JP2017169517A - 藻類培養装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで藻類を分離する。【解決手段】藻類培養装置は、藻類が懸濁された培養液である藻類液を貯留するとともに、藻類を培養する培養槽１１０と、本体部２１２と、本体部２１２の表面２１２ａから裏面２１２ｂまで貫通する複数の貫通孔（スリット２１４）と、を有する金属製のスクリーン２１０と、培養槽１１０から藻類液を抜き出して、本体部２１２の表面２１２ａに向けて噴射する噴射手段２２０と、本体部２１２の裏面２１２ｂを囲繞し、貫通孔を通過した培養液を収容する収容部２４０と、収容部２４０内に設けられ、紫外線を照射する紫外線照射部２５０と、収容部２４０内の培養液を培養槽１１０に返送する返送手段２９０と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、藻類を培養する藻類培養装置に関する。

近年、バイオ燃料（炭化水素やバイオディーゼル）や、生理活性物質等を産生することができる藻類（特に、微細藻類）が注目されており、このような藻類から燃料や生理活性物質等を取り出したり、藻類自体を食品、薬、化粧品等に利用したりすることが検討されている。

藻類から燃料等を取り出したり、藻類自体を食品等に利用したりするには、培養装置で藻類を大量に培養する必要がある。藻類を大量に培養する培養装置として、例えば、特許文献１には、培養液の液面が大気開放されている培養装置（開放系リアクタ）であるレースウェイ型（オープンポンド型、屋外池型とも呼ばれる）が開示されている。そして、培養装置において培養液中で培養された藻類は、培養液から分離された後、所定の処理が施されて、燃料、食品等に加工される。

特開２０１１−２３９７４６号公報

このように藻類を大量培養するには、大量の培養液が必要となるが、培養中にコンタミネーション（雑菌の混入）が生じるおそれがある。特に上記開放系リアクタでは、雑菌の混入確率が高いことから、藻類を分離した後の培養液は廃棄され、培養装置には新たな培養液が供給されていた。このため、培養コストが上昇してしまうという課題があった。したがって、低コストで藻類を培養できる技術の開発が希求されている。

本発明は、このような課題に鑑み、低コストで藻類を培養できる藻類培養装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の藻類培養装置は、藻類が懸濁された培養液である藻類液を貯留するとともに、該藻類を培養する培養槽と、本体部と、該本体部の表面から裏面まで貫通する複数の貫通孔と、を有する金属製のスクリーンと、前記培養槽から藻類液を抜き出して、前記本体部の表面に向けて噴射する噴射手段と、前記本体部の裏面を囲繞し、前記貫通孔を通過した培養液を収容する収容部と、前記収容部内に設けられ、紫外線を照射する紫外線照射部と、前記収容部内の培養液を前記培養槽に返送する返送手段と、を備えたことを特徴とする。

また、前記収容部内の下部には、前記培養液を貯留する貯留部が設けられ、前記紫外線照射部は、前記貯留部に設けられ、前記返送手段は、前記貯留部に貯留された培養液を返送するとしてもよい。

また、前記収容部内の下部には、前記培養液を貯留する貯留部が設けられ、前記収容部内には、前記貫通孔を通過した培養液を前記貯留部に案内する案内板が設けられ、前記紫外線照射部は、前記案内板に設けられ、前記返送手段は、前記貯留部に貯留された培養液を返送するとしてもよい。

また、前記紫外線照射部は、前記本体部の裏面に設けられるとしてもよい。

また、前記貫通孔を通過した培養液の濁度を測定する濁度測定部と、測定された前記濁度に基づいて、前記紫外線照射部を制御する照射制御部と、を備えるとしてもよい。

また、前記紫外線照射部は、太陽光をエネルギー源として発電する発電装置が生成した電力で紫外線を照射するとしてもよい。

また、前記収容部に酸化促進剤を供給する酸化促進手段を備えるとしてもよい。

本発明によれば、低コストで藻類を培養することが可能となる。

藻類培養装置を説明する図である。 分離再生ユニットを説明する図である。 スクリーンの具体的な構成について説明する図である。 噴射手段による藻類液の噴射態様について説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（藻類培養装置１００）
本実施形態では、培養液中で藻類を培養する藻類培養装置１００について説明する。なお、藻類としてボツリオコッカスを例に挙げて説明する。また、ボツリオコッカスは、野生株であってもよいし、遺伝子組み換えや、突然変異を誘発させることによって粒径を肥大化させた変異株であってもよい。

図１は、本実施形態にかかる藻類培養装置１００を説明する図である。図１に示すように、藻類培養装置１００は、培養槽１１０と、分離再生ユニット１２０と、発電装置１３０とを含んで構成される。なお、図１中、液体の流れを矢印で示す。

培養槽１１０は、上面に開口部１１２を有し、藻類が懸濁された培養液である藻類液を貯留する。そして、開口部１１２から藻類液に太陽光１０が照射されることにより、培養槽１１０内において藻類が培養（増殖）されることとなる。本実施形態において、培養槽１１０は、水平方向に並列する複数の分割領域１１４（図１中、１１４Ａ〜１１４Ｄで示す）に分割されている。なお、培養槽１１０は、分割領域１１４の水面が、分割領域１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃ、１１４Ｄの順で徐々に低くなるように構成されている。

詳しくは後述するが、分離再生ユニット１２０は、培養槽１１０から藻類液を抜き出した後、藻類液を藻類と培養液とに分離し、分離した培養液を再生（殺菌）して培養槽１１０に返送する。本実施形態において、分離再生ユニット１２０は、培養槽１１０における一端側に形成された分割領域１１４Ｄから藻類液を抜き出すとともに、再生した培養液を、培養槽１１０における他端側に形成された分割領域１１４Ａに返送する。したがって、培養槽１１０において、培養液（藻類液）は、分割領域１１４Ａ、分割領域１１４Ｂ、分割領域１１４Ｃ、分割領域１１４Ｄの順で移動することとなる。

分離再生ユニット１２０が、分割領域１１４Ｄから藻類液を抜き出し、分割領域１１４Ｄから最も遠い位置に配される分割領域１１４Ａに培養液を返送する構成により、再生された培養液の滞留時間を長くすることができる。すなわち、再生された培養液がショートカットされて（わずかな滞留時間で）分離再生ユニット１２０に導入される事態を回避することができ、培養液の再生効率を向上させることが可能となる。

また、分離再生ユニット１２０によって分離された藻類のうち、一部は再生された培養液とともに培養槽１１０に返送され、その他は、所定の処理が施されて、燃料、食品等に加工される。

発電装置１３０は、太陽光１０をエネルギー源として発電し、生成した電力を分離再生ユニット１２０に供給する。

このように、本実施形態の藻類培養装置１００では、培養槽１１０で使用された培養液を再生して培養槽１１０に返送することで、培養液に要するコストを削減でき、低コストで藻類を培養することが可能となる。以下、培養液を再生する分離再生ユニット１２０の具体的な構成について説明する。

図２は、分離再生ユニット１２０を説明する図である。なお、本実施形態において、図２をはじめ以下の図では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。また、図２中、藻類液、培養液、藻類、酸化促進剤等の物質の流れを実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。

図２に示すように、分離再生ユニット１２０は、スクリーン２１０と、噴射手段２２０と、藻類回収槽２３０と、収容部２４０と、案内板２４４と、紫外線照射部２５０と、酸化促進手段２６０と、濁度測定部２７０と、酸化測定部２７２と、中央制御部２８０と、返送手段２９０とを含んで構成される。

スクリーン２１０は、藻類液から培養液の一部を取り除く。図３は、スクリーン２１０の具体的な構成について説明する図であり、図３（ａ）はスクリーン２１０の平面図を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線断面図を示す。なお、図３中、理解を容易にするために、スリット２１４を実際より大きく示す。

図３に示すように、スクリーン２１０は、ステンレス等の金属で構成された、板状の本体部２１２を含んで構成される。スクリーン２１０は、図３（ｂ）に示すように、本体部２１２の一端側２１２ｃが他端側２１２ｄより鉛直上方（図３中、Ｚ軸方向）となるように配されている。

本体部２１２は、表面２１２ａ側が凹みとなる湾曲形状に形成されており、本体部２１２には、本体部２１２の表面２１２ａから裏面２１２ｂまで貫通するとともに、図３中Ｙ軸方向に延在したスリット２１４（貫通孔）が複数形成されている。また、スリット２１４における、図３（ａ）中Ｚ軸方向の幅Ｗは、藻類の最小粒径未満の大きさとなっている。スリット２１４の幅を藻類の最小粒径未満とすることにより、藻類がスリット２１４を通過してしまう事態を回避することができ、藻類の回収効率の低減を防止することが可能となる。なお、藻類の最小粒径は、粒度分布計等の既存の粒径測定装置で測定することができるため、ここでは、詳細な説明は省略する。また、藻類がコロニーを形成する場合、スリット２１４の幅を、コロニーの最小粒径未満とするとよい。

図２に戻って説明すると、噴射手段２２０は、一端が培養槽１１０（分割領域１１４Ｄ）に貯留された藻類液に浸漬されるとともに、他端にノズル２２２ａが接続された配管２２２と、配管２２２に設けられたポンプ２２４とを含んで構成され、培養槽１１０から藻類液を吸引し、吸引した藻類液をスクリーン２１０に噴射する。ノズル２２２ａは、配管２２２に接続された基端から先端に向かうに従って流路断面積が漸減するテーパ形状となっている。

図４は、噴射手段２２０による藻類液の噴射態様について説明する図である。なお、図４中、理解を容易にするために、収容部２４０、紫外線照射部２５０を省略する。図４中、ハッチングの矢印で示すように、噴射手段２２０は、スクリーン２１０の本体部２１２の表面２１２ａに向けて藻類液を噴射する。そうすると、藻類液中の一部の培養液がスリット２１４を通過してスクリーン２１０の下方に落下し（図４中、白抜き矢印で示す）、本体部２１２の表面２１２ａ上には、一部の培養液が取り除かれた藻類液（図４中、黒い塗りつぶしで示す。また、以下、「濃縮藻類液」と称する。）が残存することとなる。また、噴射手段２２０が藻類液を噴射することにより、噴射の流れによって培養液を効率よくスリット２１４に通過させることができ、藻類液の脱水効率（藻類液から培養液を除去する効率）を向上させることが可能となる。

また、本実施形態において、噴射手段２２０は、本体部２１２の少なくとも一部の表面２１２ａの面方向に交差する方向、つまり、本体部２１２の少なくとも１の法線と交差する方向であり、また、一端側２１２ｃから他端側２１２ｄに向かう方向に藻類液を噴射する。これにより、濃縮藻類液は、噴射の衝撃で一端側２１２ｃから他端側２１２ｄに向かう方向に移動する。さらに、上記したように、スクリーン２１０の本体部２１２は、一端側２１２ｃが他端側２１２ｄよりも鉛直上方に配されるため、濃縮藻類液を、自重で一端側２１２ｃから他端側２１２ｄに移動させることもできる。したがって、濃縮藻類液を移動させるための専用の動力が不要となり、動力に要するコストを削減することが可能となる。

このように濃縮藻類液は、一端側２１２ｃから他端側２１２ｄへ移動し、移動過程において、スリット２１４を通じてさらに培養液が取り除かれることとなる。そして、他端側２１２ｄに到達した濃縮藻類液は、自重で落下し、藻類回収槽２３０に収容されることとなる。

藻類回収槽２３０は、本体部２１２の他端側２１２ｄより下方、かつ、上部開口２３０ａが他端側２１２ｄに臨んで配され、濃縮藻類液を収容する。

図２に戻って説明すると、収容部２４０は、スクリーン２１０の本体部２１２の裏面２１２ｂを囲繞し、スリット２１４を通過した培養液（スクリーン２１０によって分離された培養液）を収容する。

スリット２１４を通過した培養液は、自重で収容部２４０内を落下することから、収容部２４０内の下部には、培養液を貯留する貯留部２４２が形成されることとなる。

また、収容部２４０内には、スリット２１４を通過した培養液を貯留部２４２に案内する案内板２４４が複数設けられている。

紫外線照射部２５０は、収容部２４０内に設けられ、紫外線を照射する。本実施形態において、紫外線照射部２５０は、ＬＥＤで構成されており、殺菌作用が最も大きい波長（ＤＮＡを破壊する波長、例えば、２５３．７ｎｍ）の紫外線を照射する。

また、本実施形態において、紫外線照射部２５０は、本体部２１２の裏面２１２ｂ、案内板２４４、貯留部２４２に設けられる。紫外線の殺菌効果は、光源（紫外線照射部２５０）からの距離が近い程、また、照射時間が長い程、高い。したがって、収容部２４０（貯留部２４２）における培養液の滞留時間を長くすれば、殺菌効果を高めることができるが、殺菌時間が長時間化してしまう。

そこで、培養液が通過する経路の近傍、すなわち、本体部２１２の裏面２１２ｂ、案内板２４４、貯留部２４２に紫外線照射部２５０を設けることにより、光源から培養液（雑菌）までの距離を短くすることができる。これにより、殺菌効果を高めつつ、殺菌時間の短縮化を図ることが可能となる。

また、本実施形態において、紫外線照射部２５０は、上記発電装置１３０が生成した電力で紫外線を照射する。雑菌は、太陽光１０によって増殖されるため、太陽光１０をエネルギー源として発電する発電装置１３０の発電効率が高い時間（例えば、昼間）と、雑菌の増殖率が高い時間とが概ね一致することとなる。したがって、発電装置１３０が生成した電力で紫外線照射部２５０を駆動する（紫外線を照射させる）ことにより、雑菌の増殖時間に効果的に紫外線を照射させることができ、効率よく殺菌を行うことが可能となる。

酸化促進手段２６０は、収容部２４０に酸化促進剤を供給する。酸化促進手段２６０が供給する酸化促進剤は、例えば、オゾン、過酸化水素、次亜塩素酸である。ここでは、酸化促進手段２６０が酸化促進剤として、オゾンを供給する構成を例に挙げて説明する。

本実施形態において、酸化促進手段２６０は、少なくとも貯留部２４２に設けられる紫外線照射部２５０の上流側にオゾンを供給する。酸化促進手段２６０がオゾンを供給することにより、培養液にオゾンを溶解させることができる。したがって、オゾンが溶解された培養液に紫外線が照射されることとなり、促進酸化処理（ＡＯＰ：Advanced Oxidation Process）を施すことが可能となり、殺菌効果をさらに向上させることができる。

濁度測定部２７０は、後述する返送手段２９０によって収容部２４０から抜き出された培養液（殺菌後の培養液）の濁度を測定する。

酸化測定部２７２は、返送手段２９０によって収容部２４０から抜き出された培養液（殺菌後の培養液）のオゾン（酸化促進剤）の濃度を測定する。

中央制御部２８０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して分離再生ユニット１２０全体を管理および制御する。本実施形態において、中央制御部２８０は、照射制御部２８２、酸化制御部２８４としても機能する。

照射制御部２８２は、濁度測定部２７０によって測定された濁度に基づいて、紫外線照射部２５０を制御する。例えば、照射制御部２８２は、濁度が所定の濁度閾値以上である場合、濁度閾値未満である場合と比較して紫外線の照射頻度（または、照射出力）を上げるように紫外線照射部２５０を制御する。

培養液中の雑菌が相対的に多いと、濁度が大きくなるため、照射制御部２８２が濁度に基づいて紫外線照射部２５０を制御することにより、殺菌効率を向上しつつ、電力消費量を低減することが可能となる。

酸化制御部２８４は、酸化測定部２７２によって測定されたオゾンの濃度に基づいて、酸化促進手段２６０を制御する。例えば、酸化制御部２８４は、オゾンの濃度が所定の濃度閾値以上である場合、濃度閾値未満である場合と比較してオゾン（酸化促進剤）の供給量を下げるように酸化促進手段２６０を制御する。

培養槽１１０に返送される培養液中のオゾンの濃度が高いと、藻類の培養（増殖）を阻害してしまうおそれがあるため、酸化制御部２８４がオゾンの濃度に基づいて酸化促進手段２６０を制御することにより、殺菌効率を向上しつつ、藻類の培養の阻害を防止することが可能となる。

返送手段２９０は、一端が収容部２４０の貯留部２４２に設けられる（培養液に浸漬される）とともに、他端が培養槽１１０（分割領域１１４Ａ）に接続された配管２９２と、配管２９２に設けられたポンプ２９４とを含んで構成され、収容部２４０から再生（殺菌）された培養液を吸引して、培養槽１１０に返送する。

以上説明したように、本実施形態の藻類培養装置１００では、分離再生ユニット１２０が、培養槽１１０で使用された培養液を殺菌（再生）して培養槽１１０に返送することで、使用済みの培養液を再利用することができる。これにより、培養液に要するコストを削減でき、低コストで藻類を培養することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、スクリーン２１０がステンレスで構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、スクリーンは金属製であれば金属種に限定はない。また、スクリーンの表面をコーティングして、本体部２１２の腐食を防止してもよい。

また、上記実施形態において、本体部２１２に設けられる貫通孔として、矩形形状のスリット２１４を例に挙げて説明した。しかし、貫通孔の形状に限定はない。また、貫通孔の大きさは、藻類（またはコロニー）の最小粒径未満であるとよいが、少なくとも１の貫通孔の大きさが藻類の最小粒径未満であればよい。

また、上記実施形態において、すべてのスリット２１４の幅が、藻類の最小粒径未満である場合を例に挙げて説明した。しかし、少なくとも１のスリット２１４の幅が、藻類の最小粒径未満であればよい。

また、上記実施形態において、表面２１２ａ側が凹みとなる湾曲形状である本体部２１２を例に挙げて説明した。しかし、本体部２１２の形状に限定はない。

また、上記実施形態において、紫外線照射部２５０が、本体部２１２の裏面２１２ｂ、貯留部２４２、案内板２４４に設けられる構成を例に挙げて説明したが、本体部２１２の裏面２１２ｂ、貯留部２４２、および、案内板２４４のいずれか１の箇所に紫外線照射部２５０が設けられていてもよい。本体部２１２の裏面２１２ｂに紫外線照射部２５０を設けることで、スリット２１４を通過する培養液すべてに紫外線を照射することができる。貯留部２４２に紫外線照射部２５０を設けることで、返送手段２９０によって返送される培養液すべてに紫外線を照射することができる。また、培養液は、貯留部２４２に貯留されている期間、紫外線に曝されることになるため、殺菌効率を向上させることができる。案内板２４４に紫外線照射部２５０を設けることで、スリット２１４を通過し、貯留部２４２に案内される培養液すべてに紫外線を照射することができる。また、紫外線照射部２５０は、培養液に紫外線を照射できればよく、収容部２４０内であれば、紫外線照射部２５０の設置位置に限定はない。

また、上記実施形態において、紫外線照射部２５０は、発電装置１３０が生成した電力で紫外線を照射する構成を例に挙げて説明した。しかし、紫外線照射部２５０の電力供給源は、発電装置１３０に限らず、商用電源であってもよい。

また、上記実施形態において、紫外線照射部２５０が照射する紫外線の波長が２５３．７ｎｍである構成を例に挙げて説明した。しかし、紫外線照射部２５０は、培養液を殺菌する紫外線を照射できればよく、紫外線の波長に限定はない。例えば、２５３．７ｎｍを含む所定の波長範囲の紫外線を照射してもよい。

また、上記実施形態において、紫外線照射部２５０がＬＥＤで構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、紫外線照射部２５０は、紫外線殺菌灯（水銀灯）で構成されてもよい。

また、上記実施形態において、藻類培養装置１００が培養する藻類として、ボツリオコッカスを例に挙げて説明した。しかし、藻類に限定はなく、例えば、スピルリナ等の微細藻類であってもよいし、微細藻類以外の藻類であってもよい。

本発明は、藻類を培養する藻類培養装置に利用することができる。

１００ 藻類培養装置
１１０ 培養槽
１３０ 発電装置
２１０ スクリーン
２１２ 本体部
２１２ａ 表面
２１２ｂ 裏面
２１４ スリット（貫通孔）
２２０ 噴射手段
２４０ 収容部
２４２ 貯留部
２４４ 案内板
２５０ 紫外線照射部
２６０ 酸化促進手段
２７０ 濁度測定部
２７２ 酸化測定部
２８２ 照射制御部
２９０ 返送手段

Claims (7)

1. 藻類が懸濁された培養液である藻類液を貯留するとともに、該藻類を培養する培養槽と、
   本体部と、該本体部の表面から裏面まで貫通する複数の貫通孔と、を有する金属製のスクリーンと、
   前記培養槽から藻類液を抜き出して、前記本体部の表面に向けて噴射する噴射手段と、
   前記本体部の裏面を囲繞し、前記貫通孔を通過した培養液を収容する収容部と、
   前記収容部内に設けられ、紫外線を照射する紫外線照射部と、
   前記収容部内の培養液を前記培養槽に返送する返送手段と、
   を備えたことを特徴とする藻類培養装置。
2. 前記収容部内の下部には、前記培養液を貯留する貯留部が設けられ、
   前記紫外線照射部は、前記貯留部に設けられ、
   前記返送手段は、前記貯留部に貯留された培養液を返送することを特徴とする請求項１に記載の藻類培養装置。
3. 前記収容部内の下部には、前記培養液を貯留する貯留部が設けられ、
   前記収容部内には、前記貫通孔を通過した培養液を前記貯留部に案内する案内板が設けられ、
   前記紫外線照射部は、前記案内板に設けられ、
   前記返送手段は、前記貯留部に貯留された培養液を返送することを特徴とする請求項１または２に記載の藻類培養装置。
4. 前記紫外線照射部は、前記本体部の裏面に設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の藻類培養装置。
5. 前記貫通孔を通過した培養液の濁度を測定する濁度測定部と、
   測定された前記濁度に基づいて、前記紫外線照射部を制御する照射制御部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の藻類培養装置。
6. 前記紫外線照射部は、太陽光をエネルギー源として発電する発電装置が生成した電力で紫外線を照射することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の藻類培養装置。
7. 前記収容部に酸化促進剤を供給する酸化促進手段を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の藻類培養装置。

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