JP2019076060A

JP2019076060A - 光合成微生物用培養容器

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Publication number: JP2019076060A
Application number: JP2017207419A
Authority: JP
Inventors: 正敏岸; Masatoshi Kishi; 戸田　龍樹; Tatsuki Toda; 龍樹戸田
Original assignee: Soka University
Current assignee: Soka University
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2019-05-23
Anticipated expiration: 2037-10-26
Also published as: JP6945852B2

Abstract

【課題】本発明は、曝気コストを低減しつつ溶存酸素の濃度上昇を抑制可能な光合成微生物用培養容器を提供することを目的とする。【解決手段】本発明によれば、対向する第１の面と第２の面を備える薄い袋状の容器であって、前記第１の面が一様に光透過性を有し、前記第２の面が一様に気体透過性を有することを特徴とする光合成微生物用培養容器が提供される。本発明においては、前記第２の面を多孔質シートで形成することができ、前記第２の面が一様に光反射性を有することが好ましい。また、本発明においては、前記第１の面と前記第２の面を容器の幅方向に伸びる複数の線分において接合することによって蛇行流路を形成することが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、培養容器に関し、より詳細には、光合成微生物の培養に適した培養容器に関する。

近年、微細藻類やシアノバクテリアなどの光合成微生物を用いたバイオマス生産に期待が集まっており、光バイオリアクタ―を用いた光合成微生物培養の工業化が強く求められている。

ここで、期待されているのが汚染に強い閉鎖型の光バイオリアクタ―であるが（例えば、特許文献１）、光合成微生物は、光合成によって酸素を産生するため、閉鎖型の光バイオリアクタ―では、微生物の増殖に伴って培養液の溶存酸素濃度が上昇し、これを放置すると、光合成が阻害され、微生物が死滅してしまう。

そのため、従来の閉鎖型の光バイオリアクタ―では、溶存酸素を除去するために培養液を頻繁に曝気しなければならなかったが、この曝気に係るコストが事業の収益性を低下させる原因の一つとなっていた。

特開２０１６−２２０６９７号公報

本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、曝気コストを低減しつつ溶存酸素の濃度上昇を抑制可能な光合成微生物用培養容器を提供することを目的とする。

本発明者は、曝気コストを低減しつつ溶存酸素の濃度上昇を抑制可能な光合成微生物用培養容器につき鋭意検討した結果、以下の構成に想到し、本発明に至ったのである。

すなわち、本発明によれば、対向する第１の面と第２の面を備える薄い袋状の容器であって、前記第１の面が一様に光透過性を有し、前記第２の面が一様に気体透過性を有することを特徴とする、光合成微生物用培養容器が提供される。

上述したように、本発明によれば、曝気コストを低減しつつ溶存酸素の濃度上昇を抑制可能な光合成微生物用培養容器が提供される。

第１実施形態の光合成微生物用培養容器を示す模式図。第１実施形態の光合成微生物用培養容器の変形例を示す模式図。第２実施形態の光合成微生物用培養容器を示す模式図。実験装置を示す模式図。実験結果を示すグラフ。

以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態である光合成微生物用培養容器１０に培養液を封入した状態を示す模式図であり、図１（ａ）は前面を示し、図１（ｂ）は後面を示し、図１（ｃ）は側断面を示す。

図１に示すように、本実施形態の光合成微生物用培養容器１０（以下、培養容器１０という）は、矩形の薄い袋状の容器であり、封筒型の容器形状を備える。本実施形態の培養容器１０は、対向する２つの可撓性の面１２，１４を有しており、面１２は一様に光透過性を有し、面１４は一様に気体透過性を有する。

本実施形態において、面１２は、光透過性シート材料で形成されている。ここで、光透過性シート材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートといった合成樹脂で形成された無色透明のシート材料を挙げることができる。

一方、面１４は、防水性の気体透過性シート材料で形成されている。ここで、防水性の気体透過性シート材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートといった合成樹脂で形成される多孔質シートや、シリコンなどで形成される気体透過性の高い無孔性シートを挙げることができ、また、これらの気体透過性シートを通気性シートで補強した複合材を挙げることができる。なお、上述した多孔質シートの孔径は0.02μm〜0.3μmの範囲であることが好ましい。また、補強用の通気性シートとしては、合成樹脂製の不織布や織物を挙げることができる。

加えて、本実施形態においては、対向する面１２，１４が、容器の左右いずれかの側端を端として容器の幅方向に伸びる容器の幅に満たない長さの線分１６ａ，１６ｂ，１６ｃにおいて接合しており、これにより、容器の幅方向に蛇行する流路が形成されている。

本実施形態の培養容器１０を使用する光バイオリタクターでは、光合成微生物（以下、微生物という場合がある）の培養液を封入した培養容器１０を支柱１８に吊り下げ、光透過性の面１２から光が入射するように適切な位置に光源を配置する。なお、培養に際しては、容器に形成された蛇行流路の両端をポンプで接続して培養液を循環させることによって栄養と微生物の密度を均一化することが好ましい。

培養液中の微生物は、光透過性の面１２を透過して到達する光源からの光と、培養液に溶存する二酸化炭素（ＣＯ_２）を利用して光合成を行い、酸素（Ｏ_２）を産生しながら増殖する。ここで、微生物の増殖に伴って培養液の溶存酸素濃度が閾値を超えると光合成が阻害されるが、本実施形態では、気体透過性の面１４を境にして酸素の濃度勾配が生じた時点で、培養液中の溶存酸素（Ｏ_２）が面１４を透過して大気中に放出されるので、溶存酸素の濃度上昇が自動的に抑制される。

なお、微生物の増殖に伴って培養液に溶存する二酸化炭素が消費されるが、本実施形態では、気体透過性の面１４を境にして二酸化炭素の濃度勾配が生じた時点で、大気中の二酸化炭素（ＣＯ_２）が面１４を透過して培養液に溶解し、光合成に供される。また、必要に応じて、培養液に直接的に二酸化炭素を供給するための追加的手段を設けてもよい。

加えて、培養容器を通過する光の光路の長さが短いほど面積収率が増加することが既往研究により報告されているところ、本実施形態の培養容器１０は、厚みの薄い袋容器として構成されることから、容器を通過する光の光路の長さＯＰが必然的に短くなるので、高い面積収率が期待できる。この点に関し、本実施形態においては、培養液を充填した状態における培養容器１０の厚みを、容器を通過する光の光路の長さＯＰの平均値が、好ましくは２０ｍｍ以下となり、より好ましくは１３ｍｍ以下となるように設計する。

加えて、本実施形態では、好ましくは、面１４が一様に光反射性を有するように構成される。面１４が光反射性を有する場合、面１２を透過した光が面１４に反射するため、培養液内の微生物は、光源からの直接光と反射光の両方を利用して光合成を行うことになり、結果として、光エネルギーの利用効率が向上する。ここで、面１４を上述した多孔質シートとした場合、多孔質シートは、一般に、高い光反射率を有するので、溶存酸素濃度の自動抑制と光エネルギー利用効率の向上が同時に実現されることになる。

以上、説明したように、本実施形態の培養容器１０を使用する光バイオリタクターにおいては、培養液中の過剰な溶存酸素が気体透過性の面１４を介して自動的に系外に放出されるので、溶存酸素を除去するために連続的に曝気を行うといったことが不要となり、その分のコストが低減される。ただし、本実施形態は、微生物の沈降・固着を防止する目的で、間欠的な曝気を行うことを排除するものではない。加えて、本実施形態の培養容器１０は、安価な合成樹脂シートで形成することができるので、低価格化により、ディスポーザブルな製品として供給することが可能である。

なお、本実施形態においては、以下のような変形が可能である。

図２（ａ）は、上述した培養容器１０の変形例を示す模式図である。図２（ａ）に示す変形例では、培養容器１０の気体透過性の面１４の外側に気体不透過性の面１５（気体不透過性の合成樹脂で形成されたシート材料）を被せ、面１４と面１５の間に空隙が生じる形で両者を接合することにより、面１４に接触する気体流路Ｖを形成する。この変形例を使用する光バイオリアクタ―において、任意の燃焼システムから排出される燃焼ガスを気体流路Ｖに導入するように構成すれば、溶存酸素の除去と二酸化炭素排出量の低減が同時に実現される。

なお、この変形例では、図２（ａ）に示すように、培養容器１０を支柱１８に吊り下げる態様に加えて、図２（ｂ）に示すように、培養容器１０を面１５を下にして水上に静置することもできる。この場合、培養容器１０内の培養液を水で冷却することが可能となり、水温を適切に調整することで培養液を適温に保持することが可能となる。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態である光合成微生物用培養容器２０（以下、培養容器２０という）に培養液を封入した状態を示す模式図であり、図３（ａ）は側断面を示し、図３（ｂ）は上面を示し、図３（ｃ）は側断面の拡大図を示す。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態の培養容器２０は、エアーマット状の形状を有する容器であり、所定の間隔をおいて並列する複数の可撓性のチューブ状容器２２と、隣接する２つのチューブ状容器２２を、その長手方向において接続する形で、２つのチューブ状容器２２の間に配置される複数の可撓性のチューブ状気体流路２６とからなる。

本実施形態において、チューブ状容器２２は、培養液を充填する容器として機能し、その外表面は、第１実施形態と同様の光透過性シート材料で形成されており、一様に光透過性を有している。一方、チューブ状気体流路２６の外表面は、気体不透過性のシート材料で形成されている。

一方、チューブ状容器２２とチューブ状気体流路２６を接続する縦長の境界面２４は、第１実施形態と同様の防水性の気体透過性シート材料で形成されており、一様に気体透過性を有している。これにより、図３（ｃ）に示すように、チューブ状容器２２内の培養液中の溶存酸素（Ｏ_２）が気体透過性の境界面２４を透過してチューブ状気体流路２６の方に移動して自動的に除去されるとともに、チューブ状気体流路２６を流れるガスに含まれる二酸化炭素（ＣＯ_２）が境界面２４を透過してチューブ状容器２２内の培養液に溶解し、光合成に供される。

加えて、本実施形態では、好ましくは、境界面２４が一様に光反射性を有するように構成される。この場合、チューブ状容器２２に入射した光の一部が境界面２４に反射するため、光エネルギーの利用効率が向上する。ここで、境界面２４を上述した多孔質シートとした場合、多孔質シートは、一般に、高い光反射率を有するので、溶存酸素濃度の自動抑制と光エネルギー利用効率の向上が同時に実現されることになる。

加えて、本実施形態の培養容器２０は、図３（ａ）に示すように、水上に静置することができ、この場合、水温の調整により培養液を適温に保持することができる。

加えて、培養容器２０を使用する光バイオリアクタ―において、任意の燃焼システムから排出される燃焼ガスをチューブ状気体流路２６に導入するように構成すれば、溶存酸素の除去と二酸化炭素排出量の低減が同時に実現される。

以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が推考しうるその他の実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。例えば、本発明は、上述した実施形態における光透過性の面（面１２、チューブ状容器２２の外表面）が、同時に、気体透過性を有することを排除するものではないし、上述した実施形態における気体透過性の面（面１４、境界面３４）が、同時に、光透過性を有することを排除するものではない。

以下、本発明の光合成微生物用培養容器について、実施例を用いてより具体的に説明を行なうが、本発明は、後述する実施例に限定されるものではない。

図４に示す実験装置を使用して培養実験を行った。図４に示すように、本実験装置は、本発明の光合成微生物用培養容器５０（以下、培養容器５０という）と、培養容器５０に充填された培養液を循環させるための遠心ポンプ６０と、培養容器５０に対して新規培地を供給するとともに、培養容器５０からオーバーフローした培養液を回収するための定量送液ポンプ７０（ペリスタルティックポンプ）と、微細藻類の沈降・固着を防止することを目的とした曝気を行うためのエアコンプレッサー８０とを含んで構成されている。

本実験では、２０分に１回の割合（１分間駆動、１９分間停止）でエアコンプレッサー８０を駆動して曝気を行うとともに、２０分に１回の割合（曝気直後に１２秒間駆動、１９分４８秒停止）で遠心ポンプ６０を駆動して槽内循環を生じさせた。併せて、本実験では、培養液回収速度が約0.950 L d^-1、水理学的滞留時間が約２日となるように定量送液ポンプ７０を駆動制御した。

本発明の培養容器５０は、防水性と気体透過性に優れた多孔質フィルム（３Ｍ製、マイクロポーラスフィルム、厚み：38μm、透気度：210sec/100cc）と、光透過性のＯＰＰフィルム（東洋紡製、P8128、片面ヒートシール性、厚み：50μm）の四辺を熱溶着により接着した後、多孔質フィルム側にテトロンゴース（ポリエステル製の織物）を当てて補強することにより作製した。

本実験では、本発明の培養容器５０の四辺を金属製のフラットバーに固定するとともに、ＯＰＰフィルムの上に金属製の邪魔板５２を当てて固定することで培養液の流路を形成した。また、本実験では、培養容器５０の前方（ＯＰＰフィルム側）に光源としてＬＥＤ照明（図示せず）を配置した。この状態において、培養容器５０の有効面積（光が照射される部分の面積）は0.165m²であり、容積は約1.9 Lであり、平均厚みは約12mmであり、比表面積は約87 m^-1であった。

本実験では、実施例として、図４に示す実験装置を使用して微細藻類（A.platensis）を１５日間培養し、１日ごとに、回収された培養液１リットルあたりに含まれるバイオマス（A.platensis）の乾燥重量を測定した。なお、１５日間の培養期間において、初日から６日目までは、培養容器５０に入射する光の平均光量子束密度が150μmol m^-2 s^-1となるように光源を制御し、７日目から１５日目までは、培養容器５０に入射する光の平均光量子束密度が315 μmol m^-2 s^-1（太陽光の５分の１程度）となるように光源を制御した。

併せて、本実験では、比較例として、実施例の培養容器５０と同形・同サイズのポリプロピレン製の培養容器を作製し、その片面に、上述した多孔質フィルム（３Ｍ製、マイクロポーラスフィルム）と同等の光反射特性を付与した。比較例では、実施例の培養容器５０（気体透過性）に代えて、比較例の培養容器（気体不透過性）を図４に示す実験装置にセットして、実施例と同じ条件で微細藻類（A.platensis）を１５日間培養し、１日ごとに、回収された培養液１リットルあたりに含まれるバイオマス（A.platensis）の乾燥重量を測定した。

図５は、測定したバイオマス量の時系列変化を示すグラフである。図５に示すように、培養を開始してから６日目までは、実施例と比較例のバイオマス量は、ほぼ同じように徐々に増加した。その後、光量を増加させた影響で、７日目から９日目までは、実施例と比較例のバイオマス量は、ほぼ同じように急増した。その後、１０日目から１５日目までは、溶存酸素阻害により比較例のバイオマス量の増加が止まったのに対し、実施例のバイオマス量は増加を続け、その量は、最大で比較例の１．６倍となった。このように、実施例では、２０分に１回（１分間）しか曝気を行っていないにもかかわらず、溶存酸素阻害が好適に回避される結果となり、連続的な曝気を必要とする従来方式と比較して、曝気コストを少なくとも１／２０に低減できることが示された。

１０…光合成微生物用培養容器、１２，１４，１５…面、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ…線分、１８…支柱、２０…光合成微生物用培養容器、２２…チューブ状容器、２４…境界面、２６…チューブ状気体流路、５０…光合成微生物用培養容器、５２…邪魔板、６０…遠心ポンプ、７０…定量送液ポンプ、８０…エアコンプレッサー

Claims

対向する第１の面と第２の面を備える薄い袋状の容器であって、
前記第１の面が一様に光透過性を有し、前記第２の面が一様に気体透過性を有することを特徴とする、
光合成微生物用培養容器。
前記第２の面が一様に光反射性を有することを特徴とする、
請求項１に記載の光合成微生物用培養容器。
前記第２の面が多孔質シートを含んで形成されていることを特徴とする、
請求項１または２に記載の光合成微生物用培養容器。
前記第１の面と前記第２の面が容器の幅方向に伸びる複数の線分において接合されることにより蛇行流路が形成されていることを特徴とする、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の光合成微生物用培養容器。
前記第２の面に接触する気体流路が形成されていることを特徴とする、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光合成微生物用培養容器。
並列する複数のチューブ状容器と、隣接する２つのチューブ状容器を接続する形でその間に配置される複数のチューブ状気体流路からなり、
前記チューブ状容器の外表面が一様に光透過性を有し、前記チューブ状容器と前記チューブ状気体流路を接続する境界面が一様に気体透過性を有することを特徴とする、
光合成微生物用培養容器。