回収装置５との間に高低差をつけることにより、光合成微生物培養槽２から光合成微生物回収装置５へと光合成微生物を含んだ培養液Ｍを流入させるようにしてもよい。このような構成の場合、液ポンプ４に変えて、開閉弁、流量調整弁を用いてもよい。

１ 光合成微生物培養装置
２ 光合成微生物培養槽
３ 培養液搬送配管
４ 液ポンプ（送液制御装置）
５ 光合成微生物回収装置
６ 培養液供給配管
７ 光センサ
８ 温度センサ
９ 光合成微生物濃度センサ
１０ 制御装置（光合成微生物濃度推算手段、送液制御手段）
１１ 光合成微生物増殖量推算部（光合成微生物濃度推算手段）
１２ 光合成微生物濃度推算部（光合成微生物濃度推算手段）
１３ 液ポンプ制御部（送液制御手段）
１４ 判定部
Ｍ 培養液
Ｍ０ 培養液
Ｍ１ 上澄み液
Ｍ２ 沈殿物
Ｘ 光合成微生物濃度
Ｔ 温度
Ｐｈ 光エネルギ

Claims (14)

1. 光合成微生物を含んだ培養液を収容し、太陽光を用いて前記光合成微生物を培養する光合成微生物培養槽と、
   太陽から照射される光エネルギを測定する光センサと、
   少なくとも前記光合成微生物培養槽に収容される前記培養液の温度を測定する温度センサと、
   少なくとも前記光センサで測定した前記光エネルギおよび前記温度センサで測定した前記温度に基づいて、前記光合成微生物培養槽に収容される前記培養液の光合成微生物濃度を推算する光合成微生物濃度推算手段と、を備える
   ことを特徴とする光合成微生物培養装置。
2. 前記光合成微生物培養槽から前記培養液ごと前記光合成微生物を回収する光合成微生物回収装置と、
   前記光合成微生物培養槽から前記光合成微生物回収装置への前記光合成微生物を含んだ前記培養液の送液を制御する送液制御装置と、
   前記光合成微生物濃度推算手段で推算した前記光合成微生物濃度に基づいて、前記送液制御装置を制御する送液制御手段と、をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の光合成微生物培養装置。
3. 前記送液制御手段は、
   前記光合成微生物濃度推算手段で推算した前記光合成微生物濃度が、所定の濃度範囲に収束するように、前記送液制御装置の送液量を制御する
   ことを特徴とする請求項２に記載の光合成微生物培養装置。
4. 前記所定の濃度範囲は、上限閾値を有し、
   前記送液制御手段は、
   前記光合成微生物濃度推算手段で推算した前記光合成微生物濃度が、前記上限閾値より大きい場合、前記所定の濃度範囲における送液量よりも増加するように前記送液制御装置の送液量を制御する
   ことを特徴とする請求項３に記載の光合成微生物培養装置。
5. 前記所定の濃度範囲は、下限閾値を有し、
   前記送液制御手段は、
   前記光合成微生物濃度推算手段で推算した前記光合成微生物濃度が、前記下限閾値より小さい場合、前記所定の濃度範囲における送液量よりも減少するように前記送液制御装置の送液量を制御する
   ことを特徴とする請求項３に記載の光合成微生物培養装置。
6. 前記送液制御手段は、
   前記光合成微生物濃度推算手段で推算した前記光合成微生物濃度が、第１閾値以上となると、前記送液制御装置を動作させる
   ことを特徴とする請求項２に記載の光合成微生物培養装置。
7. 前記送液制御装置により前記光合成微生物培養槽から前記光合成微生物回収装置に送液された前記培養液に含まれる前記光合成微生物の濃度を測定する光合成微生物濃度センサをさらに備える
   ことを特徴とする請求項２に記載の光合成微生物培養装置。
8. 前記光合成微生物濃度センサで測定した前記光合成微生物濃度に基づいて、前記光合成微生物濃度推算手段で前記培養液の光合成微生物濃度の推算に用いる式の係数を修正する係数修正部をさらに備える
   ことを特徴とする請求項７に記載の光合成微生物培養装置。
9. 前記送液制御装置により前記光合成微生物培養槽から前記光合成微生物回収装置に送液された前記培養液に含まれる前記光合成微生物の濃度を測定する光合成微生物濃度センサをさらに備え、
   前記光合成微生物濃度センサで測定した前記光合成微生物濃度が、第２閾値未満となると、前記送液制御装置を停止させる
   ことを特徴とする請求項６に記載の光合成微生物培養装置。
10. 前記光合成微生物培養装置は、複数の前記送液制御装置を備え、
    各送液制御装置に対応するように、前記光センサおよび前記温度センサを備え、
    前記光合成微生物濃度推算手段は、
    前記各送液制御装置に対応する前記光センサで測定した前記光エネルギおよび前記温度センサで測定した前記温度に基づいて、前記各送液制御装置に対応する前記光合成微生物培養槽に収容される前記培養液の光合成微生物濃度を前記各送液制御装置ごとに推算する
    ことを特徴とする請求項１に記載の光合成微生物培養装置。
11. 光センサで測定した光エネルギおよび温度センサで測定した培養液の温度に基づいて、光合成微生物培養槽に収容される光合成微生物の前記培養液中における光合成微生物濃度を推算する光合成微生物濃度推算ステップと、
    前記光合成微生物培養槽から光合成微生物回収装置へと前記光合成微生物を含んだ前記培養液を送液する送液制御装置による送液量を前記推算した前記光合成微生物濃度に基づいて制御する送液制御ステップと、を含み、
    前記送液制御ステップは、
    前記推算した光合成微生物濃度が、所定の濃度範囲に収束するように、前記送液制御装置による送液量を制御する
    ことを特徴とする光合成微生物培養方法。
12. 前記所定の濃度範囲は、上限閾値を有し、
    前記送液制御ステップは、
    前記光合成微生物濃度推算手段で推算した前記光合成微生物濃度が、前記上限閾値より大きい場合、前記所定の濃度範囲における送液量よりも増加するように前記送液制御装置の送液量を制御する
    ことを特徴とする請求項１１に記載の光合成微生物培養装置の制御方法。
13. 前記所定の濃度範囲は、下限閾値を有し、
    前記送液制御ステップは、
    前記光合成微生物濃度推算手段で推算した前記光合成微生物濃度が、前記下限閾値より小さい場合、前記所定の濃度範囲における送液量よりも減少するように前記送液制御装置の送液量を制御する
    ことを特徴とする請求項１１に記載の光合成微生物培養装置の制御方法。
14. 光センサで測定した光エネルギおよび温度センサで測定した培養液の温度に基づいて、光合成微生物培養槽に収容される光合成微生物の前記培養液中における光合成微生物濃度を推算する光合成微生物濃度推算ステップと、
    前記光合成微生物培養槽から光合成微生物回収装置へと前記光合成微生物を含んだ前記培養液を送液する送液制御装置を前記推算した前記光合成微生物濃度に基づいて制御する送液制御ステップと、を含み、
    前記送液制御ステップは、
    前記推算した光合成微生物濃度が、第１閾値以上となると、前記送液制御装置を動作させる
    ことを特徴とする光合成微生物培養方法。

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