JP2016096769A

JP2016096769A - 微細藻類の培養方法

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Publication number: JP2016096769A
Application number: JP2014235713A
Authority: JP
Inventors: 宏幸小西; Hiroyuki Konishi; 渡邉　高明; Takaaki Watanabe; 高明渡邉
Original assignee: Kao Corp
Current assignee: Kao Corp
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2016-05-30

Abstract

【課題】微細藻類の培養効率を容易に向上させることができるようにする。【解決手段】微細藻類の培養方法は、微細藻類に光が当たる明期と、光が当たらない暗期とを交互に回繰り返し、明期の長さは３０秒以上、１５分以下であり、暗期の長さは３０秒以上、１５分以下である。【選択図】図４

Description

本開示は、微細藻類の培養方法に関する。

光合成生物である微細藻類は、二酸化炭素を吸収して光合成作用によって脂質、ビタミン類、アミノ酸、色素類、タンパク質、及び多糖類等の有用成分を産生する。このため微細藻類は、サプリメント用や養殖の餌料用として期待されている。また、光合成を行う微細藻類は地球温暖化の原因の１つとされる二酸化炭素を吸収する手段として利用することも検討されている。近年、微細藻類の安価かつ効率的な培養方法が研究されている。

微細藻類を効率的に培養するためには、光合成を行うための光及び二酸化炭素をいかに効率よく利用できるようにするかが重要である。光の利用効率を向上させるために、例えば、光合成能を有する水中生物を分散させた培養液を、光の照射部と非照射部との間を交互に移動させながら培養する方法が検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開平８−８９２３４号公報

しかしながら、特許文献１では、ミリ秒オーダーという短い時間で培養液を照射部から非照射部へ移動させるため特殊な設備が必要となり、設備コストが増大するという問題がある。また、多大なエネルギーが必要となり、投入したエネルギーに見合う培養効率が得られないという問題がある。

本開示の課題は、微細藻類を効率的に培養できるようにすることである。

微細藻類の培養方法の一態様は、微細藻類に光が当たる明期と、光が当たらない暗期とを交互に回繰り返し、明期の長さは３０秒以上、１５分以下であり、暗期の長さは３０秒以上、１５分以下である。

本開示の微細藻類の培養方法によれば、微細藻類を効率的に培養できる。

培養槽の一例を示す平面図である。培養槽の変形例を示す平面図である。培養槽の変形例を示す断面図である。比増殖速度と明期との長さとの関係を示すグラフである。

本開示において、微細藻類とは、酸素を発生する光合成を行う生物の中からコケ植物、シダ植物、及び種子植物を除いた残りのうちの、細胞サイズが直径１μｍ〜１００μｍのものをいう。なお、細胞サイズは、光学顕微鏡を用いて観察倍率４００倍で測定した細胞の長軸径である。微細藻類は、本開示の培養方法によって効率的に培養できる観点から、好ましくは、ユーグレナ、クロレラ、ドナリエラ、又はボツリオコッカスであり、より好ましくはユーグレナである。

本開示でいうユーグレナとは、ユーグレナ属に属する微細藻類であり、動物と植物の双方に分類されている。動物学上では鞭毛虫綱（mastigophorea）に、また植物学上ではユーグレナ藻綱（euglenophyceae）に、それぞれ属する微生物である。具体的には、Euglena gracilis、Euglena gracilis var. bacillaris、Euglena viridis、Astasia longa等が挙げられ、これらの変種や上記株と実質的に同一の藻類学的性質を有する株の変異株も包含される。中でも、取扱の容易性の点から、Euglena gracilis、Euglena gracilis var. bacillaris、Euglena viridis、Astasia longa又はその変種若しくは変異株が好ましい。

本開示において、培養液中の微細藻類に光が当たり、活発に増殖する期間を明期、光が当たらない期間を暗期という。具体的に、培養液表面における光量子束密度が、本開示の培養方法によって効率的に培養できる観点から、好ましくは１００μｍｏｌ／ｍ²／ｓ以上、より好ましくは５００μｍｏｌ／ｍ²／ｓ以上、更に好ましくは６００μｍｏｌ／ｍ²／ｓ以上の状態を明期という。また、培養液表面における光量子束密度が、本開示の培養方法によって効率的に培養できる観点から、好ましくは５０μｍｏｌ／ｍ²／ｓ以下、より好ましくは２０μｍｏｌ／ｍ²／ｓ以下、更に好ましくは１０μｍｏｌ／ｍ²／ｓ以下、更により好ましくは０μｍｏｌ／ｍ²／ｓの状態を暗期という。明期における光量子束密度の上限は特に限定されないが、光による微細藻類の損傷を抑えるという観点から、好ましくは３０００μｍｏｌ／ｍ²／ｓ以下であり、より好ましくは２５００μｍｏｌ／ｍ²／ｓ以下であり、更に好ましくは１５００μｍｏｌ／ｍ²／ｓ以下である。なお、光量子束密度は、例えば、Apogee社製、Quantum Flux Meter MQ200等の光量子計を用いて測定することができる。

本実施形態における微細藻類の培養方法は、微細藻類に光が当たる明期と、光が当たらない暗期とを交互に回繰り返し、明期の長さは、本開示の培養方法によって効率的に培養できる観点から、３０秒以上、好ましくは４５秒以上、より好ましくは１分以上、更に好ましくは３分以上、更により好ましくは４分以上であり、そして、１５分以下、好ましくは１３分以下、より好ましくは１２分以下、更に好ましくは１１分以下であり、暗期の長さは、本開示の培養方法によって効率的に培養できる観点から、３０秒以上、好ましくは４５秒以上、より好ましくは１分以上、更に好ましくは３分以上、更により好ましくは４分以上であり、そして、１５分以下、好ましくは１３分以下、より好ましくは１２分以下、更に好ましくは１１分以下である。明期の長さと、暗期の長さとは同じであっても、明期の長さが暗期の長さよりも長くても、明期の長さが暗期の長さよりも短くてもよい。明期及び暗期の長さは、それぞれ一定であっても、変化してもよい。明期及び暗期の長さが変化する場合、周期的に変化しても、ランダムに変化してもよい。

明期及び暗期はどのようにして作り出してもよい。例えば、光源のオンオフを繰り返すことにより、微細藻類を含む培養液に光が当たる明期と光が当たらない暗期とを作り出すことができる。また、光源を連続してオン状態とし、光源と培養液との間に回転式の遮光板等を設けることにより、明期と暗期とを作り出してもよい。光源には、微細藻類の培養に必要な波長成分が含まれ、必要な光量子束密度が確保できればどのようなものを用いてもよい。例えば、光源としては、太陽光や人工の光源が挙げられる。中でも、経済性の観点から、好ましくは太陽光である。また、人工の光源としては、白熱電球、蛍光灯又は発光ダイオード（ＬＥＤ）等を用いることができる。中でも、消費電力が少ない等の経済性の観点から、好ましくはＬＥＤである。

本実施形態の微細藻類の培養方法は、明期の長さ及び暗期の長さが共に分単位であるため、光源をオンオフする場合においても、高速なスイッチングは必要なく、通常のタイマー等を用いることができる。また、回転式の遮光板を用いる場合にも回転速度は低く抑えることができる。このため、培養設備を簡略化することができ、必要とするエネルギーも小さい。

また、太陽光を用いて微細藻類を培養してもよい。この場合、周期的に太陽光が遮られるようにすればよい。例えば、円形状の培養槽の上に、一定速度で回転する半円形状又は扇形状の遮光板を配置することにより、明期と暗期とを交互に繰り返させることが可能となる。

遮光板を回転させるのではなく、遮光板の位置を固定し、培養液を循環させることにより明期と暗期とを作り出すこともできる。例えば、図１に示すように、培養液を一方向に循環させるレースウェイポンド型の培養槽１００の半分を遮光板１０１により遮光することにより、明期と暗期とを作り出すことができる。培養槽１００における遮光板１０１の下側の領域は、太陽光が遮蔽された暗領域となり、遮光板１０１が設けられていない領域は、太陽光が照射される明領域となる。培養液を一方向に循環させることにより培養液中の微細藻類は、明領域と暗領域とを交互に通過する。微細藻類が明領域を通過する期間は明期となり、暗領域を通過する期間は暗期となる。明期及び暗期の長さは、攪拌装置１０２により培養液の流速を調整することにより設定することができる。図２に示すように、遮光板１０１を複数設けてもよい。

明領域の長さと、暗領域の長さとを同じにすることにより、明期の長さと暗期の長さとを揃えることができる。明領域の長さを、暗領域の長さよりも短くすることにより、明期の長さを暗期の長さよりも短くでき、明領域の長さを、暗領域の長さよりも長くすることにより、明期の長さを暗期の長さよりも長くできる。

更に、図３に示すように、上層と下層とが遮光板１１１により仕切られた培養槽１１０を用いてもよい。この場合上層が明領域となり下層が暗領域となる。攪拌装置１１２を用いて一方向に培養液を流すことにより、上層と下層を入れ替えるように培養液を循環させれば、明期と暗期とを交互に繰り返すことができる。この場合、培養槽１１０の全面で太陽光を受光できるという利点がある。

培養液を流す速度は、培養槽の大きさ、設定した明期及び暗期の長さ等にもよるが、０．０１ｍ／ｓ〜１ｍ／ｓ程度とすることができる。例えば、遮光板に覆われた領域の長さ及び覆われていない領域の長さがそれぞれ１８０ｍである場合には、培養液の流速を０．３ｍ／ｓとすることにより１０分間の明期と、１０分間の暗期とを交互に繰り返させることができる。この程度の流速であれば、通常の攪拌用水車等により達成することができ、特殊な設備を用いなくてよい。また、培養液の攪拌のために必要とするエネルギーは通常の培養の場合とほとんど変わらない。

太陽光を用いる場合には、夜間には暗期が連続する。また、昼間においても天候等により十分な光量子束密度が得られず、暗期が連続する場合が生じる。このような暗期が連続する休止期間が、明期と暗期とが交互に繰り返される培養期間の間に存在していてもかまわない。日照が得られる期間において、所定の長さの明期と暗期とを交互に繰り返すことができれば、同じ期間を連続して明期とする場合よりも高い比増殖速度が得られ増殖効率を向上させることができる。具体的には、同じ日照条件であれば、暗期を設けない場合と比べて培養を開始してから約１／２の時間で定常期に近づけることができる。

太陽光を用いる場合には、夜間の日照が得られない期間に攪拌装置を停止したり、流速を遅くしたりしてもよい。また、太陽光と人工の光源を併用することもできる。微細藻類の生育に必要な光量を確保するという観点における２４時間当たりの明期の長さの総和は、本開示の培養方法によって効率的に培養できる観点から、好ましくは２時間以上、より好ましくは６時間以上、更に好ましくは１０時間以上、そして、経済性の観点から、好ましくは２２時間以下、より好ましくは１８時間以下、更に好ましくは１４時間以下である。

また、明期の長さの総和と暗期の長さの総和の比（[明期の総和]／[暗期の総和]）は特に限定されないが、本開示の培養方法によって効率的に培養できる観点から、好ましくは１／１１以上、より好ましくは１／６以上、更に好ましくは１／３以上、更により好ましくは１／２以上、更により好ましくは５／７以上、更により好ましくは３／４以上であり、そして、好ましくは１１／１以下、より好ましくは６／１以下、更に好ましくは３／１以下、更により好ましくは２／１以下、更により好ましくは７／５以下、更により好ましくは５／４以下である。

培養温度は、培養する微細藻類の生育温度であればよく、例えば、５℃〜４０℃の範囲で設定することができる。また、ユーグレナを培養する場合には、培養温度は、温度による微細藻類の損傷を抑える等の本開示の培養方法によって効率的に培養できる観点から、好ましくは１０℃〜３５℃であり、より好ましくは１５℃〜３０℃であり、更に好ましくは２０℃〜３０℃である。培養設備の大きさ、培養設備が設置された環境、必要とする培養効率及びコスト等を考慮して、積極的な温度制御をしても、積極的な温度制御をしなくてもよい。

培養時間は、特に限定されないが、対数増殖期を過ぎて定常期になるまで、又は定常期になる直前までとすれば培養効率を高くすることができるので、例えば、１日（２４時間）〜１５日（３６０時間）とすることができる。また、ユーグレナの場合には、環境にもよるが、本開示の培養方法によって効率的に培養できる観点から、好ましくは２日〜５日であり、より好ましくは２日〜３日である。但し、必要に応じて対数増殖期の途中で培養を停止したり、定常期を越えて更に培養を続けたりしてもよい。

培養液は、特に限定されず、培養する対象の微細藻類に合わせて適宜選択すればよい。例えば、ユーグレナを培養する場合には、Hutner培地、Koren-Hutner培地又はCramer-Myers培地等を用いることができるが、本開示の培養方法によって効率的に培養できる観点から、好ましくはCramer-Myers培地である。培養の際にエアーバブリング又は二酸化炭素の供給等を行ってもよい。

培養した微細藻類は、そのまま若しくは加工等して飼料又は食品等に用いることができる。また、微細藻類から、脂質、蛋白質、糖質又はその他の成分を抽出することもできる。種々の成分の抽出には既知の方法を用いることができる。例えば、脂質の場合には、有機溶媒で抽出する方法等を用いることができる。抽出の前に微細藻類を粉砕してもよい。微細藻類の粉砕は、例えば、機械的処理、酵素的処理又はこれらの組み合わせ等とすることができる。種々の成分を抽出する処理の前に、培養した微細藻類を濃縮したり、希釈したりする操作を行ってもよい。微細藻類から抽出された種々の成分を必要に応じて更に精製してもよい。

微細藻類から抽出した種々の成分は、他の方法により得られた場合と同様に用いることができる。例えば、脂質の場合、燃料又は医薬品、化粧品若しくは食品の原料等として用いることができる。他の成分についても同様である。

本開示について実施例を用いて更に詳細に説明する。以下の実施例は例示であり、本発明を限定するものではない。

＜微細藻類＞
微細藻類は、国立環境研究所より入手したユーグレナ（Euglena gracilis、NIES-48）とした。

＜細胞密度測定法＞
細胞密度［cells/mL］は培養液を適宜希釈してコールターカウンターＺ２（ベックマンコールター）を用いて測定した。

＜比増殖速度測定法＞
細胞密度の経時変化を測定し、対数増殖期の細胞密度変化量から比増殖速度［ｈ^-1］を算出した（参考：海野他著「新版生物化学工学」、講談社、２０１０年、ｐｐ９２〜９３）。

（実施例１）
培養瓶（ＴＤ４０型）を滅菌（１２１℃、２０分）した後、孔径０．２μｍのフィルターにより滅菌した培地５５ｍＬを無菌的に仕込み、種株５ｍＬを接種した。培地は表１に示すCramer-Myers培地を使用した。通気用ステンレス管を通じて培養瓶の底部から５％ＣＯ₂富化した無菌空気（孔径０．２μｍのフィルター）を３０ｍＬ／分で通気した。培養温度は２８℃とした。光源にはＬＥＤスクエアライト（光電気通信システム）を使用した。タイマーを用いて明期の長さを１分、暗期の長さを１分とした。明期における培養液の液面における光量子束密度は１０００μｍｏｌ／ｍ²／ｓとした。暗期における培養液の液面における光量子束密度は０μｍｏｌ／ｍ²／ｓであった。なお、光源から培養瓶までを黒板で覆うと共に培養瓶の受光面以外を黒色テープで被覆し、他の光が入るのを防いだ。培養時間は１週間とした。比増殖速度は０．０８９ｈ^-1であった。光量子束密度は、光量子計（Apogee社製、Quantum Flux Meter MQ200）を用いて測定した。

（実施例２）
明期の長さを５分、暗期の長さを５分とした以外は実施例１と同様にした。比増殖速度は０．０９６ｈ^-1であった。

（実施例３）
明期の長さを１０分、暗期の長さを１０分とした以外は実施例１と同様にした。比増殖速度は０．０９７ｈ^-1であった。

（比較例１）
明期の長さを１０秒、暗期の長さを１０秒とした以外は実施例１と同様にした。比増殖速度は０．０６２ｈ^-1であった。

（比較例２）
明期の長さを３０分、暗期の長さを３０分とした以外は実施例１と同様にした。比増殖速度は０．０４６ｈ^-1であった。

（比較例３）
明期の長さを１２時間、暗期の長さを１２時間とした以外は実施例１と同様にした。比増殖速度は０．０４９ｈ^-1であった。

図４に明期の長さと比増殖速度との関係をまとめて示す。

１００培養槽
１０１遮光板
１０２攪拌装置
１１０培養槽
１１１仕切り板
１１２攪拌装置

Claims

微細藻類の培養液の液面に光が当たる明期と、光が当たらない暗期とを交互に繰り返し、
前記明期の長さは３０秒以上、１５分以下であり、
前記暗期の長さは３０秒以上、１５分以下である、微細藻類の培養方法。
前記微細藻類は、ユーグレナである、請求項１に記載の培養方法。
前記明期は、前記液面における光量子束密度が１００μｍｏｌ／ｍ²／ｓ以上であり、
前記暗期は、前記液面における光量子束密度が５０μｍｏｌ／ｍ²／ｓ以下である、請求項１又は２に記載の培養方法。