JP2022012441A - Microbial culture system - Google Patents
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Abstract
Description
特許法第30条第2項適用申請有り 令和1年7月2日、The International Water Association主催、IWAlgae2019にて発表。Application for application of
本発明は、光合成を行う微生物の培養システムに関する。 The present invention relates to a culture system for microorganisms that perform photosynthesis.
光合成を行う微生物として知られる微細藻類は、健康食品、化粧品、天然着色料、飼料、餌料、燃料、バイオマテリアル等として幅広く利用されている。微細藻類を培養する培養システム(バイオリアクター)として、建物の外壁材料として用いることができる透明もしくは半透明で板状のハウジングからなるプレート型のバイオリアクターが知られている(例えば、特許文献1参照)。 Microalgaes known as photosynthetic microorganisms are widely used as health foods, cosmetics, natural colorants, feeds, feeds, fuels, biomaterials and the like. As a culture system (bioreactor) for culturing microalgae, a plate-type bioreactor having a transparent or translucent plate-shaped housing that can be used as an outer wall material of a building is known (see, for example, Patent Document 1). ).
都市部等の狭いスペースに構築された構造物は、高さ方向に延び、上記のプレート型の複数の容器(リアクター)を構造物の高さ方向に並べて配置し、容器間を連結することができる。 A structure constructed in a narrow space such as an urban area extends in the height direction, and the above-mentioned plate-shaped plurality of containers (reactors) can be arranged side by side in the height direction of the structure to connect the containers. can.
しかしながら、複数の容器を構造物の高さ方向に並べて配置し、容器間を連結すると、配置された位置が下方になるほど容器にかかる液圧荷重が大きくなり、液圧に耐えうる強固な構造にする必要があるという問題があった。 However, when a plurality of containers are arranged side by side in the height direction of the structure and the containers are connected to each other, the hydraulic load applied to the containers increases as the arranged position becomes lower, resulting in a strong structure that can withstand the hydraulic pressure. There was a problem that I had to.
本発明は、上記課題に鑑み、光合成を行う微生物の培養システムであって、
構造物の外壁面もしくは斜面に近隣もしくは隣接し、または該構造物の外壁そのものとして該構造物の高さ方向に配列するように設置され、微生物を含む培養液を収容する複数の容器と、
培養液を所定の条件に調整するための調整槽と、
調整槽で調整された培養液を最上部に配置された容器に供給する液供給手段と
を含み、
各容器が、所定の液面高さで培養液をオーバーフローさせ、連結される1段下の容器もしくは調整槽に供給する、微生物の培養システムが提供される。
The present invention is a culture system for microorganisms that perform photosynthesis in view of the above problems.
A plurality of containers that are installed adjacent to or adjacent to the outer wall surface or slope of the structure, or arranged so as to be arranged in the height direction of the structure as the outer wall itself of the structure, and contain a culture solution containing microorganisms.
An adjustment tank for adjusting the culture solution to the specified conditions, and
Including a liquid supply means for supplying the culture liquid prepared in the adjustment tank to the container arranged at the top.
A microbial culture system is provided in which each container overflows the culture solution at a predetermined liquid level and supplies the culture solution to a connected lower container or adjustment tank.
本発明によれば、複数の容器を構造物の高さ方向に並べて配置し、容器間を連結しても、液圧が抑えられる強固な構造にする必要はなく、強度が低い、安価な材料の使用が可能となる。 According to the present invention, even if a plurality of containers are arranged side by side in the height direction of the structure and the containers are connected to each other, it is not necessary to have a strong structure in which the hydraulic pressure is suppressed, and the material is low in strength and inexpensive. Can be used.
図1は、培養システムの構成例を示した図である。培養システムは、光合成を行う微生物(以下、単に微生物と呼ぶ。)を培養するシステムである。培養システムは、複数の容器(リアクター)10と、微生物の培養に必要な培養液を所定の条件に調整するための調整槽11と、培養液を供給する調整槽用ポンプ12とを含む。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a culture system. The culture system is a system for culturing microorganisms that perform photosynthesis (hereinafter, simply referred to as microorganisms). The culture system includes a plurality of containers (reactors) 10, a adjusting tank 11 for adjusting the culture solution necessary for culturing microorganisms to predetermined conditions, and a adjusting tank pump 12 for supplying the culture solution.
微生物としては、微細藻類やシアノバクテリア等が挙げられる。これらの微生物は、増殖速度が速いことから、CO2の固定や有用物質の生産等において注目されている。有用物質としては、健康食品原料、化粧品原料、天然着色料原料、餌料原料、飼料原料、バイオ燃料原料、バイオマテリアル原料等が挙げられる。 Examples of microorganisms include microalgae and cyanobacteria. Since these microorganisms have a high growth rate, they are attracting attention in the immobilization of CO 2 and the production of useful substances. Examples of useful substances include health food raw materials, cosmetic raw materials, natural colorant raw materials, feed raw materials, feed raw materials, biofuel raw materials, biomaterial raw materials and the like.
微細藻類やシアノバクテリアは、クロレラやスピルリナ等の植物プランクトンである。例えば、化粧品に使用されるアスタキサンチン(赤色色素)は、微細藻類の1つであるヘマトコッカスを使用して工業的に生産される。健康食品で使用される青色色素は、シアノバクテリアの1つであるスピルリナを使用して工業的に生産される。 Microalgaes and cyanobacteria are phytoplankton such as chlorella and spirulina. For example, astaxanthin (red pigment) used in cosmetics is industrially produced using hematococcus, which is one of the microalgaes. The blue pigment used in health foods is industrially produced using spirulina, one of the cyanobacteria.
これらの微生物は、培養液中で太陽光を受け、CO2を吸収して光合成を行い、増殖する。培養液は、水と微生物の栄養分となる栄養塩とが含まれる培地に、微生物が懸濁されたものである。栄養塩には、窒素、リン、硫黄、無機金属イオン(K+、Mg2+、Fe2+、Mn2+等)などが含まれる。 These microorganisms receive sunlight in the culture medium, absorb CO 2 to perform photosynthesis, and proliferate. The culture broth is a suspension of microorganisms in a medium containing water and nutrients that serve as nutrients for the microorganisms. Nutrients include nitrogen, phosphorus, sulfur, inorganic metal ions (K + , Mg 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , etc.) and the like.
微生物を含む培養液は、調整槽11においてCO2ガスが供給され、所定のCO2濃度に調整される。調整槽11には、CO2ガスを供給するCO2ボンベ13が接続される。培養液のpHは、CO2ガス、塩酸、水酸化ナトリウム等を用いて、微生物の増殖に適した5~10に調整することができる。培養液の酸素濃度は空気などの気体を通気させ、微生物の増殖に適した濃度(300%空気飽和以下)に調整することができる。 The culture solution containing microorganisms is supplied with CO 2 gas in the adjusting tank 11 and adjusted to a predetermined CO 2 concentration. A CO 2 cylinder 13 for supplying CO 2 gas is connected to the adjusting tank 11. The pH of the culture solution can be adjusted to 5 to 10, which is suitable for the growth of microorganisms, by using CO 2 gas, hydrochloric acid, sodium hydroxide and the like. The oxygen concentration of the culture solution can be adjusted to a concentration suitable for the growth of microorganisms (300% air saturation or less) by aerating a gas such as air.
微生物を含む培養液は、調整槽11において所定の温度に調整される。調整槽11は、温度を調整するためのヒーター14およびクーラー15を備える。培養液の温度は、微生物の生長に適した温度範囲(15~35℃)に調整される。 The culture solution containing the microorganism is adjusted to a predetermined temperature in the adjusting tank 11. The adjusting tank 11 includes a heater 14 and a cooler 15 for adjusting the temperature. The temperature of the culture broth is adjusted to a temperature range (15 to 35 ° C.) suitable for the growth of microorganisms.
調整槽11は、培養液中のCO2濃度、栄養塩および温度を均一にするため、空気を吹き込むノズル16と、ノズル16に接続されるエアーポンプ17とを備える。ノズル16から空気を吹き込むことで、培養液をバブリングし、撹拌する。空気は、培養液を撹拌するとともに、微生物の光合成を阻害する酸素を除去する。調整槽11に吹き込む空気量は、エアーポンプ17の空気吐出量を制御することにより調整することができる。培養液の酸素濃度は、吹き込む空気量を調整することにより調整することができる。空気吐出量は、エアーポンプ17の吐出ラインに設けた弁により調整することができる。 The adjusting tank 11 includes a nozzle 16 for blowing air and an air pump 17 connected to the nozzle 16 in order to make the CO 2 concentration, nutrients and temperature in the culture solution uniform. By blowing air from the nozzle 16, the culture solution is bubbled and stirred. Air agitates the culture medium and removes oxygen that inhibits photosynthesis of microorganisms. The amount of air blown into the adjusting tank 11 can be adjusted by controlling the amount of air discharged from the air pump 17. The oxygen concentration of the culture solution can be adjusted by adjusting the amount of air blown. The air discharge amount can be adjusted by a valve provided in the discharge line of the air pump 17.
リアクター10は、背面板と、透明もしくは半透明の正面板と、背面板と正面板とに連続する4つの側板とから構成される厚さの薄いプレート型のリアクターである。背面板と側板は、透明もしくは半透明でなくてもよく、コンクリートや金属板等であってもよい。背面板と正面板の大きさは、同じ大きさであってもよいし、異なる大きさであってもよい。なお、リアクター10は、円筒形のカラム型やチューブ型のリアクターであってもよい。しかしながら、カラム型は奥行きがあるので、太陽の光が届きにくい部分があり、チューブ型は長さが長いと流れの抵抗が大きいことから、プレート型のリアクターが望ましい。
The
リアクター10は、背面板と、正面板と、4つの側板とにより密閉空間を形成し、密閉空間内に微生物を含む培養液を収容する。リアクター10は、収容された培養液を撹拌し、CO2を供給し酸素を除去するため、調整槽11と同様、ノズル18と、エアーポンプ19とを備える。
The
リアクター10は、吹き込まれた空気が上部の空間に滞留し、リアクター10内の圧力が上昇していくため、空気を外部へ排出するための空気抜き弁20を備える。
The
複数のリアクター10は、都市部等の狭いスペースに構築された構造物の外壁面に近隣もしくは隣接して設置される。構造物は、鉛直方向に延びる外壁面を有するビル等である。図2には、ビル等の構造物の外壁面70から突出する部分に複数のリアクター10をかけ、垂れ下がるように設置している例を示している。ここでは、ビルを一例として挙げたが、これに限定されるものではない。図2に示すように、丘のような天然構造物の斜面28や屋根29に近隣もしくは隣接して設置してもよい。なお、複数のリアクター10は、構造物の外壁そのものとして用いることも可能である。ここでは、構造物の外壁面に近隣して設置されるものとして説明する。
The plurality of
再び図1を参照して、複数のリアクター10は、構造物の高さ方向に並べて設置され、リアクター10間が管21により連結される。
With reference to FIG. 1 again, the plurality of
調整槽11内の培養液は、調整槽用ポンプ12により最上部のリアクター10に適宜供給される。このため、培養液は、最上部のリアクター10に断続的に供給されることになり、調整槽用ポンプ12を起動および停止を繰り返す必要がある。調整槽用ポンプ12の起動および停止の繰り返しの頻度が多いと、ポンプの故障の原因となる。そこで、構造物の屋上にバッファーの役割を果たす高架水槽22を設置し、調整槽用ポンプ12で培養液を高架水槽22に供給しておき、高架水槽22から適宜培養液を供給することができる。
The culture solution in the adjusting tank 11 is appropriately supplied to the
高架水槽22は、高架水槽22の底に設けられる供給弁23を介して最上部のリアクター10と管21により接続される。高架水槽22は、供給弁23を適宜開き、最上部のリアクター10に培養液を供給する。供給弁23の開度を調整することで、供給する培養液の量を調整することができる。高架水槽22への送液の頻度は、高架水槽22の液面レベルを基に調整することができる。高架水槽22は、周囲に保温材が設けられ、培養液の温度を一定に保持することができる。
The elevated water tank 22 is connected to the
各リアクター10は、1段上のリアクター10もしくは高架水槽22から下方に培養液が供給されるように供給側の管21が接続される。また、各リアクター10は、所定の液面高さで培養液をオーバーフローさせ、連結される1段下のリアクター10もしくは調整槽11に供給するように排出側の管21が接続される。
Each
これにより、調整槽11、高架水槽22、各リアクター10を順に通り、調整槽11へ戻る1つの系を形成し、培養液が系内を循環する。系内は、密閉空間とされ、外部からの他の微生物の侵入が抑制される。
As a result, one system is formed by passing through the adjusting tank 11, the elevated water tank 22, and each
微生物は、各リアクター10に一定期間滞留する。各リアクター10は、太陽の光が当たる側の正面板が透明もしくは半透明であることから、各リアクター10内に太陽の光が入射される。このため、微生物は、各リアクター10内で光合成を行い、増殖する。
Microorganisms stay in each
調整槽11の1段下には、回収槽24が設けられる。調整槽11と回収槽24とは、回収弁25を介して接続され、回収弁25を適宜開くことにより調整槽11から回収槽24へ増殖した微生物を含む培養液の一部を回収する。微生物は、沈殿やろ過等の分離プロセスを使用して培養液から分離され、回収される。 A recovery tank 24 is provided one step below the adjustment tank 11. The adjustment tank 11 and the recovery tank 24 are connected via a recovery valve 25, and by opening the recovery valve 25 as appropriate, a part of the culture solution containing the microorganisms that have grown from the adjustment tank 11 to the recovery tank 24 is collected. Microorganisms are separated and recovered from the culture medium using separation processes such as precipitation and filtration.
回収槽24へ培養液の一部が回収されると、調整槽11内の培養液の量が減少する。このため、減少した量の培養液を補給するべく、補給槽26が設けられる。補給槽26は、調整槽11へ回収によって減少した量の培地を補給する。補給槽26は、培地のみを貯留する。なお、補給槽26から培地を供給するために、補給ポンプ27が設けられる。 When a part of the culture solution is recovered in the recovery tank 24, the amount of the culture solution in the adjustment tank 11 decreases. Therefore, a replenishment tank 26 is provided to replenish the reduced amount of the culture solution. The replenishment tank 26 replenishes the adjustment tank 11 with the amount of medium reduced by recovery. The supply tank 26 stores only the medium. A replenishment pump 27 is provided to supply the medium from the replenishment tank 26.
図3を参照して、各リアクター10内をどのように培養液が流れるかについて説明する。図3では、構造物の高さ方向に2段に並ぶ2つのリアクター10a、10bが管21bにより連結されている。ここでは、説明を容易にするためにリアクター10を2段としている。上側のリアクター10aには、培養液の供給側の管21aと、培養液の排出側の管21bとが接続される。下側のリアクター10bには、培養液の供給側の管として、上側のリアクター10aの排出側の管21bが接続され、培養液の排出側の管21cが接続される。
With reference to FIG. 3, how the culture broth flows in each
管21aは、上側のリアクター10aの底部に近隣した側面に接続され、上側のリアクター10aの底部へ培養液を供給する。管21bは、上側のリアクター10aの頂部に近隣した側面に接続され、上側のリアクター10aの液面付近の培養液をオーバーフローにより排出する。上側のリアクター10a内の底から管21bの断面の流路部分の最下部までの距離が、上側のリアクター10a内の培養液の液面高さHとなる。
The
上側のリアクター10aへの培養液は、適宜供給される。管21aは、上側のリアクター10aの側面から該上側のリアクター10aの側面に沿って下側に延びており、管21a内の液面高さは、上側のリアクター10a内の液面高さとほぼ同じ高さとなる。
The culture solution to the
下側のリアクター10bも、上側のリアクター10aと同じ高さ位置に管21b、21cが接続される。このため、上側のリアクター10aでオーバーフローした培養液は、管21bを通して下側のリアクター10bの底部へ供給される。そして、下側のリアクター10bでオーバーフローした培養液が、管21cを通してさらに下側のリアクターもしくは調整槽11へ供給される。管21b内の液面高さは、下側のリアクター10b内の液面高さとほぼ同じ高さとなる。
The
上側のリアクター10aと下側のリアクター10bとを連結する管21b内には、空気による空洞が形成され、空洞により上側のリアクター10aと下側のリアクター10bとが分離される。このため、各リアクター10にかかる液圧は、各リアクター10内の液面高さHのみに依存することとなる。
A cavity is formed by air in the
本システムでは、各リアクター10a、10bの液面高さを低くして、各リアクター10にかかる液圧を小さくする。これにより、単層ガラスやプラスチックバッグ等の耐圧性が低い、安価な部材を、高さ方向に並べて構成した高層ならびに大規模なリアクターに用いることができる。
In this system, the liquid level height of each
プラスチックバッグ等の使用が可能となれば、自由な形状でシステムの高層化・大規模化を実現することができる。また、構造物の外壁面もしくは斜面に近隣もしくは隣接して設置し、または外壁そのものとして用いることができるため、壁面や斜面の自由な形状の利用が可能となり、視覚的デザインを向上させることができる。さらに、構造物の高さ方向に並べて設置するため、都市部のような密集地でも光エネルギーを利用した微生物の生産が可能となる。 If it becomes possible to use plastic bags and the like, it will be possible to realize high-rise and large-scale systems with free shapes. In addition, since it can be installed near or adjacent to the outer wall surface or slope of the structure, or used as the outer wall itself, the free shape of the wall surface or slope can be used, and the visual design can be improved. .. Furthermore, since they are installed side by side in the height direction of the structure, it is possible to produce microorganisms using light energy even in a dense area such as an urban area.
図1に示す複数のリアクター10を構造物の高さ方向に並べて設置し、リアクター10間を連結する構成のみでは、太陽からの光として、赤外光もリアクター10内の培養液に入射される。すると、赤外光は培養液に熱を伝え、培養液の温度が上昇する。調整槽11は、ヒーター14およびクーラー15を備えているが、太陽光放射の強い夏季においては、十分に培養液を冷却することはできない。また、リアクター10は、プレート型であるため、比表面積が大きく、熱の放散速度が高い。このため、外部の気温が低い冬季においては、温度制御に多大なエネルギーが必要となる。
In the configuration in which a plurality of
そこで、光合成に必要な可視光のみを選択的に透過し、熱の原因となる赤外光を反射もしくは吸収する特殊材料を利用し、保温効果が得られる構成とする。 Therefore, a special material that selectively transmits only visible light necessary for photosynthesis and reflects or absorbs infrared light that causes heat is used to obtain a heat retaining effect.
図4は、リアクター10から離間した前面に、特殊材料として赤外光反射素材もしくは赤外光吸収素材を備えた被覆部材を配置した例を示した図である。以下、赤外光反射素材を用いるものとし、その赤外光反射素材をLow-E(Low Emissivity)膜とし、Low-E膜を設ける透明もしくは半透明な部材をガラスとして説明する。なお、Low-E膜部分は赤外光吸収フィルムであってもよく、透明もしくは半透明な部材はガラスに限定されるものではなく、アクリル板やフィルム等であってもよい。
FIG. 4 is a diagram showing an example in which a covering member provided with an infrared light reflecting material or an infrared light absorbing material as a special material is arranged on the front surface away from the
図4(a)では、Low-E単層ガラス30をリアクター10の前面に配置している。ここで、前面とは、リアクター10の太陽の光が当たる側(外側)である。Low-E単層ガラス30は、ガラス31を外側に、Low-E膜32をリアクター10に対向させ、支持部材等を使用してリアクター10から一定距離だけ離間して配置される。
In FIG. 4A, the Low-E
太陽光は、赤外光、可視光を含む。赤外光は、大部分がLow-E膜32で反射し、一部が透過する。なお、可視光は、大部分がLow-E膜32を透過する。リアクター10とLow-E単層ガラス30との間には隙間33が設けられ、隙間33を空気が流れる。Low-E膜32を透過した赤外光の一部による熱は、流れる空気に伝達されるため、リアクター10への入熱が抑制される。
Sunlight includes infrared light and visible light. Most of the infrared light is reflected by the Low-
Low-E膜32の材料としては、銀、クロム、銅、チタン、白金、金、亜鉛、酸化スズ等を用いることができる。Low-E膜32は、これらの金属を積層した多層膜であってもよい。なお、これらの材料は一例であり、可視光を透過し、赤外光を反射させることができる材料であれば、これらの材料に限定されるものではない。Low-E単層ガラス30は、ガラス表面に上記の銀等の特殊金属膜をコーティングして作製することができる。
As the material of the Low-
太陽光放射の強い夏季では、赤外光を反射し、隙間33を流れる空気流によりリアクター10内への入熱を抑制することで、調整槽11が備えるクーラー15による温度調整のみで十分に系内の培養液の温度を所定の範囲に維持することができる。
In the summer when sunlight radiation is strong, infrared light is reflected and heat input into the
また、外気温が低い冬季においても、Low-E単層ガラス30によりリアクター10が直接外気に触れるのを防ぐため、リアクター10内の培養液からの放熱を抑制することができる。図4(b)に示すように、Low-E単層ガラス30とリアクター10とに跨る閉鎖部材34を設け、空気の流れを止めることができる。これにより、Low-E単層ガラス30とリアクター10との間に介在する空気層35により保温効果が得られ、リアクター10内の培養液からの放熱をより効果的に抑制することができる。空気層35は、熱伝導率が低いため、保温材や断熱材として機能する。
Further, even in winter when the outside air temperature is low, the Low-E single-
リアクター10は、例えば上面および底面に閉鎖部材34を出し入れ可能にする収納部を備えることができる。夏季においては、収納部に閉鎖部材34を収納することにより隙間33を開放して空気が流れるようにし、冬季においては、収納部から閉鎖部材34を引き出し、隙間33の上部および下部を閉鎖して空気層35を形成することができる。なお、このような構成は一例であり、閉鎖部材34により隙間33の上部および下部を開閉できればいかなる構成であってもよい。
The
培養液は、放熱する際、赤外光を放出する。赤外光は、Low-E膜32で反射し、培養液へと戻る。このため、培養液からの放熱は、Low-E膜32によっても抑制される。なお、リアクター10の構造物側からも熱が放熱するため、構造物側には、グラスウールやロックウール等の保温材36を設けることができる。保温材36は、冬季のみ取り付けてもよいし、一年中、取り付けたままであってもよい。
The culture solution emits infrared light when it dissipates heat. The infrared light is reflected by the Low-
Low-E単層ガラス30をリアクター10の前面に離間して配置する構成を採用することで、温度制御のコストを大幅に削減することができ、年間を通した培養を実現することが可能となる。また、この構成を採用することで、設置地域の適用範囲を広げることができる。なお、設置地域の気候に応じて、閉鎖部材34のない夏季タイプのみ、閉鎖部材34を設けた冬季タイプのみを設置してもよい。
By adopting a configuration in which the Low-E single-
Low-E単層ガラス30を用いても、系内の培養液の温度を所定の温度範囲に維持することが可能であるが、より効果的に温度を維持する構成を、図5を参照して説明する。
Although it is possible to maintain the temperature of the culture solution in the system within a predetermined temperature range even by using the Low-E single-
図5は、図4に示したLow-E単層ガラス30に代えて、Low-E複層ガラス40をリアクター10の前面に配置した例を示した図である。Low-E複層ガラス40は、Low-E単層ガラス41のLow-E膜42に対向してガラス43が設けられ、Low-E単層ガラス41とガラス43との密閉された空間に空気層44を有している。空気層44は、空気の流れがなく熱伝導率が低いことから、リアクター10への入熱を抑制し、培養液から外部への放熱を抑制する。なお、空気中に水分を多く含むと、熱伝導率が高くなることから、空気中の水分を減少させるべく、空気層44にはシリカゲル等の吸湿材が封入される。
FIG. 5 is a diagram showing an example in which the Low-E
夏季においては、Low-E膜42により赤外光を反射するため、リアクター10への入熱を抑制することができる。また、空気層44も、入熱を抑制することから、より効果的にリアクター10の温度を所定の温度範囲に維持することができる。
In the summer, the Low-
冬季においては、外気温が低く、プレート型のリアクターは比表面積が大きく、放熱しやすいことから、赤外光を出来るだけ取り入れるほうが望ましい。しかしながら、Low-E膜42は、赤外光を反射してしまう。また、リアクター10から放射される赤外光が外部へ逃げてしまう。
In winter, the outside temperature is low, the plate-type reactor has a large specific surface area, and it is easy to dissipate heat. Therefore, it is desirable to take in infrared light as much as possible. However, the Low-
そこで、冬季においては、Low-E複層ガラス40の向きを反転させることができる。これにより、Low-E単層ガラス41がリアクター10に対向した位置になるため、赤外光を取り入れることが可能となり、外部へ逃げる赤外光を反射させることで、冬季においても培養液の温度を所定の温度範囲に維持することができる。
Therefore, in winter, the orientation of the Low-E
Low-E複層ガラス40の向きを反転させる方法としては、図6に示すようなLow-E複層ガラス40の幅方向の中央に回転軸45を設け、回転軸45を中心として回転させる方法を一例として挙げることができる。Low-E複層ガラス40は、リアクター10の前面全体を覆う幅を有する場合、その幅が広いことから、リアクター10から離して配置しなければ回転させることができない。
As a method of reversing the direction of the Low-E
そこで、Low-E複層ガラス40を幅方向に複数に分割し、分割した個々のLow-E複層ガラス40に回転軸45を設け、個々に回転させることができる。なお、回転軸45の回転は、手動で行ってもよいし、モータ等を取り付け、自動で行ってもよい。また、回転軸45は、Low-E複層ガラス40の幅方向の中央に限定されるものではなく、高さ方向の中央であってもよい。
Therefore, the Low-E
なお、Low-E膜42を複層ガラスの内側両面に設置し、向きを反転させなくても、夏季・冬季の両方で遮熱と保温を実現するシステムとしてもよい。
It should be noted that the Low-
図7は、リアクター10間を連結する管21について説明する図である。管21は、上側のリアクター10aから下側のリアクター10bへオーバーフローした培養液を供給する。管21の径が数mmの細いチューブを使用すると、リアクター10の上部に滞留する空気がチューブ内に入り込み、その上にオーバーフローした培養液が流れ込むと、管21内に空気が気泡として残った状態になる。
FIG. 7 is a diagram illustrating a
管21内に気泡50が存在しない場合、図7(a)に示すように、上側のリアクター10aから管21内に培養液が流れ込むと、管21内の液面が上昇し、管21内と下側のリアクター10b内の液面高さがほぼ同じ高さになるように管21内から下側のリアクター10b内へと培養液が流れる。すなわち、管21内へ培養液が所定量流れ込むと、同量の培養液が下側のリアクター10bへ流れる。このため、系内を培養液が円滑に循環する。
When the culture solution flows into the
一方、管21内に気泡50が存在する場合、図7(b)に示すように、上側のリアクター10aから管21内に所定量の培養液が流れ込んでも、気泡50が変形し、培養液が流れ込んだ分だけ液面高さが上昇しない。より詳細には、空気の浮力のほうが液の流れる力(重量や抵抗の関数)を上回るため、液の流入が停止する。このため、管21内と下側のリアクター10b内の液面高さが同じ高さになるように管21内から下側のリアクター10b内へと培養液が流れるにしても、所定量ではなく、これより少ない量となる。これでは、培養液を円滑に循環させることができない。
On the other hand, when the
そこで、管21内に空気が入り込み、その上にオーバーフローした培養液が流れ込んでも、空気が管21内から抜けるように、図7(c)に示すように、管21の径を大きくすることができる。管21の径が数mmの場合、空気が抜けないことから、数cmとすることができる。管21の径は、オーバーフローする培養液の量に応じて決定することができる。
Therefore, as shown in FIG. 7C, the diameter of the
例えば、培養液の流量が6~8L/minである場合、流速が0.4~0.6m/sとなるように径を決定すれば、空気が管21内から抜け、正常に流れる。したがって、上記範囲の流量であれば、鉛直方向に延びる管21は、例えば内径Dが13mmのものを用いることができる。なお、鉛直方向に延びる部分が内径13mmの管であればよいことから、リアクター10と接続される水平方向に延びる部分は、内径Dが13mmより小さくても、同じ径でも、大きくてもよい。径が異なる管を連結して用いる場合、ソケットを用いて連結することができる。図7(c)にその一例を拡大して示す。
For example, when the flow rate of the culture solution is 6 to 8 L / min, if the diameter is determined so that the flow rate is 0.4 to 0.6 m / s, air escapes from the inside of the
図8は、管21にエアーフィルター51を取り付けた構成を示した図である。培養液が循環する系内は、外部の空気中に存在する他の微生物等が侵入しないように密閉空間であることが望ましい。エアーポンプ19により各リアクター10に供給された空気は、各リアクター10内の培養液を撹拌した後、空気抜き弁20により外部へ排出される。このとき、培養液の撹拌により液面が揺れるため、管21へと繋がる接続部分全体が液面下となる場合がある。接続部が液面より下側になった場合、管21の空気の抜け道がなくなるため、エアーフィルター51を取り付け、エアーフィルター51から空気を逃がすことができる。これにより、リアクター10から管21への培養液の流れを円滑に行うことができる。
FIG. 8 is a diagram showing a configuration in which the air filter 51 is attached to the
空気を逃がすためには、開放部のみ設けられればよいが、開放部のみでは外部から他の微生物等が侵入するという問題がある。そこで、外部から他の微生物等の侵入を防止しつつ空気のみを流通させることができるエアーフィルター51を設置することができる。 In order to let the air escape, only the open portion needs to be provided, but there is a problem that other microorganisms and the like invade from the outside only in the open portion. Therefore, it is possible to install an air filter 51 capable of circulating only air while preventing the invasion of other microorganisms from the outside.
エアーフィルター51は、各リアクター10の培養液の排出側の管21の水平に延びる部分の上側に設けることができる。ここでは、排出側の管21に取り付ける例を示したが、これに限られるものではなく、管21内の培養液が溜まっている部分以外であればよいことから、管21の鉛直方向に延びる部分の液面高さより高い位置に設けてもよい。
The air filter 51 can be provided on the upper side of the horizontally extending portion of the
図9は、エアーポンプ19から空気を供給する方法について説明する図である。リアクター10とエアーポンプ19は、図9(a)に示すように管52を用いて連結することができる。なお、エアーポンプ17から調整槽11へ空気を供給する際も、同様の方法を採用することができる。
FIG. 9 is a diagram illustrating a method of supplying air from the
エアーポンプ19の吐出側の管52の途中に逆止弁53が設けられる。これにより、リアクター10の培養液がエアーポンプ19へ流入することを抑止しつつ、吸引した空気を圧縮して吐出し、リアクター10へ供給することができる。
A
しかしながら、何らかの理由で逆止弁が破損した場合、もしくは逆止弁で液漏れが発生する場合は、エアーポンプ19内へ培養液が流入し、空気を圧縮して吐出することができなくなる。
However, if the check valve is damaged for some reason, or if the check valve leaks, the culture solution flows into the
そこで、図9(b)に示すように、リアクター10とエアーポンプ19を連結する管52を、一度液面高さより高い位置までコの字状に立ち上げた形状とすることができる。管52は、最も高い位置にある水平方向に延びる立ち上げ部54がリアクター10内の液面高さより高い位置にあるため、立ち上げ部54を通り抜けて培養液が逆流することを防止することができる。このような立ち上げ部54を有する管52を使用する場合においても、逆止弁53を用いることができる。
Therefore, as shown in FIG. 9B, the
実際に、本システムを使用して各リアクター10にかかる水圧の試験を行った。試験では、培養液に代えて水を用い、図1に示すようにプレート型のリアクターを高さ方向に3段に並べ、互いを管により連結した装置を用いた。3段に並べた装置高さは、約11mであった。
Actually, the water pressure applied to each
図10に水圧試験の結果を示す。比較のために、従来のリアクター間を高さ方向に単に直列に連結したシステムの結果も示す。従来のシステムは、最上部のリアクターの底部と中段のリアクターの上部、中段のリアクターの底部と最下部のリアクターの上部とをそれぞれ連結した構造のシステムである。 FIG. 10 shows the results of the water pressure test. For comparison, the results of a system in which conventional reactors are simply connected in series in the height direction are also shown. The conventional system is a system in which the bottom of the top reactor and the top of the middle reactor are connected, and the bottom of the middle reactor and the top of the bottom reactor are connected to each other.
従来のシステムは、「Direct connection」で示され、最上部のリアクターは、水がもつエネルギーを水柱の高さに置き換えたヘッドが2.8mであり、0.028MPaの水圧がかかっている。中段のリアクターは、最上部のリアクターの水面まで連続しているため、ヘッドが6.2mであり、0.062MPaの水圧がかかっている。最下部のリアクターは、中段のリアクターを介して最上部のリアクターの水面まで連続しているため、ヘッドが9.6mもあり、0.096MPaの水圧がかかっている。 The conventional system is indicated by "Direct connection", and the reactor at the top has a head of 2.8 m in which the energy of water is replaced with the height of the water column, and a water pressure of 0.028 MPa is applied. Since the middle-stage reactor is continuous to the water surface of the uppermost reactor, the head is 6.2 m and a water pressure of 0.062 MPa is applied. Since the lowermost reactor is continuous to the water surface of the uppermost reactor via the middle stage reactor, the head is as long as 9.6 m and a water pressure of 0.096 MPa is applied.
一方、本システムは、「Overflow」で示され、最上部、中段、最下部のいずれのリアクターも、ヘッドが2.8mで、約0.03MPaの水圧しか、かからなかった。また、撓みを表す「Deflection」も、約6mm程度で、破損の可能性がある15~20mmより十分に小さい値となった。この結果から、複数のリアクター10を構造物の高さ方向に並べて配置し、リアクター10間を連結しても、強固な構造にする必要はなく、強度が低い、安価な材料の使用が可能となることが確認できた。
On the other hand, this system is indicated by "Overflow", and the head of each of the top, middle, and bottom reactors was 2.8 m, and the water pressure was only about 0.03 MPa. Further, the "Deflection" representing the deflection was about 6 mm, which was sufficiently smaller than 15 to 20 mm, which may be damaged. From this result, even if a plurality of
クーラー15を備える調整槽11を稼働させ、夏季日中の調整槽11の温度、気温、各リアクター10内の温度を計測した。図11は、その計測結果を示した図である。横軸は、計測日を示し、縦軸は計測した温度(℃)を示す。計測日はいずれも2019年である。
The adjusting tank 11 provided with the cooler 15 was operated, and the temperature, the air temperature, and the temperature in each
調整槽11の温度は、クーラー15による制御で、約30℃にほぼ一定に保持されている。これに対し、中段のリアクター内、下段のリアクター内の温度は、気温が高くなると、45℃を超えた。微細藻類は、40℃を超えると生存することができないので、気温が高い夏季においては、各リアクター10で何らかの温度調整を行う必要があることが分かった。
The temperature of the adjusting tank 11 is controlled by the cooler 15 and is kept substantially constant at about 30 ° C. On the other hand, the temperature in the middle reactor and the temperature in the lower reactor exceeded 45 ° C. when the temperature increased. Since microalgae cannot survive above 40 ° C, it was found that some temperature adjustment is required in each
そこで、図4および図5に示したLow-E単層ガラス30やLow-E複層ガラス40を設置し、その遮熱効果について検証を行った。検証には、図12に示す構成のLow-E複層ガラス40を使用し、微生物としてクロレラ(Chlorella sorokiniana NIES-2173)を用い、培地としてC培地を用いた。温度は、室温とし、光源にハロゲン灯500kw、2本を使用した。
Therefore, the Low-E
Low-E複層ガラス40は、2枚のガラス60、61の一方にLow-E膜62が設けられ、Low-E膜62が設けられたガラス60と、ガラス61とがスペーサ63により一定の間隔で離間して配置される。ガラス60とガラス61との間は空気が封入されている。空気が抜けないように封着材で封止され、空気中の水分を除去するため、吸湿材64が封入されている。
In the Low-E
Low-E複層ガラス40は、可視光が70.5%、赤外光を含む全波長の日射が36.9%、紫外線が18.5%の透過率を有するものを使用した。
The Low-E
検証は、図13に示すように、Low-E複層ガラス40の有無により行い、矢線で示す(1)~(3)、(5)の位置において可視光の光強度を計測した。図14に光強度の計測結果を示す。Low-E複層ガラス40の表面(位置(1))では、1350μmol photons/m2/sで、Low-E複層ガラス40の裏面(位置(2))では、840μmol photons/m2/sと計測された。また、リアクター10の表面(位置(3))では、600μmol photons/m2/sと計測された。一方、Low-E複層ガラス40のないリアクター10の表面(位置(5))では、838μmol photons/m2/sと計測された。Low-E複層ガラス40がある方が、約30%光強度が低く、可視光の透過度が約70%であることが確認できた。
As shown in FIG. 13, the verification was performed with or without the Low-E
図15は、図13に示す矢線(1)、(3)、(4)、(5)、(6)の位置で計測した温度、波長750nmの吸光度(OD750)を示した図である。吸光度は、光が通過する際に強度がどの程度弱まるかを示す無次元量である。吸光度は、分光光度計を使用して計測した。 FIG. 15 is a diagram showing the temperature measured at the positions of the arrows (1), (3), (4), (5), and (6) shown in FIG. 13 and the absorbance (OD750) at a wavelength of 750 nm. Absorbance is a dimensionless quantity that indicates how much the intensity weakens as light passes through. Absorbance was measured using a spectrophotometer.
Low-E複層ガラス40がある場合、Low-E複層ガラス40の表面(位置(1))では、約60℃の温度が続いたが、リアクター10内の温度(位置(4))が5日間を通して35℃以下に保つことができた。微細藻類は、OD750の結果に示すように、吸光度が3倍以上となり、良好に増殖し、比増殖速度1d-1以上という速い速度が得られた。なお、比増殖速度は、単位時間の倍加量である。
When there is the Low-E
Low-E複層ガラス40がない場合、リアクター10内の温度(位置(6))は2時間程度で45℃を超え、50℃程度の温度に維持された。リアクター10内の微細藻類は、40℃を超える温度であるため、白濁し、死滅したことが示唆された。
In the absence of the Low-E
これらの結果から、Low-E複層ガラス40をはじめとする赤外線反射素材の微生物の培養における有効性が示された。
From these results, the effectiveness of the infrared reflective material such as Low-E
本システムによれば、各リアクター10の幅(水平方向の長さ)を大きくし、構造物の高さ方向(鉛直方向または傾斜方向)の長さを短くし、それを高さ方向に連結していくことで、都市部等の狭いスペースでも、大容量のリアクターを実現することができる。また、ビル等の高さ方向に延びる構造物の壁面を効率的に利用することができる。
According to this system, the width (horizontal length) of each
リアクター10にかかる液圧が小さいため、リアクター10を耐圧性が低い単層ガラスやプラスチックバッグ等で形成することができ、メンテナンスが容易となる。また、リアクター10の前面をLow-E複層ガラス40等の断熱材で覆うことができ、リアクター10に汚れがつきにくくなり、紫外線による劣化も防ぐことができる。このため、通常のバッグリアクターよりもメンテナンスフリーで長期間きれいに使用することができる。リアクター10は、微生物の増殖により様々な模様を形成し、壁面のデザインとしても利用することが可能である。
Since the hydraulic pressure applied to the
これまで本発明の微生物の培養システムについて上述した実施形態をもって詳細に説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。 Although the microorganism culture system of the present invention has been described in detail with the above-described embodiments, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and other embodiments, additions, changes, deletions, etc. , It can be changed within the range that can be conceived by those skilled in the art, and it is included in the scope of the present invention as long as the action / effect of the present invention is exhibited in any of the embodiments.
10、10a、10b…リアクター
11…調整槽
12…調整槽用ポンプ
13…CO2ボンベ
14…ヒーター
15…クーラー
16、18…ノズル
17、19…エアーポンプ
20…空気抜き弁
21、21a、21b、21c、52、54…管
22…高架水槽
23…供給弁
24…回収槽
25…回収弁
26…補給槽
27…補給ポンプ
28…斜面
29…屋根
30、41…Low-E単層ガラス
31、43、60、61…ガラス
32、42、62…Low-E膜
33…隙間
34…閉鎖部材
35、44…空気層
36…保温材
40…Low-E複層ガラス
45…回転軸
50…気泡
51…エアーフィルター
53…逆止弁
54…立ち上げ部
63…スペーサ
70…外壁面
10, 10a, 10b ... Reactor 11 ... Adjustment tank 12 ... Adjustment tank pump 13 ... CO 2 bomb 14 ... Heater 15 ...
Claims (10)
構造物の外壁面もしくは斜面に近隣もしくは隣接し、または該構造物の外壁そのものとして該構造物の高さ方向に配列するように設置され、微生物を含む培養液を収容する複数の容器と、
前記培養液を所定の条件に調整するための調整槽と、
前記調整槽で調整された前記培養液を最上部に配置された前記容器に供給する液供給手段と
を含み、
前記各容器が、所定の液面高さで前記培養液をオーバーフローさせ、連結される1段下の容器もしくは前記調整槽に供給する、微生物の培養システム。 It is a culture system for microorganisms that perform photosynthesis.
A plurality of containers that are installed adjacent to or adjacent to the outer wall surface or slope of the structure, or arranged so as to be arranged in the height direction of the structure as the outer wall itself of the structure, and contain a culture solution containing microorganisms.
An adjustment tank for adjusting the culture solution to a predetermined condition, and
A liquid supply means for supplying the culture solution prepared in the adjustment tank to the container arranged at the uppermost portion is included.
A microorganism culture system in which each of the containers overflows the culture solution at a predetermined liquid level and supplies the culture solution to a container one step below to be connected or the adjustment tank.
前記高架水槽から前記最上部に配置された容器へ前記培養液を供給する、請求項1に記載の微生物の培養システム。 It includes an elevated water tank that is installed on top of the container located at the top and stores the culture solution supplied from the liquid supply means.
The microorganism culture system according to claim 1, wherein the culture solution is supplied from the elevated water tank to a container arranged at the uppermost portion.
前記連結管の径は、前記各容器においてオーバーフローする培養液の量に応じて決定される、請求項1~6のいずれか1項に記載の微生物の培養システム。 Includes a plurality of connecting pipes connecting each of the above containers.
The microorganism culture system according to any one of claims 1 to 6, wherein the diameter of the connecting tube is determined according to the amount of the culture solution overflowing in each container.
前記各容器内と外部とを遮断しつつ該各容器内の空気を排出する複数のフィルタ部材と
を含む、請求項1~7のいずれか1項に記載の微生物の培養システム。 A plurality of air supply means for supplying air for stirring the culture solution contained in each container, and
The microorganism culture system according to any one of claims 1 to 7, further comprising a plurality of filter members that discharge air in each container while blocking the inside and the outside of each container.
前記各空気供給管は、前記各容器内の培養液の液面高さより高い位置まで立ち上がる立ち上がり部を有する、請求項8に記載の微生物の培養システム。 A plurality of air supply pipes connecting each container and each air supply means are included.
The microorganism culture system according to claim 8, wherein each air supply pipe has a rising portion that rises to a position higher than the liquid level height of the culture solution in each container.
前記調整槽内の前記培養液の温度を調整するための温度調整手段と
を含み、
前記調整槽において、前記培養液の二酸化炭素および酸素の濃度と、前記培養液のpHと、該培養液の温度とを少なくとも調整する、請求項1~9のいずれか1項に記載の微生物の培養システム。 A gas supply means for supplying carbon dioxide into the adjusting tank and
A temperature adjusting means for adjusting the temperature of the culture solution in the adjusting tank is included.
The microorganism according to any one of claims 1 to 9, which at least adjusts the concentrations of carbon dioxide and oxygen in the culture solution, the pH of the culture solution, and the temperature of the culture solution in the adjustment tank. Culture system.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2020114267A JP2022012441A (en) | 2020-07-01 | 2020-07-01 | Microbial culture system |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2022196271A1 (en) * | 2021-03-15 | 2022-09-22 | 本田技研工業株式会社 | Culture device |
-
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- 2020-07-01 JP JP2020114267A patent/JP2022012441A/en active Pending
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