JP2019195278A - 攪拌促進装置および藻類培養装置 - Google Patents

Abstract

【課題】培養液表層での過剰な光による阻害と下層での光不足による増殖阻害を未然に防止することができる攪拌促進装置及び藻類培養装置の提供。【解決手段】開水路１０を流れる培養液Ｂの攪拌を促進するための攪拌促進装置１４であって、下層Ｄから表層Ｓに向かう培養液Ｂの循環流Ｃを形成する流れ形成手段２０を備えるようにする。【選択図】図２

Description

本発明は、培養液の攪拌を促進するのに好適な攪拌促進装置およびこれを備えた藻類培養装置に関するものである。

近年、バイオマス燃料や食品の材料として微細藻類が注目されており、大規模な培養プラントにおける藻類培養が盛んである（例えば、特許文献１〜３を参照）。藻類は光合成により炭水化物を生産できるため、光と二酸化炭素を利用して独立栄養的に培養することが可能である。屋外での太陽光を利用した大規模培養は生産コスト低減のために有効であるが、屋外で水平方向の水流を利用して攪拌する場合、表層の微細藻類が強力な太陽光を浴びることで生長が阻害される。一方で下層の微細藻類は光の減衰により十分に光合成を行うことができず、増殖速度の低下や溶存酸素濃度の不足が生じる。

表層での強光による阻害を解消するためには遮光を行う、ＬＥＤなどの人工光を利用するなどの対策があるが、前者は太陽光エネルギーの利用効率を減少させてしまい、後者は外部電力を必要とする。例えば太陽光発電によって得た電力を利用する場合であっても照明として利用するまでにロスが生じ、十分な光合成を行わせるためには膨大なエネルギーが必要になる。また、レースウェイ型培養装置の場合、下層での光不足を解消するために現在はエアレーションによる通気攪拌などが行われており、こちらも新たに動力を必要とする。微細藻類を生産する際の生産コストを削減することは勿論、微細藻類を利用した燃料生産を行う際には導入エネルギーを極力抑えなければならないため既存の方法は生産に対して不利益を生じるおそれがある。

特開平１１−２４３９４３号公報 国際公開第２０１５／０８７８５８号公報 特開２０１１−２３４６７７号公報

このため、培養液表層での過剰な光による阻害と下層での光不足による増殖阻害を同時に解決することのできる技術が求められていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、培養液表層での過剰な光による阻害と下層での光不足による増殖阻害を未然に防止することができる攪拌促進装置および藻類培養装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る攪拌促進装置は、開水路を流れる培養液の攪拌を促進するための攪拌促進装置であって、下方から上方に向かう培養液の流れを形成する流れ形成手段を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る他の攪拌促進装置は、上述した発明において、流れ形成手段は、液中に没して水路床に設けられ、水平方向の流れを上向きの流れに変える隆起構造体からなることを特徴とする。

また、本発明に係る他の攪拌促進装置は、上述した発明において、隆起構造体の隆起形状を変形する変形手段を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る他の攪拌促進装置は、上述した発明において、隆起構造体は、流体の流入および排出に応じて膨張および収縮する袋体からなることを特徴とする。

また、本発明に係る藻類培養装置は、上述した攪拌促進装置を備えることを特徴とする。

本発明に係る攪拌促進装置によれば、開水路を流れる培養液の攪拌を促進するための攪拌促進装置であって、下方から上方に向かう培養液の流れを形成する流れ形成手段を備えるので、開水路の下方を流れる培養液は流れ形成手段によって流向が上向きに変えられて、培養液の垂直方向への攪拌が促進される。このため、表層での過剰な光による阻害と下層での光不足による増殖阻害を未然に防止することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の攪拌促進装置によれば、流れ形成手段は、液中に没して水路床に設けられ、水平方向の流れを上向きの流れに変える隆起構造体からなるので、開水路の下方を流れる培養液は隆起構造体によって上方に向かうようになり、垂直方向への攪拌が促進されるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の攪拌促進装置によれば、隆起構造体の隆起形状を変形する変形手段を備えるので、隆起構造体の隆起形状を変形することで、隆起構造体の周りの流れの向きを調整することができる。このため、培養株や日射量の変化、培養液の水深の変化などに対応することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の攪拌促進装置によれば、隆起構造体は、流体の流入および排出に応じて膨張および収縮する袋体からなるので、袋体に対する流体の流入、排出によって液中での隆起高さを調整することができる。このため、培養株や日射量の変化、培養液の水深の変化などに対応することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る藻類培養装置によれば、上述した攪拌促進装置を備えるので、表層での過剰な光による阻害と下層での光不足による増殖阻害を未然に防止することができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る攪拌促進装置および藻類培養装置の実施の形態１を示す上面図である。 図２は、本発明に係る攪拌促進装置の実施の形態１を示す側断面図であり、（１）は正弦曲線断面の場合、（２）は三角形断面の場合、（３）は三角形を組み合わせた断面の場合である。 図３は、本発明に係る攪拌促進装置の実施の形態２を示す側断面図であり、（１）は完全に倒伏させた状態、（２）は完全に起立させた状態、（３）は半分程度起立させた状態である。

以下に、本発明に係る攪拌促進装置および藻類培養装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１について説明する。
図１および図２（１）に示すように、本実施の形態１に係る藻類培養装置１００は、微細藻類を屋外で培養する装置であり、培養液Ｂが循環する循環路１０を有する培養槽１２と、本実施の形態に係る攪拌促進装置１４を備えている。

攪拌促進装置１４は、循環路１０中に任意の個数を設置することができる。図１の例では、循環路１０に沿って間隔をあけて５個設置した場合を示している。

循環路１０は、培養槽１２内の仕切り板１６で環状に形成されたレースウェイ型の開水路である。仕切り板１６と側壁１０Ｂとの間には、水車型のパドル１８が設置されている。パドル１８は、培養液Ｂを攪拌混合するとともに、循環路１０内に培養液Ｂの水平方向の流れ（循環流Ｃ）を形成する。循環路１０内で培養される藻類は、この循環路１０を循環する間に、培養液Ｂ中の栄養分や太陽光を得て増殖する。

攪拌促進装置１４は、図２（１）に示すように、下層Ｄ（下方）から表層Ｓ（上方）に向かう培養液Ｂの流れＣを形成する流れ形成手段２０を備えている。本実施の形態１の流れ形成手段２０は、液中に完全に没して循環路１０の底面１０Ａ（水路床）に設けられた隆起構造体２２で構成している。隆起構造体２２の表面形状は、側断面視で正弦曲線を呈しており、上下流端の谷底部で水路床に滑らかに接続して、その中間に山頂部を備えている。

この隆起構造体２２の幅Ｗは、図１に示すように、循環路１０の幅と同等の幅とすることが好ましい。このようにすれば、下層Ｄを流れる培養液Ｂのほぼ全量を斜め上向きに流動させることができる。また、この隆起構造体２２の高さＨは、垂直方向の攪拌を行うために十分な高さに設定することが好ましく、例えば、図２（１）に示すように培養液Ｂの水深ｈ（液深）の半分程度の高さに設定してもよい。隆起構造体２２の流れ方向の長さＬ（底面長さ）は、培養液Ｂの滞留を引き起こさないよう高さＨの３倍以上を確保することが望ましい。ただし、隆起構造体２２の形状によってはこの限りではない。

本実施の形態１によれば、下層Ｄを水平方向に流れる微細藻類を含む培養液Ｂは、隆起構造体２２上に至ると流向が斜め上方に変化して山頂部上の表層Ｓ付近を通過し、斜め下方に流れて水平方向に流れていく。これにより、培養液Ｂの垂直方向への攪拌が促進される。このため、表層Ｓでの過剰な光による阻害と下層Ｄでの光不足による増殖阻害を未然に防止することができる。

この効果により、単位面積当たりの藻類の生産速度が改善される。また、日射の強い地域で培養を開始する際、藻体濃度が薄い培養初期に生じやすい光阻害の影響を避けることができ、安定的に培養することができる。

上記の実施の形態１においては、流れ形成手段２０を正弦曲線状の隆起構造体２２で構成した場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限るものではなく、培養液Ｂの滞留を防ぐ形状であれば、いかなる形状の構造体でもよい。例えば、図２（２）に示すように、流れ形成手段２０を単純な三角形の隆起構造体２２Ａで構成してもよい。このようにしても、上記と同様の作用効果を奏することができる。また、図２（３）に示すように、複数の三角形（例えば構造体２４、２６）を組み合わせた隆起構造体２２Ｂなどで構成してもよい。このようにしても上記と同様の作用効果を奏することができる。また、隆起構造体の断面積を削減しつつ十分な垂直方向の水流を発生させることが可能となる。

また、隆起構造体２２の隆起形状を変形する変形手段を備えてもよい。この場合、例えば隆起構造体２２の表面を可撓性の防水シートで構成し、このシートの下側に、シート形状を変形するための駆動機構（変形手段）を設けてもよい。隆起構造体２２の隆起形状を必要に応じて変形することで、隆起構造体２２の周りの流れの向きを調整することができる。こうすることで、培養株や日射量の変化、培養液Ｂの水深ｈの変化などに対応することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。
図３に示すように、本実施の形態２に係る藻類培養装置２００は、流れ形成手段２０の隆起構造体を、水路床で起伏可能なゴム袋体２８により構成したものである。図３（１）は、ゴム袋体２８を完全に倒伏させた状態、（２）は完全に起立させた状態、（３）は半分程度起立させた状態である。

ゴム袋体２８は、袋の開口面が水路床３０に固定されたゴム製の袋体であり、水路床３０の裏側に設けたエアー調整ライン３２から孔３４を通じてエアー（流体）の供給を受けられるようになっている。また、このゴム袋体２８は、孔３４を通じてエアー調整ライン３２にエアーを排出できるようになっている。

このゴム袋体２８の幅Ｗは、図１に示すように、循環路１０の幅と同等の幅とすることが好ましい。このようにすれば、下層Ｄを流れる培養液Ｂのほぼ全量を斜め上向きに流動させることができる。また、このゴム袋体２８の高さＨは、垂直方向の攪拌を行うために十分な高さに設定することが好ましく、例えば、図３（２）に示すように培養液Ｂの水深ｈ（液深）の半分程度の高さに設定してもよい。ゴム袋体２８の流れ方向の長さ（底面長さ）は、培養液Ｂの滞留を引き起こさないよう高さＨの３倍以上を確保することが望ましい。ただし、ゴム袋体２８の起立形状によってはこの限りではない。

本実施の形態２によれば、図３（２）に示すように、下層Ｄを水平方向に流れる微細藻類を含む培養液Ｂは、ゴム袋体２８上に至ると流向が斜め上方に変化して表層Ｓ付近を通過し、斜め下方に流れて水平方向に流れていく。これにより、培養液Ｂの垂直方向への攪拌が促進される。このため、表層Ｓでの過剰な光による阻害と下層Ｄでの光不足による増殖阻害を未然に防止することができる。

この効果により、単位面積当たりの藻類の生産速度が改善される。また、日射の強い地域で培養を開始する際、藻体濃度が薄い培養初期に生じやすい光阻害の影響を避けることができ、安定的に培養することができる。

また、本実施の形態２によれば、エアー調整ライン３２からのエアーの流入、排出によってゴム袋体２８の高さＨ（隆起高さ）を調整することができる。高さＨを調整することで培養株や日射量の変化に対応することができ、培養液Ｂの水深ｈ（液位ＷＬ）の変化にも対応することができる。例えば、図３（２）の状態から図３（３）の状態のように水深ｈが半分（ｈ／２）になった場合には、ゴム袋体２８からエアーを排出して高さＨが半分（Ｈ／２）になるように調整してもよい。

また、ゴム袋体２８による攪拌促進作用を発揮しないようにすることもできる。この場合、図３（１）に示すように、エアーを排出して水路床に完全に倒伏させる。このようにすれば、ゴム袋体２８は攪拌促進作用を発揮しないので、ゴム袋体２８上で水平方向の流れＣを維持することができる。

上記の実施の形態２においては、袋体をゴム製で構成する場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限るものではなく、流体の流入および排出に応じて膨張および収縮する袋体であればいかなる材質、構造で構成してもよい。このようにしても、上記と同様の作用効果を奏することができる。

また、上記の実施の形態１、２では、レースウェイ型の循環路１０を有する培養槽１２に適用する場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限るものではなく、自由液面を有する開水路流れを利用して培養する形式の培養槽であれば、いかなる型式の培養槽でもよい。このようにしても、上記と同様の作用効果を奏することができる。

以上説明したように、本発明に係る攪拌促進装置によれば、開水路を流れる培養液の攪拌を促進するための攪拌促進装置であって、下方から上方に向かう培養液の流れを形成する流れ形成手段を備えるので、開水路の下方を流れる培養液は流れ形成手段によって流向が上向きに変えられて、培養液の垂直方向への攪拌が促進される。このため、表層での過剰な光による阻害と下層での光不足による増殖阻害を未然に防止することができる。

また、本発明に係る他の攪拌促進装置によれば、流れ形成手段は、液中に没して水路床に設けられ、水平方向の流れを上向きの流れに変える隆起構造体からなるので、開水路の下方を流れる培養液は隆起構造体によって上方に向かうようになり、垂直方向への攪拌が促進される。

また、本発明に係る他の攪拌促進装置によれば、隆起構造体の隆起形状を変形する変形手段を備えるので、隆起構造体の隆起形状を変形することで、隆起構造体の周りの流れの向きを調整することができる。このため、培養株や日射量の変化、培養液の水深の変化などに対応することができる。

また、本発明に係る他の攪拌促進装置によれば、隆起構造体は、流体の流入および排出に応じて膨張および収縮する袋体からなるので、袋体に対する流体の流入、排出によって液中での隆起高さを調整することができる。このため、培養株や日射量の変化、培養液の水深の変化などに対応することができる。

また、本発明に係る藻類培養装置によれば、上述した攪拌促進装置を備えるので、表層での過剰な光による阻害と下層での光不足による増殖阻害を未然に防止することができる。

以上のように、本発明に係る攪拌促進装置および藻類培養装置は、水平方向の水流を利用して培養液を攪拌する屋外型の藻類培養装置に有用であり、特に、培養液表層での過剰な光による阻害と下層での光不足による増殖阻害を同時に解決するのに適している。

１０ 循環路（開水路）
１０Ａ 底面（水路床）
１０Ｂ 側壁
１２ 培養槽
１４ 攪拌促進装置
１６ 仕切り板
１８ パドル
２０ 流れ形成手段
２２，２２Ａ，２２Ｂ 隆起構造体
２４，２６ 三角形要素
２８ ゴム袋体（袋体）
３０ 水路床
３２ エアー調整ライン（高さ調整手段）
３４ 孔
１００，２００ 藻類培養装置
Ｂ 培養液
Ｃ 循環流
Ｄ 下層
Ｈ 高さ
ｈ 水深
Ｌ 長さ
Ｓ 表層
Ｗ 幅
ＷＬ 液位

Claims (5)

1. 開水路を流れる培養液の攪拌を促進するための攪拌促進装置であって、
   下方から上方に向かう培養液の流れを形成する流れ形成手段を備えることを特徴とする攪拌促進装置。
2. 流れ形成手段は、液中に没して水路床に設けられ、水平方向の流れを上向きの流れに変える隆起構造体からなることを特徴とする請求項１に記載の攪拌促進装置。
3. 隆起構造体の隆起形状を変形する変形手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の攪拌促進装置。
4. 隆起構造体は、流体の流入および排出に応じて膨張および収縮する袋体からなることを特徴とする請求項２または３に記載の攪拌促進装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一つに記載の攪拌促進装置を備えることを特徴とする藻類培養装置。

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