JP2020065992A - 気体溶解装置及び藻類培養装置 - Google Patents

気体溶解装置及び藻類培養装置 Download PDF

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Abstract

【課題】液体に対する気体の溶解効率を向上させることができる気体溶解装置を提供すること。【解決手段】培養槽２に貯留された培養液１００の一部を貯留する溶解槽１０と、二酸化炭素ボンベＢに連結されて溶解槽１０に差し込まれた他端５２から二酸化炭素を放出する気体供給パイプ５０と、気体供給パイプ５０の他端５２に設けられて二酸化炭素を微小泡にする気体放出部５３と、気体供給パイプ５０を流れる二酸化炭素の流量を制御するマスフローコントローラ６０と、を備え、気体放出部５３から溶解槽１０に貯留された培養液１００の液面１０ａまでの水深Ｈ２を、培養槽２に貯留された培養液１００の水深Ｈ１よりも深く設定している構成とした。【選択図】図２

Description

本発明は、気体溶解装置及び藻類培養装置に関する発明である。
従来、培養槽に貯留している培養液の一部を高濃度の炭酸ガスと共に溶解槽へと送り込み、溶解槽内に乱流を発生させて炭酸ガスを培養液に直ちに溶解させてから、炭酸ガスが溶解した培養液を溶解槽から培養槽へと戻す気体溶解装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−１５３９１２号公報
しかしながら、従来の気体溶解装置では、培養槽内における炭酸ガスの不足に応じて、溶解槽にて急速かつ高濃度に炭酸ガスを溶解し、返送する。そのため、培養液の炭酸ガス濃度は急速に回復する一方で、継続的に培養液を撹拌することで生じる乱流により、培養液に溶解した高濃度炭酸ガスが容易に大気中へ放出される懸念がある。また、炭酸ガスは、炭酸ガス源から供給するが、投入量に対して溶存量が多いことが環境的、経済的の面から望まれており、溶存量と投入量の比、すなわち溶解効率という指標として検討出来、溶解効率が高いことが望ましいと考えられる。
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、液体に対する気体の溶解効率を向上させることができる気体溶解装置及び藻類培養装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の気体溶解装置は、メイン槽に貯留された液体の一部を貯留する溶解槽と、気体供給源に連結されて溶解槽の内部に差し込まれた先端から気体を放出する気体供給パイプと、気体供給パイプの先端に設けられて先端から放出される気体を微小泡にする気体放出部と、気体供給パイプを流れる気体の流量を制御する気体制御部と、を備えている。そして、気体放出部から溶解槽に貯留された液体の液面までの水深を、メイン槽に貯留された液体の水深よりも深く設定している。
また、上記目的を達成するため、本発明の藻類培養装置は、藻類を培養する培養液を貯留する培養槽と、培養液に二酸化炭素を溶解させる気体溶解装置と、を備えている。
そして、気体溶解装置は、培養槽に貯留された培養液の一部を貯留する溶解槽と、培養槽と溶解槽との間を連通する第１循環パイプ及び第２循環パイプと、第１循環パイプを介して培養槽に貯留されている培養液を溶解槽に注入する第１ポンプと、第２循環パイプを介して溶解槽に貯留されている培養液を培養槽に返送する第２ポンプと、二酸化炭素供給源に連結され、溶解槽に貯留されている培養液に差し込まれた先端から二酸化炭素を放出する気体供給パイプと、気体供給パイプの先端に設けられ、先端から放出される二酸化炭素を気泡にする気体放出部と、気体供給パイプを流れる二酸化炭素の流量を制御する気体制御部と、を備えている。
さらに、気体放出部から溶解槽に貯留された培養液の液面までの水深を、培養槽に貯留された培養液の水深よりも深く設定している。
よって、本発明の気体溶解装置及び藻類培養装置では、液体に対する気体の溶解効率を向上させることができる。
実施例１の藻類培養装置を示す全体構成図である。 実施例１の気体溶解装置を示す構成図である。 実施例１の気体溶解装置における、気体放出部の孔径と、ガス流量１０ｍＬ／ｍｉｎにおける気泡の球相当直径の階級値（気泡サイズ）と、気泡の平均発生個数との関係を示す表である。 実施例１の気体溶解装置における、気体放出部の孔径と、ガス流量１０ｍＬ／ｍｉｎにおける気泡の球相当直径の階級値（気泡サイズ）との関係を示すグラフである。 実施例１の気体溶解装置における、気体放出部の孔径と、ガス流量１０ｍＬ／ｍｉｎにおける気泡の発生個数との関係を示すグラフである。 実施例１の気体溶解装置における、気体放出部の気泡の球相当直径の階級値（気泡サイズ）と、二酸化炭素の溶解効率との関係を示すグラフである。 実施例１の気体溶解装置における、気体放出部から溶解槽液面までの水深と、二酸化炭素の溶解効率との関係を示すグラフである。 実施例１の気体溶解装置において、気泡サイズが１．４ｍｍのときの気体放出部から溶解槽液面までの水深と、二酸化炭素の溶解効率との関係を示すグラフである。 実施例１の気体溶解装置において、気体放出部の孔径が２μｍのときにガス流量１０ｍＬ／ｍｉｎにおいて生成された気泡の気泡サイズを示す表である。 実施例１の気体溶解装置における、気体放出部の孔径と、単位時間当たりの気泡の断面積通過個数との関係を示す表である。 実施例１の気体溶解装置における、気体放出部の孔径と、気体放出部から溶解槽液面までの水深と、溶解槽の液量と、二酸化炭素の実溶存量と、二酸化炭素の溶解効率との関係を示す表である。 実施例１の気体溶解装置及び第１、第２比較例の気体溶解装置における二酸化炭素の溶解実験結果を示す表である。 実施例１の気体溶解装置及び第１、第２比較例の気体溶解装置における二酸化炭素の溶解実験結果を示すグラフである。
以下、本発明の気体溶解装置及び藻類培養装置を実施するための形態を、図面に示す実施例１に基づいて説明する。
（実施例１）
実施例１の藻類培養装置１は、微細藻類を人工的に培養する装置であり、図１に示すように、培養槽２と、気体溶解装置３と、を備えている。
ここで、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ものであり、水中生活をする同化色素を有する植物を一括して称したものである。この藻類は、面積あたりの増殖性・収穫量に優れ、油脂をはじめとする有用物質を多量に蓄積し、健康食品やサプリメント、化学原料、バイオ燃料等の原料になり得て利用価値が高い。なお、藻類培養装置１によって培養される微細藻類は、体長が数μｍ〜数百μｍの単細胞性の藻類であり、人の肉眼では個々の存在が識別できないような大きさの藻類である。微細藻類としては、例えば、スピルリナ、ユーグレナ、クロレラ、ドナリエラ、ボツリオコッカス等の緑藻類が挙げられる。
培養槽２（メイン槽）は、微細藻類が懸濁された培養液１００（液体）を貯留する水槽である。図１に示す培養槽２は、長楕円形の循環水路を有するレースウェイ型である。この培養槽２は、上方に開放した開口部２ａを有し、貯留した培養液１００が外気に接する。また、この培養槽２に貯留された培養液１００は、液量が１５０Ｌ、水深（深さ）Ｈ１が１３０〜１３５ｍｍに設定されている。そして、この培養槽２には水車４が設置され、この水車４の回転により撹拌速度１１ｃｍ／ｓｅｃにて培養液１００が撹拌されている。ここで、「水深Ｈ１」は、培養槽２の底面から培養槽２に貯留された培養液１００の液面までの距離である。なお、この培養槽２の容積や形状に限定はなく、培養対象の藻類の種類や、培養方法等に応じて適宜選択される。
気体溶解装置３は、培養槽２内の培養液１００の二酸化炭素濃度を適切な濃度に制御するため、培養槽２から取り出した一部の培養液１００に二酸化炭素（気体）を溶解させた後、この二酸化炭素が溶解した培養液１００を培養槽２に戻す装置である。ここで、培養液１００に対する過剰な二酸化炭素の投入は微細藻類の培養を阻害しかねないが、培養液１００の二酸化炭素濃度を適切な濃度に制御することで、微細藻類の迅速且つ有用物質に富んだ培養が可能になる。
気体溶解装置３は、図示しない車輪付きの台車上に設置され、図２に示すように、溶解槽１０と、第１循環パイプ２０と、第２循環パイプ３０と、循環機構４０と、気体供給パイプ５０と、マスフローコントローラ６０（気体制御部）と、ｐＨ監視部７０と、を備えている。
溶解槽１０は、培養槽２から取り出された培養液１００の一部を貯留し、貯留した培養液１００に二酸化炭素を溶解させる水槽である。この溶解槽１０は、底面１１及び側面１２を有する縦長の管形状であり、上部が上面１３によって塞がれている。ここでは、底面１１を湾曲面とし、上面１３には非密閉の蓋を被せている。
溶解槽１０の側面１２は、後述する気体放出部５３からこの溶解槽１０に貯留した培養液１００の液面１０ａまでの水深（深さ）Ｈ２を、培養槽２における水深Ｈ１よりも深く設定することが可能な高さを有している。また、この溶解槽１０に貯留されている培養液１００の液量は、培養槽２に貯留されている培養液１００の液量の二十分の一以下、ここでは５Ｌに設定されている。溶解槽１０の上面１３には液面センサ１４が設置され、培養液１００の貯留量を監視している。液面センサ１４の検出値は、循環機構４０のポンプコントローラ４３に入力される。
第１循環パイプ２０は、培養槽２と溶解槽１０との間を連通し、培養槽２から溶解槽１０へ注入される培養液１００が流れるパイプである。この第１循環パイプ２０の一端２１は、図１に示すように、培養槽２に貯留されている培養液１００に差し込まれている。一方、第１循環パイプ２０の他端２２は、溶解槽１０の上面１３を貫通し、溶解槽１０の内部に差し込まれている。そして、この第１循環パイプ２０の他端２２に形成された液体吐出口２３は、気体放出部５３よりも上方の位置に設けられ、培養槽２の底面１１に向けられている。
さらに、第１循環パイプ２０の途中には、第１流量計２４と、循環機構４０の第１ポンプ４１が設けられている。ここで、第１流量計２４は、第１ポンプ４１の下流に設けられている。この第１流量計２４により、第１ポンプ４１から吐出されて溶解槽１０に流れ込む培養液１００の流量が検出される。この第１流量計２４の検出値は、循環機構４０のポンプコントローラ４３に入力される。
第２循環パイプ３０は、培養槽２と溶解槽１０との間を連通し、溶解槽１０から培養槽２へ返送される培養液１００が流れるパイプである。この第２循環パイプ３０の一端３１は、図１に示すように、培養槽２に貯留された培養液１００に差し込まれている。一方、第２循環パイプ３０の他端３２は、溶解槽１０の側面１２に接続され、この他端３２に形成された液体取込口３３が、側面１２に開放している。そして、この液体取込口３３は、気体放出部５３よりも下方の位置に設けられている。
さらに、第２循環パイプ３０の途中には、ｐＨ監視部７０のモニタリング槽７１と、第２流量計３４と、循環機構４０の第２ポンプ４２が設けられている。ここで、モニタリング槽７１が最上流に設けられ、モニタリング槽７１の下流に第２ポンプ４２、第２流量計３４がこれらの順に設けられている。第２流量計３４により、第２ポンプ４２から吐出されて培養槽２に返送される培養液１００の流量が検出される。この第２流量計３４の検出値は、循環機構４０のポンプコントローラ４３に入力される。
また、この第２循環パイプ３０のうち、モニタリング槽７１と第２ポンプ４２との間の領域に、排出パイプ３５の一端３５ａが接続されている。排出パイプ３５は、溶解槽１０から排出された培養液１００を、モニタリング槽７１を迂回して培養槽２へと返送するためのパイプである。排出パイプ３５の他端３５ｂは、溶解槽１０の底面１１（底部）に形成された液体排出開口３６に接続されている。すなわち、溶解槽１０内の培養液１００は、液体排出開口３６を介して排出パイプ３５へと流れていく。また、この排出パイプ３５の途中には、開閉弁３７が設けられている。この開閉弁３７は通常閉鎖しており、開閉弁３７を開くことで、排出パイプ３５に流れ込んだ培養液１００が第２循環パイプ３０に直接流れる。なお、この開閉弁３７は、手動によって開閉制御が行われる。
循環機構４０は、第１循環パイプ２０を介して培養槽２に貯留されている培養液１００の一部を溶解槽１０に注入し、第２循環パイプ３０を介して溶解槽１０に貯留されている培養液１００を培養槽２に返送する機構である。ここでは、循環機構４０により、培養槽２と溶解槽１０との間で培養液１００が常時循環されている。この循環機構４０は、第１ポンプ４１と、第２ポンプ４２と、ポンプコントローラ４３と、を有している。
第１ポンプ４１は、第１循環パイプ２０の途中位置に設けられ、培養槽２内の培養液１００を吸い込んで吐出し、培養液１００を培養槽２から溶解槽１０へと移送するマグネットポンプである。第２ポンプ４２は、第２循環パイプ３０の途中位置に設けられ、溶解槽１０内の培養液を吸い込んで吐出し、培養液１００を溶解槽１０から培養槽２へと移送するマグネットポンプである。ここでは、第１ポンプ４１のポンプ性能の方を、第２ポンプ４２のポンプ性能よりも高く設定する。
なお、第１、第２ポンプ４１、４２のポンプ性能は、同等に設定してもよく、この場合、出力調整する機構を付属することで、ポンプ性能を同等に調整してもよい。また、第１、第２ポンプ４１、４２は、マグネットポンプに限らず、ダイヤフラムポンプや遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプ等のターボ式ポンプのいずれかを適宜用いてもよい。
ポンプコントローラ４３は、第１ポンプ４１及び第２ポンプ４２の動作を制御し、毎分、培養槽２に貯留されている培養液１００の液量の二十分の一以下の流量（ここでは、１〜２Ｌ）を循環させる。このポンプコントローラ４３は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やメモリ等を有し、液面センサ１４の検出値と、第１流量計２４の検出値と、第２流量計３４の検出値が入力される。そして、ポンプコントローラ４３は、液面センサ１４の検出値に基づいて、溶解槽１０に貯留されている培養液１００の液量が一定値を維持するように、第１、第２ポンプ４１、４２の動作を制御する。また、このポンプコントローラ４３では、第１流量計２４及び第２流量計３４の検出値に基づいて、第１ポンプ４１から吐出されて第１循環パイプ２０を流れる培養液１００の流量と、第２ポンプ４２から吐出されて第２循環パイプ３０を流れる培養液１００の流量とが同等になるように第１ポンプ４１及び第２ポンプ４２の動作を制御する。
気体供給パイプ５０は、二酸化炭素ボンベＢ（気体供給源、二酸化炭素供給源）から溶解槽１０へ投入される二酸化炭素（気体）が流れるパイプであり、一端５１が二酸化炭素ボンベＢに連結され、他端５２（先端）が溶解槽１０の側面１２を貫通し、この溶解槽１０に貯留された培養液１００の内部に差し込まれている。そして、溶解槽１０に差し込まれた気体供給パイプ５０の他端５２には、気体放出部５３が固定されている。
気体放出部５３は、気体供給パイプ５０から放出される二酸化炭素を、溶解槽１０に貯留された培養液１００の内部で微小な気泡（マイクロバブルやナノバブル、以下「気泡」という）にするものであり、ここでは円柱形状を呈している。この気体放出部５３は、多孔質のセラミック材、焼結合金、高分子化合物等により形成されている。ここでは、気体放出部５３は、孔径が１〜１００μｍを選定している。
また、この気体放出部５３は、球相当直径が２．５ｍｍ以下、より好ましくは１．０ｍｍ以下の気泡を生成するものとする。さらに、この気体放出部５３は、気体放出部５３を介して放出される気泡を、単位時間当たりの単位断面積通過個数が３５個／ｍｉｎ／ｃｍ２以上生成するものとする。
そして、気体放出部５３は、溶解槽１０に貯留した培養液１００の液面１０ａまでの水深（気体放出部５３から液面１０ａまでの深さ）Ｈ２が、培養槽２における水深Ｈ１よりも深くなる位置に配置されている。ここでは、水深Ｈ２が４５０ｍｍ以上になる位置に気体放出部５３を配置する。なお、気体放出部５３により、球相当直径が１．４ｍｍ以下の気泡が生成される場合には、水深Ｈ２が３５０ｍｍ以上に設定されればよい。
さらに、この気体溶解装置３では、気体放出部５３の孔径と、水深Ｈ２の深さと、溶解槽１０内の液量との各設定値を調節し、溶解槽１０に貯留されている培養液１００における二酸化炭素の溶存量を、溶存無機炭素重量換算で２００ｍｇ／Ｌ以下に設定している。なお、溶解槽１０内の培養液１００の二酸化炭素溶存量が溶存無機炭素重量換算で２００ｍｇ／Ｌ以下になるときの気体放出部５３の孔径と、水深Ｈ２の深さと、溶解槽１０内の液量との設定値は、例えば図８に示す。
マスフローコントローラ６０は、気体供給パイプ５０を流れる二酸化炭素の流量を計測し、この二酸化炭素の流量を制御する。このマスフローコントローラ６０には、ｐＨ監視部７０のｐＨコントローラ７２からの制御指令が入力される。そして、マスフローコントローラ６０は、ｐＨコントローラ７２からの制御指令に基づいて気体供給パイプ５０を流れる二酸化炭素の流量を制御する。
ｐＨ監視部７０は、溶解槽１０に貯留されている培養液１００のｐＨ値を監視する。このｐＨ監視部７０は、モニタリング槽７１と、ｐＨコントローラ７２と、ｐＨセンサ７３と、を有している。
モニタリング槽７１は、第２循環パイプ３０の途中に設けられ、この第２循環パイプ３０を介して溶解槽１０に連通し、溶解槽１０から流出した培養液１００の一部を貯留する水槽である。このモニタリング槽７１は、底面７１ａ及び側面７１ｂを有する縦長の管形状であり、上部が上面７１ｃによって塞がれており、ここでは、底面７１ａを湾曲面とし、上面７１ｃには非密閉の蓋を被せている。また、モニタリング槽７１に貯留される培養液１００の液量は任意に設定することができ、ここでは１Ｌに設定されている。
そして、第２循環パイプ３０が接続されて培養液１００がモニタリング槽７１に流れ込む流入口７４ａは、底面７１ａに形成されている。また、第２循環パイプ３０が接続されて培養液１００がモニタリング槽７１から流れ出る流出口７４ｂは、側面７１ｂに形成されている。さらに、このモニタリング槽７１は、このモニタリング槽７１に貯留された培養液１００の液面７１ｄの高さ位置が、溶解槽１０に貯留された培養液１００の液面１０ａの高さ位置と一致する位置に設置されている。
ｐＨコントローラ７２は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やメモリ等を有し、ｐＨセンサ７３の検出値が入力される。そして、ｐＨコントローラ７２は、ｐＨセンサ７３の検出値に基づいて、溶解槽１０から流出した培養液１００のｐＨ値が藻類培養における二酸化炭素の要求溶存量に応じた適切な範囲に収まるように、マスフローコントローラ６０に制御指令を出力する。なお、このｐＨコントローラ７２では、ｐＨ値が一定値以下になった場合、溶解槽１０への二酸化炭素の流入を停止する制御指令を出力する。
ｐＨセンサ７３は、モニタリング槽７１の上面７１ｃに設置され、センサ部分がモニタリング槽７１に貯留した培養液１００に差し込まれている。そして、このｐＨセンサ７３により、モニタリング槽７１に貯留された培養液１００のｐＨ値が測定される。
以下、気体溶解装置における課題を説明する。
藻類培養において、培養液の二酸化炭素濃度を適切な濃度に制御する必要性については上述の通りであるが、培養液への二酸化炭素の溶解は、散気管（ディフューザー）を培養槽に直接入れるものが一般的である。しかしながら、散気管を培養槽に直接入れた場合では、二酸化炭素の溶解量は培養槽の水深や散気する気泡のサイズに大きな影響を受ける。また、散気する気体は、１〜５％の二酸化炭素を含む混合空気を用いることが多く、二酸化炭素を効率よく溶解することは難しい。
一般に、培養のメインストリームである２０〜３０ｃｍ程度の水深の浅い培養槽は、二酸化炭素を十分溶解されるまで培養液中に留めることが難しく、主要な溶解方法の一つである「培養槽に散気管を直接投入する方法」では、投入した二酸化炭素の１００分の一以下の溶解効率になるケースも存在する。また、環境配慮の観点から未溶解二酸化炭素を大量に大気に放出することは望ましくないが、二酸化炭素の溶解効率が低いと、大気に放出される未溶解二酸化炭素が増加してしまう。さらに、二酸化炭素の溶解効率が低いことで、二酸化炭素不足に伴う培養期間の長期化や、それによって諸コストが増大するといった課題も生じる。
これに対し、培養槽の全体もしくは一部の水深を深くすることで、二酸化炭素を培養液中に留める時間を延長することが考えられている。この場合では、培養槽の底面に近いほど光量不足に由来する培養効率の低下が生じたり、水深を深くすることで培養槽設置時の足かせになることもあり、実施することが難しい。
一方、二酸化炭素の高効率溶解方法として、ナノバブルやマイクロバブルを利用する方法も考えられている。しかし、マイクロバブル化した二酸化炭素を培養液に通気することで、培養液における見かけの吸光率が減少する。そのため、藻類培養には不向きになる可能性が想定される。
さらに、藻類に対する物理的な負荷は、藻類細胞にダメージを与える懸念があり、最小限に抑える必要がある。そのため、高圧・高流量ポンプを用いた培養液の循環や、そのようなポンプを利用した旋回流や、ベンチェリー管によるバブル発生方式も避けることが望ましい。すなわち、藻類培養では、培養液への二酸化炭素溶解の重要性が認識される一方で、その溶解方法に関する改良はいまだ不十分である。
以下、実施例１の気体溶解装置３における二酸化炭素の投入条件と、二酸化炭素の溶解効率について説明する。
図３Ａ及び図３Ｂには、実施例１の気体溶解装置３における、気体放出部５３の孔径と、当該孔径によって発生する気泡の球相当直径の階級値（以下「気泡サイズ」という）と、気泡の平均発生個数との相互の関係を示す。この図３Ａ及び図３Ｂに現れる関係から、気体放出部５３の孔径が大きい方が発生する気泡サイズが大きくなることがわかる。また、孔径が４０μｍを超えると、気泡サイズは、孔径の変化に拘らず２．５ｍｍ程度に維持されることがわかる。また、図３Ｃには、気体放出部５３の孔径と、気泡の平均発生個数との関係を示すが、気泡の発生平均個数も、孔径が４０μｍを超えると横ばいになることがわかる。そこで、実施例１では、気体放出部５３の孔径を１〜１００μｍに選定した。これにより、孔径を不要に大きくすることなく、適切な大きさや数の気泡を得ることができる。
また、図４Ａには、実施例１の気体溶解装置３における、気体放出部５３による気泡サイズと、二酸化炭素の溶解効率との関係を示し、図４Ｂには、実施例１の気体溶解装置３における、気体放出部５３から溶解槽１０に貯留した培養液１００の液面１０ａまでの水深Ｈ２（以下「水深Ｈ２」という）と、二酸化炭素の溶解効率との関係を示す。なお、溶解効率は、下記式（１）に基づいて算出する。この溶解効率は、高い方が好ましいとする。
溶解効率（％）＝ 溶存量 ／ 投入量 ×１００ ・・・（１）
この図４Ａ及び図４Ｂに現れる関係から、気泡サイズは、小さい方が溶解効率が高くなり、好ましいことがわかる。さらに、水深Ｈ２は４５０ｍｍ以上であれば、気体溶解装置３として好ましい性能（溶解効率５０％以上）を発揮することがわかる。そこで、実施例１では、溶解槽１０に貯留した培養液１００の液面１０ａまでの水深Ｈ２を４５０ｍｍ以上に設定した。これにより、気体溶解装置３として必要な二酸化炭素の溶解効率を確保することができる。
さらに、図５に示すように、気泡サイズが１．４ｍｍのときは、水深Ｈ２が３００ｍｍから３５０ｍｍの間で溶解効率が５０％以上に達することが分かる。そのため、気泡サイズが１．４ｍｍの場合では、水深Ｈ２は３５０ｍｍ以上であってもよいと判断できる。そこで、実施例１では、気泡サイズが１．４ｍｍ以下の気泡を生成するときには、水深Ｈ２を３５０ｍｍ以上に設定すればよいとした。これにより、水深Ｈ２を浅くしても、気体溶解装置３として必要な二酸化炭素の溶解効率を確保することができる。
さらに、溶解効率が最も高い気体放出部５３の孔径は、図３Ａ〜図４Ｂから２μｍであることがわかるが、図６に示すように、孔径が２μｍの気体放出部５３によって生成される気泡は、確認できた最小クラスの気泡サイズが１．０ｍｍ以下であることがわかる。そこで、実施例１の気体溶解装置３では、気体放出部５３を、球相当直径（気泡サイズ）が２．５ｍｍ以下、より好ましくは１．０ｍｍ以下の二酸化炭素の気泡を生成するものに設定した。これにより、水深Ｈ２が４５０ｍｍ以上であれば、必要な溶解効率を確保することができ、気泡サイズが１．０ｍｍ以下の気泡を生成するものであれば、溶解効率をさらに向上させることができる。
また、気泡放出部５３における気泡の平均発生個数と、溶解槽１０の断面積の関係から、気泡の単位時間当たりの断面積通過個数を算出することができる。この気泡の単位時間当たりの単位断面積通過個数は、気体放出部５３の孔径の大きさによって異なるが、図７に示すように、孔径が大きいほど数が少なくなるものの、３５個／ｍｉｎ／ｃｍ２以上であることがわかる。そこで、実施例１では、気体放出部５３を、単位時間当たりの気泡の単位断面積通過個数が３５個／ｍｉｎ／ｃｍ２以上にするものに設定した。これにより、必要な二酸化炭素の溶解効率を確保することができる気泡の平均発生個数を確保することができる。よって、必要な溶解効率を確保することができる。
そして、図８には、同一時間、同量の二酸化炭素を投入したときの気体放出部５３の孔径と、水深Ｈ２と、溶解槽１０内の液量と、二酸化炭素の実溶存量（炭素重量換算）と、二酸化炭素の溶解効率との相互の関係を示す。この図８に現れる関係から、二酸化炭素の実溶存量が高いときには溶解効率が低下することがわかる。また、理論上、培養液１００における二酸化炭素の溶存量が増すほど、この培養液１００からの二酸化炭素の再放出速度が増すことが分かっている。従って、培養液１００に溶存する二酸化炭素の溶存量が常に一定の値に留まるように二酸化炭素を投入することが好ましい。さらに、必要な二酸化炭素の溶解効率が５０％以上であることを考えると、図８に示す結果から、少なくとも二酸化炭素の溶存量（炭素重量換算）を２００ｍｇ／Ｌ以下の濃度にすべきと判断できる。そこで、実施例１では、気体放出部５３の孔径と、水深Ｈ２と、溶解槽１０に貯留される液量との各設定値を調節し、溶解槽１０における二酸化炭素の溶存量を２００ｍｇ／Ｌ（溶存無機炭素重量換算）以下に設定する。これにより、不要な二酸化炭素の投入を抑制し、投入した二酸化炭素を効率よく溶解させることができる。
以下、実施例１の気体溶解装置３及び第１、第２比較例の気体溶解装置における二酸化炭素の溶解実験結果を説明する。
この実験では、図１に示すレースウェイ型の培養槽２を使用し、この培養槽２における液量を１５０Ｌ、水深Ｈ１を１３０〜１３５ｍｍ、液体の撹拌速度を１１ｃｍ／ｓｅｃに設定する。そして、この培養槽２に貯留している液体（水道水）に散気管を直接投入する。ここで、１００％の二酸化炭素を６０ｍＬ／ｍｉｎ（１気圧）にて散気したものを第１比較例の気体溶解条件とし、１％の二酸化炭素を混合した空気を６０００ｍＬ／ｍｉｎ（１気圧）にて散気したものを第２比較例の気体溶解条件とする。
一方、実施例１の気体溶解装置３では、図１に示すレースウェイ型の培養槽２（液量１５０Ｌ）から一定量（１〜２Ｌ／ｍｉｎ）の液体（水道水）を溶解槽１０（液量５Ｌ）へ注入する。そして、この溶解槽１０に注入された水道水に対して、気体放出部５３を介して１００％の二酸化炭素を６０ｍＬ／ｍｉｎ（１気圧）にて投入する。さらに、溶解槽１０にて二酸化炭素を溶解した水道水は、モニタリング槽７１（液量１Ｌ）を経て、一定量ずつ（１〜２Ｌ／ｍｉｎ）培養槽２に返送する。
なお、ここでは、二酸化炭素の溶存量は、いずれも培養槽２における溶存無機炭素重量換算として測定した。また、実施例１の気体溶解装置３において、モニタリング槽７１にて検出したｐＨ値が一定値以下になった場合には、二酸化炭素の注入を停止した。
図９Ａ及び図９Ｂに、実験結果のまとめと、経過時間に対する溶解効率の低下を示す。この図９Ａに現れるように、第１比較例の気体溶解装置では最大溶解効率が３７％を示し、第２比較例の気体溶解装置では最大溶解効率が１４％を示したのに対し、実施例１の気体溶解装置３では、最大溶解効率が６４％となった。すなわち、実施例１の気体溶解装置３では、培養槽２に貯留した液体を溶解槽１０に注入し、この溶解槽１０にて二酸化炭素を溶解させてから培養槽２に返送するが、ここで、気体放出部５３から溶解槽１０に貯留された液体の液面１０ａまでの水深Ｈ２を、培養槽２に貯留された液体の水深Ｈ１よりも深く設定している。そのため、散気管を培養槽２に直接入れる一般的な培養液への二酸化炭素の溶解方法と比べて、二酸化炭素の溶解効率を簡易な構造で向上することができる。
また、図９Ｂに現れるように、二酸化炭素の溶解実験を開始してから時間が経過すると、いずれの投入条件においても二酸化炭素の溶解効率は低下していく。しかしながら、実施例１の気体溶解装置３では、第１比較例及び第２比較例の気体溶解装置と比べて溶解効率の低下を抑制することができることが分かる。よって、実施例１の気体溶解装置３では、二酸化炭素の溶解効率を向上し、二酸化炭素の投入量を抑えることができる。さらに、培養液１００内の二酸化炭素不足を防止して、藻類培養に必要な培養期間を短縮し、培養に必要な諸コストの低減を図ることができる。
また、実施例１の気体溶解装置３では、培養槽２に貯留されている培養液１００を溶解槽１０に注入する第１循環パイプ２０を備えている。そして、この第１循環パイプ２０の液体吐出口２３は、気体供給パイプ５０の他端５２に固定された気体放出部５３よりも上方の位置に設けられている。そのため、この第１循環パイプ２０から吐出された培養液１００は、培養槽２の底面１１に向かって下方へと流れていく。これに対し、気体放出部５３を介して放出された二酸化炭素は、溶解槽１０の上方へと上昇していく。
これにより、溶解槽１０に注入された培養液１００の流れ方向と、溶解槽１０に投入された二酸化炭素の移動方向とが逆向きになり、さらに二酸化炭素の溶解効率を高めることができる。
また、実施例１の気体溶解装置３では、溶解槽１０に貯留されている培養液１００を培養槽２に返送する第２循環パイプ３０を備えている。そして、この第２循環パイプ３０の液体取込口３３は、溶解槽１０の側面１２に開放し、気体放出部５３よりも下方の位置に設けられている。一方、気体放出部５３を介して放出された二酸化炭素は、上述のように、溶解槽１０の上方へ上昇していく。そのため、気体放出部５３を介して放出された二酸化炭素が第２循環パイプ３０に流れ込みにくくでき、溶解槽１０内に投入した二酸化炭素を留めて十分に溶解させることが可能になる。よって、二酸化炭素の溶解効率をさらに高めることができる。
また、実施例１の気体溶解装置３は、溶解槽１０に貯留されている培養液１００のｐＨ値を監視するｐＨ監視部７０を備えている。そして、溶解槽１０へ投入される二酸化炭素の流量を制御するマスフローコントローラ６０は、ｐＨ監視部７０による監視結果に基づいて気体供給パイプ５０を流れる二酸化炭素の流量を制御する。
これにより、二酸化炭素の流量を変動させたことで生じるｐＨ値の変化を速やかに検出することができる。そのため、例えば培養槽２に貯留されている培養液１００のｐＨ値に基づいて溶解槽１０に投入する二酸化炭素の流量を制御する場合と比較して、二酸化炭素の投入量を適切に制御することができる。
さらに、ここでは、ｐＨ監視部７０が、溶解槽１０に連通したモニタリング槽７１と、モニタリング槽７１に貯留された培養液１００のｐＨ値を測定するｐＨセンサ７３と、を有している。これにより、溶解槽１０の外部でこの溶解槽１０に貯留されている培養液１００のｐＨ値の測定を行うことができ、ｐＨセンサ７３に二酸化炭素の気泡が付着することを低減できる。そのため、ｐＨ測定に誤差が生じることを抑え、ｐＨ値の測定精度を向上することができる。さらに、モニタリング槽７１に流れ込んだ培養液１００は、二酸化炭素を溶解させた後の液体であるため、二酸化炭素濃度にムラがない。これにより、さらにｐＨ測定の誤差を抑えてｐＨ値の測定精度を向上することができる。
実施例１では、モニタリング槽７１に貯留された培養液１００の液面７１ｄの高さ位置が、溶解槽１０に貯留された培養液１００の液面１０ａの高さ位置に一致しており、モニタリング槽７１が、溶解槽１０に対して互いの液面７１ｄ、１０ａの高さ位置を揃えることが可能な位置に設置されている。そのため、各槽１０、７１から培養液１００が溢れることなく、それぞれの上面１３、７１ｃの近傍まで培養液１００を貯留することができる。よって、溶解槽１０やモニタリング槽７１を不要に大きくする必要がなく、装置全体のコンパクト化を図ることができる。
また、実施例１の気体溶解装置３では、溶解槽１０の底面１１（底部）に液体排出開口３６が形成され、この液体排出開口３６には、開閉弁３７を有する排出パイプ３５が接続されている。そして、開閉弁３７を開くと、溶解槽１０内の培養液１００が液体排出開口３６から排出パイプ３５へと流れ込み、モニタリング槽７１を迂回して培養槽２へと培養液１００を返送することができる。これにより、溶解槽１０の底面１１の近傍に沈殿した藻類等の沈殿物を溶解槽１０内から培養液１００と共に排出することができる。
そして、実施例１の藻類培養装置１では、実施例１の気体溶解装置３を用いて培養液１００に二酸化炭素を溶解することで、藻類培養に必要な二酸化炭素を培養槽２へ効率良く投入することができる。また、この実施例１では、溶解槽１０に貯留した培養液１００に二酸化炭素を溶解してから、この二酸化炭素が溶解した培養液１００を培養槽２へと返送する。そのため、培養槽２に貯留した培養液１００のｐＨ値が急激に変動することを抑えたり、二酸化炭素の気泡が藻類細胞に接触することで培養液１００に含まれる藻類細胞が受けるダメージを抑えたりすることができる。
以上、本発明の気体溶解装置及び藻類培養装置を実施例１に基づいて説明してきたが、具体的な構成については、この実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加などは許容される。
実施例１では、気体溶解装置３を車輪付きの台車上に設置した例を示した。この場合では、第１循環パイプ２０の一端２１と第２循環パイプ３０の一端３１をそれぞれ培養槽２に貯留された培養液１００から引き抜けば、気体溶解装置３を適宜移動することが可能である。また、培養槽２に対して気体溶解装置３を後付けすることも可能になる。しかしながら、これに限らず、第１、第２循環パイプ２０、３０を培養槽２に対して固定し、気体溶解装置３と培養槽２とを一体化してもよい。
また、実施例１では、培養槽２と溶解槽１０を第１、第２循環パイプ２０、３０を介して接続し、溶解槽１０内の培養液１００に二酸化炭素を投入しつつ、循環機構４０によって培養槽２と溶解槽１０との間で培養液１００を常時循環させる例を示した。しかしながら、これに限らない。例えば、培養槽２と溶解槽１０とを独立して設置する。そして、培養槽２から一定量の培養液１００を汲み出して溶解槽１０に貯留し、二酸化炭素を溶解させた後、溶解槽１０内の二酸化炭素を溶解した培養液１００を汲み出して培養槽２に戻すようにしてもよい。
また、実施例１では、溶解槽１０の底面１１に接続された排出パイプ３５の一端３５ａを、第２循環パイプ３０のうちのモニタリング槽７１と第２ポンプ４２との間の領域に接続する。そして、この排出パイプ３５に流れ出た培養槽２の下部に沈殿した培養液１００を、モニタリング槽７１を迂回して培養槽２へと返送する例を示した。しかしながら、これに限らない。例えば、排出パイプ３５の一端３５ａをバケツ等の容器に差し込み、培養槽２の下部に沈殿した沈殿物を培養槽２に返送しないようにしてもよい。また、排出パイプ３５の一端３５ａを培養槽２に直接差し込み、第２ポンプ４２も迂回させて培養槽２に返送するようにしてもよい。この場合には、排出パイプ３５に流れ出た培養液１００に含まれる沈殿物による第２ポンプ４２の目詰まりの発生を防止することができる。
また、実施例１では、気体放出部５３から溶解槽１０に貯留された培養液１００の液面１０ａまでの水深Ｈ２を４５０ｍｍ以上に設定する例を示した。しかしながら、これに限らない。藻類培養では、一般的に培養槽２での水深Ｈ１が２００〜３００ｍｍ程度の比較的浅い環境であることが多く、実施例１の培養槽２では水深Ｈ１を１３０〜１３５ｍｍに設定している。そのため、例えば、水深Ｈ２は、培養槽２に貯留された培養液１００の水深Ｈ１の二倍以上に設定してもよい。
また、実施例１では、培養槽２や溶解槽１０に貯留する液体を微細藻類が懸濁された培養液１００とし、培養液１００に溶解する気体を二酸化炭素とする例を示した。しかしながら、これに限らない。例えば、水に酸素やオゾン、水素、窒素等を溶解するものであってもよいし、産業排水に酸素やその他のガスを溶解するものであってもよい。また、メイン槽である培養槽２に対し、複数の気体溶解装置３を設置してもよい。
１ 藻類培養装置
２ 培養槽
３ 気体溶解装置
１０ 溶解槽
１１ 底面
１２ 側面
１４ 液面センサ
２０ 第１循環パイプ
２３ 液体吐出口
３０ 第２循環パイプ
３３ 液体取込口
３５ 排出パイプ
３６ 液体排出開口
３７ 開閉弁
４１ 第１ポンプ
４２ 第２ポンプ
４３ ポンプコントローラ
５０ 気体供給パイプ
５３ 気体放出部
６０ マスフローコントローラ（気体制御部）
７０ ｐＨ監視部
７１ モニタリング槽
７２ ｐＨコントローラ
７３ ｐＨセンサ
１００ 培養液
Ｈ１ 水深
Ｈ２ 水深

Claims (8)

  1. メイン槽に貯留された液体の一部を貯留する溶解槽と、
    気体供給源に連結され、前記溶解槽に貯留されている液体に差し込まれた先端から気体を放出する気体供給パイプと、
    前記気体供給パイプの先端に設けられ、前記先端から放出される気体を気泡にする気体放出部と、
    前記気体供給パイプを流れる気体の流量を制御する気体制御部と、を備え、
    前記気体放出部から前記溶解槽に貯留された液体の液面までの水深を、前記メイン槽に貯留された液体の水深よりも深く設定している
    ことを特徴とする気体溶解装置。
  2. 請求項１に記載された気体溶解装置において、
    前記メイン槽に貯留されている液体を前記溶解槽に注入する第１循環パイプを備え、
    前記第１循環パイプの液体吐出口は、前記気体放出部よりも上方に設けられている
    ことを特徴とする気体溶解装置。
  3. 請求項１又は請求項２に記載された気体溶解装置において、
    前記溶解槽に貯留されている液体を前記メイン槽に返送する第２循環パイプを備え、
    前記第２循環パイプの液体取込口は、前記気体放出部よりも下方に設けられている
    ことを特徴とする気体溶解装置。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載された気体溶解装置において、
    前記溶解槽に貯留されている液体のｐＨ値を監視するｐＨ監視部を備え、
    前記気体制御部は、前記ｐＨ監視部による監視結果に基づいて、前記気体供給パイプを流れる気体の流量を制御する
    ことを特徴とする気体溶解装置。
  5. 請求項４に記載された気体溶解装置において、
    前記ｐＨ監視部は、前記溶解槽に連通したモニタリング槽と、前記モニタリング槽に貯留された液体のｐＨを測定するｐＨセンサと、を有する
    ことを特徴とする気体溶解装置。
  6. 請求項５に記載された気体溶解装置において、
    前記モニタリング槽は、このモニタリング槽に貯留された液体の液面の高さ位置が、前記溶解槽に貯留された液体の液面の高さ位置に一致する位置に設置されている
    ことを特徴とする気体溶解装置。
  7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載された気体溶解装置において、
    前記溶解槽は、底部に液体排出開口が形成され、
    前記液体排出開口には、開閉弁を有する排出パイプが接続されている
    ことを特徴とする気体溶解装置。
  8. 藻類を培養する培養液を貯留する培養槽と、前記培養液に二酸化炭素を溶解させる気体溶解装置と、を備えた藻類培養装置において、
    前記気体溶解装置は、
    前記培養槽に貯留された培養液の一部を貯留する溶解槽と、
    前記培養槽と前記溶解槽との間を連通する第１循環パイプ及び第２循環パイプと、
    前記第１循環パイプを介して前記培養槽に貯留されている培養液を前記溶解槽に注入する第１ポンプと、
    前記第２循環パイプを介して前記溶解槽に貯留されている培養液を前記培養槽に返送する第２ポンプと、
    二酸化炭素供給源に連結され、前記溶解槽に貯留されている培養液に差し込まれた先端から二酸化炭素を放出する気体供給パイプと、
    前記気体供給パイプの先端に設けられ、前記先端から放出される二酸化炭素を気泡にする気体放出部と、
    前記気体供給パイプを流れる二酸化炭素の流量を制御する気体制御部と、を備え、
    前記気体放出部から前記溶解槽に貯留された培養液の液面までの水深を、前記培養槽に貯留された培養液の水深よりも深く設定している
    ことを特徴とする藻類培養装置。
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