JP2019058085A - フォトバイトリアクタ - Google Patents

Abstract

【課題】微細藻類等の植物を含有する培養液等の内容物を充填した際に、内容物に光線が十分に到達し、植物を効率よく培養することができ、光合成を効率よく行わせることができるフォトバイオリアクタを提供する。【解決手段】少なくとも内側から第１の樹脂層及び第２の樹脂層を有する中空のフォトバイオリアクタであって、前記第１の樹脂層の屈折率は１．３３以上であり、前記第２の樹脂層は波長変換材料を含有し、前記第１の樹脂層の屈折率は、前記第２の樹脂層の屈折率より大きい、ことを特徴とするフォトバイオリアクタ。【選択図】なし

Description

本発明は、フォトバイトリアクタに関する。

従来、バイオ燃料等の分野で微細藻類等の植物が利用されている。各分野において微細藻類を有効に利用するためには微細藻類を効率よく培養し、光合成を行わせる必要がある。

微細藻類を効率よく培養し、光合成を行わせるために、微細藻類を配管内で培養するフォトバイオリアクタが用いられている。例えば、特許文献１には太陽光または人工光源にさらされる、プラスチック成形体からなるフォトバイオリアクタが提案されている。特許文献１に記載のフォトバイオリアクタは、プラスチック成形体中に反射材を有し、更にフォトクロミック染料を有することにより、紫外線からフォトバイオリアクタ内の反応媒体を保護するとともに、光強度を反応に適した強度に調整している。

特許第５７３８２９０号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているフォトバイオリアクタは、微細藻類の培養効率及び光合成の効率が十分に検討されていない。中空状のフォトバイオリアクタに微細藻類を含有する培養液等の内容物を充填すると、フォトバイオリアクタを構成する材料と、内容物との間で屈折率差が生じる。例えば、樹脂により形成されたフォトバイオリアクタを用いて微細藻類を水中で培養する場合、水の屈折率は１．３３であるので、一般に樹脂の方が屈折率が大きくなる。

フォトバイオリアクタには、太陽光や人工光源による光が外側から入射する。フォトバイオリアクタを構成する樹脂中では、含有物の影響により様々な進行方向に光が進む。当該光が樹脂中から微細藻類を含有する培養液等の内容物に対して斜めに入射した場合、その入射角度によっては樹脂と水との界面で反射が生じ、微細藻類等の植物に十分な光が到達しないという問題がある。

また、特許文献１に記載されていてるフォトバイオリアクタによれば、フォトクロミック染料により紫外線を光合成に必要な波長の光線に変換している。しかしながら、紫外線がフォトクロミック染料により反射されてフォトバイオリアクタを構成する樹脂内を様々な方向に進行するので、波長が変換された光線が系外へ出てしまい、微細藻類等の植物に十分な光線が到達しないという問題がある。

従って、微細藻類等の植物を含有する培養液等の内容物を充填した際に、内容物に光線が十分に到達し、植物を効率よく培養することができ、光合成を効率よく行わせることができるフォトバイオリアクタの開発が求められている。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、微細藻類等の植物を含有する培養液等の内容物を充填した際に、内容物に光線が十分に到達し、植物を効率よく培養することができ、光合成を効率よく行わせることができるフォトバイオリアクタを提供することを目的とする。

本発明者等は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、少なくとも内側から第１の樹脂層及び第２の樹脂層を有する中空のフォトバイオリアクタであって、第１の樹脂層の屈折率は１．３３以上であり、第２の樹脂層は波長変換材料を含有し、第１の樹脂層の屈折率は、第２の樹脂層の屈折率より大きいフォトバイオリアクタによれば、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、下記のフォトバイオリアクタに関する。
１．少なくとも内側から第１の樹脂層及び第２の樹脂層を有する中空のフォトバイオリアクタであって、
前記第１の樹脂層の屈折率は１．３３以上であり、
前記第２の樹脂層は波長変換材料を含有し、
前記第１の樹脂層の屈折率は、前記第２の樹脂層の屈折率より大きい、
ことを特徴とするフォトバイオリアクタ。
２．前記第２の樹脂層は最外層であり、前記波長変換材料は、紫外線の少なくとも一部を可視光に変換する蛍光材料である、項１に記載のフォトバイオリアクタ。
３．前記第１の樹脂層はポリ塩化ビニル樹脂を含有し、前記第２の樹脂層はアクリル系樹脂を含有する、項１又は２に記載のフォトバイオリアクタ。

本発明のフォトバイオリアクタは、微細藻類等の植物を含有する培養液等の内容物を充填した際に、内容物に光線が十分に到達し、植物を効率よく培養することができ、光合成を効率よく行わせることができる。

本発明のフォトバイオリアクタに光が入射した状態の一例を示す断面模式図である。

以下、本発明のフォトバイオリアクタについて詳細に説明する。

本発明のフォトバイオリアクタは、少なくとも内側から第１の樹脂層及び第２の樹脂層を有する中空のフォトバイオリアクタであって、第１の樹脂層の屈折率は１．３３以上であり、第２の樹脂層は波長変換材料を含有し、第１の樹脂層の屈折率は、第２の樹脂層の屈折率より大きいフォトバイオリアクタである。

上記構成の本発明のフォトバイオリアクタは、内側の層である第１の樹脂層の屈折率が外側の層である第２の樹脂層の屈折率より大きい。このため、第１の樹脂層を透過して第２の樹脂層に進入する光が、第１の樹脂層と第２の樹脂層との界面の法線に対して、入射角よりも鋭角に進入することとなる。これにより、第１の樹脂層と内容物との界面での反射が抑制されている。

本発明のフォトバイオリアクタは、また、第１の樹脂層の屈折率が１.３３以上であるので、第１の樹脂層から、微細藻類等の植物を含有する培養液等の内容物に進入する光が、第１の樹脂層と内容物との界面の法線に対して、入射角よりも鈍角に進入することとなる。このため、鋭角に進入した場合のように光が直ぐに内容物を透過してしまうのではなく、内容物中を光がより長い距離を進むこととなり、内容物に光を十分に照射することができる。

上記構成の本発明のフォトバイオリアクタは、また、第１の樹脂層の屈折率が第２の樹脂層の屈折率より大きい。このため、第２の樹脂層及び第１の樹脂層を透過してフォトバイオリアクタ内に入射した光が、微細藻類等の植物を含有する培養液等の内容物を透過し、更にフォトバイオリアクタの反対側の壁面に到達した際に、第１の樹脂層を透過した後、第２の樹脂層で反射され易く、入射角によっては全反射する。このため、本発明のフォトバイオリアクタ内に入射した光が系外に出て行き難くなっており、内容物に光を十分に照射することができる。

本発明のフォトバイオリアクタは、また、第２の樹脂層が波長変換材料を含有するので、紫外線を光合成に必要な波長の光線に変換することができ、植物の光合成の効率を向上させることができる。

本発明のフォトバイオリアクタは、更に、第２の樹脂層が波長変換材料を含有するので、上述のようにフォトバイオリアクタ内に入射し、内容物を透過してフォトバイオリアクタの反対側の壁面に到達した光が、第１の樹脂層を透過した後、第２の樹脂層で反射されることとあいまって、波長変換材料による乱反射が抑制されており、光が系外へ出て行き難くなっており、内容物に光を十分に照射することができる。

本発明のフォトバイオリアクタの層構成としては、少なくとも内側から第１の樹脂層及び第２の樹脂層を有していればよく、例えば、内側から順に第１の樹脂層、接着剤層、第２の樹脂層を有する層構成であってもよい。本発明のフォトバイオリアクタは、光の透過性により一層優れる点で、内側から第１の樹脂層及び第２の樹脂層を有する層構成、すなわち、第１の樹脂層及び第２の樹脂層が接しており、これら以外の層を有しない層構成であることが好ましい。

図１は、本発明のフォトバイオリアクタの一例を示す断面模式図である。図１において、本発明のフォトバイオリアクタはパイプ状となっており、第１の樹脂層１１及び１２、第２の樹脂層２１及び２２により構成されている。また、本発明のフォトバイオリアクタは中空となっており、図１では、微細藻類等の植物を含有する培養液である内容物３が充填されている。

図１において、フォトバイオリアクタには点線で示される光が入射しており、当該光が入射する側の第２の樹脂層２１及び第１の樹脂層１１を界面で屈折しながら透過し、内容物３に進入している。また、内容物３を透過した光は、光が入射した側とは反対側の第１の樹脂層１２を透過し、当該第１の樹脂層１２と第２の樹脂層２２との界面で反射して、再度内容物３に進入している。

（第１の樹脂層）
第１の樹脂層は、本発明のフォトバイオリアクタにおいて、第２の樹脂層よりも内側に位置する層である。

第１の樹脂層に含まれる樹脂としては、第１の樹脂層の屈折率を１.３３以上とし、且つ、後述する第２の樹脂層よりも大きい屈折率とすることができれば特に限定されず、所望の屈折率により適宜選定すればよい。第１の樹脂層に含まれる樹脂としては、ポリ塩化ビニル樹脂；ポリメチル（メタ）アクリレート樹脂等のアクリル系樹脂；ポリカーボネート樹脂；ポリエチレンテレフタレート樹脂等のポリエステル系樹脂；ポリスチレン樹脂；アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合樹脂；メチル（メタ）アクリレート・スチレン共重合樹脂；メチル（メタ）アクリレート・ブタジエン・スチレン共重合樹脂；フッ素樹脂；エポキシ樹脂等が挙げられる。これらの中でも、コスト、成形性及び強度に優れる観点から、ポリ塩化ビニル樹脂が好ましい。

なお、本明細書において（メタ）アクリルとは、アクリル又はメタクリルを意味しており、（メタ）アクリレートとは、アクリレート又はメタクリレートを意味する。

第１の樹脂層に含まれる上記樹脂は、１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用して用いてもよい。

第１の樹脂層の屈折率は１．３３以上である。第１の樹脂層の屈折率が１．３３未満であると、内容物よりも屈折率が小さくなり、内容物に光線が十分に到達することができない。

なお、本明細書において、各層の屈折率は、以下の方法により測定される。すなわち、フォトバイオリアクタを構成する各層の屈折率を測定するための屈折率測定用試料として、フォトバイオリアクタを構成する各層を別途単独で調製し、屈折率を測定する。

本発明のフォトバイオリアクタにおいて、上記第１の樹脂層の屈折率は、後述する第２の樹脂層の屈折率より大きい。第１の樹脂層の屈折率ｎ１と第２の樹脂層の屈折率ｎ２との差（ｎ１−ｎ２）は、０．０３以上が好ましい。（ｎ１−ｎ２）の下限が上記範囲であることにより、より一層内容物に光線が十分に到達する。

第１の樹脂層は、本発明の効果を妨げない範囲で、添加剤を含有していてもよい。

（第２の樹脂層）
第２の樹脂層は、本発明のフォトバイオリアクタにおいて、第１の樹脂層よりも外側に位置する層である。第２の樹脂層は、より一層内容物に光を十分に照射することができる点で、最外層であることが好ましい。

第２の樹脂層に含まれる樹脂としては特に限定されず、所望の屈折率により適宜選定すればよい。第２の樹脂層に含まれる樹脂としては、ポリ塩化ビニル樹脂；ポリメチル（メタ）アクリレート樹脂等のアクリル系樹脂；ポリカーボネート樹脂；ポリエチレンテレフタレート樹脂等のポリエステル系樹脂；ポリスチレン樹脂；アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合樹脂；メチル（メタ）アクリレート・スチレン共重合樹脂；メチル（メタ）アクリレート・ブタジエン・スチレン共重合樹脂；フッ素樹脂；エポキシ樹脂等が挙げられる。これらの中でも、太陽光に対する耐候性に優れ、比較的屈折率を高くし易い点で、アクリル系樹脂が好ましい。なお、上記アクリル系樹脂には、樹脂の一部にメチル（メタ）アクリレートを含むものが好ましい。

第２の樹脂層に含まれる樹脂は、第１の樹脂層に含まれる樹脂と同一の樹脂を用いて、添加剤により屈折率を調整してもよいが、屈折率差をより明確にすることができる点で第１の樹脂層に含まれる樹脂と異なる樹脂を用いることが好ましい。

第２の樹脂層に含まれる上記樹脂は、１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用して用いてもよい。

第２の樹脂層は、波長変換材料を含有する。波長変換材料としては、微細藻類を紫外線から保護する紫外線吸収剤及び紫外線反射剤；水温の上昇を防ぐための赤外線吸収剤及び赤外線反射材；紫外線の少なくとも一部を可視光に変換して、微細藻類を紫外線から保護し、且つ、光合成を促進するための蛍光材料等の、樹脂中に入射した光線の特定周波数帯を除去又は変換する材料が挙げられる。これらの中でも、紫外線の少なくとも一部を可視光に変換する蛍光材料が好ましい。

上記蛍光材料としては、蛍光増白剤等の蛍光染料；無機系、樹脂系の蛍光粒子等が挙げられる。上記蛍光染料としては、複素環系蛍光染料、アンスラキノン系蛍光染料、ペリレン系蛍光染料の任意の蛍光染料が挙げられる。

第２の樹脂層に含まれる上記波長変換材料は、１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用して用いてもよい。

第２の樹脂層の屈折率は、第１の樹脂層の屈折率よりも小さい。第２の樹脂層の屈折率が第１の樹脂層の屈折率よりも小さいことにより、より一層内容物に光を十分に照射することができる。

第２の樹脂層は、本発明の効果を妨げない範囲で、他の添加剤を含有していてもよい。

（内容物）
本発明のフォトバイオリアクタの中空の部分には、植物を含有する培養液等の内容物が充填される。

上記植物としては特に限定されず、微細藻類等が挙げられる。また、植物を含有する液としては、水等を用いることができる。

培養液中の植物の含有量は特に限定されず、植物を効率よく培養することができ、光合成を効率よく行わせることができるように適宜設定すればよい。

（フォトバイオリアクタ）
本発明のフォトバイオリアクタの形状は特に限定されず、パイプ状、パネル状等任意の中空形状が挙げられる。これらの中でも、システム化した際に内容物の循環がし易い点で、パイプ状が好ましい。

本発明のフォトバイオリアクタは、中空である。中空部分の大きさはフォトバイオリアクタの形状により適宜設定すればよい。例えば、フォトバイオリアクタがパイプ状であってもよい。

（製造方法）
上記フォトバイオリアクタの製造方法は特に限定されず、形状に応じて従来公知の方法により製造することができる。

例えば、フォトバイオリアクタがパイプ状である場合、円形ダイスにより多層押出成形して製造してもよいし、円形ダイスにより第１の樹脂層を押出成形し、パイプ状の第１の樹脂層の表面に第２の樹脂層を形成するための樹脂組成物を塗布し、硬化させて、第２の樹脂層を形成してもよい。

また、フォトバイオリアクタがパネル状である場合は、第１の樹脂層及び第２の樹脂層を多層押出成形により積層して積層体を調製し、２枚の積層体を第１の樹脂層同士が向かい合うようにスペーサーを介して積層し、中空のフォトバイオリアクタを製造すればよい。

以下、本発明の実施例について説明する。本発明は、下記の実施例に限定されない。

フォトバイオリアクタの製造
第１の樹脂層及び第２の樹脂層を形成する樹脂組成物として、表１に示す樹脂組成物を用いてパイプ状に多層押出成形を行い、フォトバイオリアクタを製造した。

なお、表１において、第２の樹脂層として用いた樹脂組成物は以下の通りである。
・樹脂組成物Ａ：アクリル樹脂
・樹脂組成物Ｂ：フッ素樹脂
・樹脂組成物Ｃ：塩化ビニル樹脂

製造されたフォトバイオリアクタについて、以下の評価を行った。

＜屈折率＞
フォトバイオリアクタを構成する各層の屈折率を測定するための屈折率測定用試料として、フォトバイオリアクタを構成する各層を別途単独で押出成形により調製した。屈折率測定器を用いて、屈折率を測定した。表１では、第１の樹脂層の屈折率をｎ１とし、第２の屈折率をｎ２として示し、屈折率ｎ１−ｎ２も算出して示している。

＜光の通過角度＞
測定器を用いて、光の通過角度を測定した。

＜界面での平均反射率＞
平均反射率測定器を用いて、第１の樹脂層と第２の樹脂層との界面での反射率を測定した。測定は、Ｐ波及びＳ波について行い、平均値を平均反射率とした。

＜光線エネルギー透過率＞
光線エネルギー透過率測定器を用いて、光線エネルギー透過率を測定した。

結果を表１に示す。

１１,１２…第１の樹脂層
２１,２２…第２の樹脂層
３…内容物

Claims (3)

1. 少なくとも内側から第１の樹脂層及び第２の樹脂層を有する中空のフォトバイオリアクタであって、
   前記第１の樹脂層の屈折率は１．３３以上であり、
   前記第２の樹脂層は波長変換材料を含有し、
   前記第１の樹脂層の屈折率は、前記第２の樹脂層の屈折率より大きい、
   ことを特徴とするフォトバイオリアクタ。
2. 前記第２の樹脂層は最外層であり、前記波長変換材料は、紫外線の少なくとも一部を可視光に変換する蛍光材料である、請求項１に記載のフォトバイオリアクタ。
3. 前記第１の樹脂層はポリ塩化ビニル樹脂を含有し、前記第２の樹脂層はアクリル系樹脂を含有する、請求項１又は２に記載のフォトバイオリアクタ。