JP2023068902A

JP2023068902A - 微細藻類培養装置

Info

Publication number: JP2023068902A
Application number: JP2021180352A
Authority: JP
Inventors: 哲三枝; Satoru Saegusa; 一樹大森; Kazuki Omori
Original assignee: Mitsubishi Kakoki Kaisha Ltd
Current assignee: Mitsubishi Kakoki Kaisha Ltd
Priority date: 2021-11-04
Filing date: 2021-11-04
Publication date: 2023-05-18
Anticipated expiration: 2041-11-04
Also published as: JP7102597B1

Abstract

【課題】二酸化炭素の溶解率を高めることができる微細藻類培養装置を提供する。
【解決手段】微細藻類培養装置は、内部空間が微細藻類を含む培養液の流路となっており、第１開口部及び第２開口部が設けられた槽と、上下方向に延在し、上部が第１開口部と接続する第１流路と、上下方向に延在し、上部が第２開口部と接続し、下部が第１流路の下部とを接続する第２流路と、第２流路の下部に配置され、第２流路の培養液に二酸化炭素を含む気体を供給口から供給する散気装置と、を備える。供給口は、槽の液面から下方に位置している。供給口と液面との距離は、１．５ｍ以上である。
【選択図】図２

Description

本開示は、微細藻類培養装置に関する。

例えばバイオ燃料などの原料となる脂質や炭水化物を生成する微細藻類は、光合成により培養される。微細藻類は、光合成の際、培養液に溶解する二酸化炭素を吸収する。よって、従来の微細藻類培養装置は、二酸化炭素を含む気体を培養液に供給する二酸化炭素供給装置を備えている。また、従来から、培養液中の微細藻類の分布を均一とするため、又は培養液中の二酸化炭素の濃度を均一とするため、培養液が一定以上の流速を保ちながら流路を流れている。

下記特許文献の微細藻類培養装置において、槽内の流路の一部が下方に窪み、Ｕ字状となっている。このＵ字状の流路によれば、槽内を水平方向に流れる培養液が一旦下方に流れる。その後、上方に流れて槽内に戻る。さらに、Ｕ字状の流路上であって上方に流れる培養液に対し、二酸化炭素が供給される。

特開２０１２－２３９７８号公報

一般的な槽は、光合成に必要な光を吸収させるために、液面から槽の底までの深さが数十ｃｍと浅い。よって、底付近で二酸化炭素を供給しても二酸化炭素の溶解が十分でない。また、特許文献の微細藻類培養装置は、Ｕ字状の流路で二酸化炭素を供給している。ただし、エアーリフト効果を起こすため、Ｕ字状の流路での二酸化炭素の供給量が極めて多い。また、液面までの距離が短いことから、二酸化炭素の溶解率が低い。

本開示は、二酸化炭素の溶解率を高めることができる微細藻類培養装置を提供する。

本開示の一側面の微細藻類培養装置は、内部空間が微細藻類を含む培養液の流路となっており、第１開口部及び第２開口部が設けられた槽と、上下方向に延在し、上部が前記第１開口部と接続する第１流路と、上下方向に延在し、上部が前記第２開口部と接続し、下部が前記第１流路の下部とを接続する第２流路と、前記第２流路の下部に配置され、前記第２流路の前記培養液に二酸化炭素を含む気体を供給口から供給する散気装置と、を備える。前記供給口は、前記槽の液面から下方に位置している。前記供給口と前記液面との距離は、１．５ｍ以上である。

本開示によれば、二酸化炭素の溶解率を高めることができる。

図１は、実施形態１の微細藻類培養装置を上方から視た平面図である。図２は、図１のＩＩ-ＩＩ線矢視断面図である。図３は、変形例１に係る配管を示す図である。図４は、変形例２に係る微細藻類培養装置の一部拡大図である。図５は、実施形態２に係る微細藻類培養装置の一部拡大図である。図６は、実施形態３の微細藻類培養装置の全体図である。

以下、本開示につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）により本開示が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

（実施形態１）
図１は、実施形態１の微細藻類培養装置を上方から視た平面図である。図２は、図１のＩＩ-ＩＩ線矢視断面図である。図１、図２に示すように、微細藻類培養装置１００は、培養液１１０を貯留する槽１と、水車６と、２つのＵ字配管１０（図２で一方のＵ字配管１０のみ図示）と、２つの散気装置２０（図２で一方の散気装置２０のみ図示）と、を備えている。

図１に示すように、槽１は、レースウェイ方式の槽である。具体的に、槽１は、水平方向に延在する底壁２と、環状の側壁３と、側壁３の中央部に設けられた仕切壁４と、を備えている。よって、槽１の内部は、培養液１１０が水平方向に流れ、かつ培養液１１０が仕切壁４を中心に循環する循環流路５となっている。

水車６は、図示しないモータから動力が伝達されて回転している。これにより、培養液１１０は、循環流路５を図１に示す矢印の方に移動し、循環流路５を循環している。これにより、培養液中の微細藻類の分布が均一となる。また、培養液に溶解している二酸化炭素の濃度も均一となる。

図２に示すように、槽１は、循環流路５の上方を覆う天壁を有していない。つまり、槽１は、いわゆるオープンポンド（開放系）の槽である。よって、光合成により微細藻類から排出された酸素は、循環流路５から上方（系外）に排出される。

槽１の底壁２は比較的浅い。これにより、循環流路５の下側に分布する微細藻類も太陽光を吸収し易くなる。また、槽１の底壁２には、２つの第１開口部７と、２つの第２開口部８と、が設けられている。

第１開口部７及び第２開口部８は、図１に示すように上方から視て四角形状となっているが、本開示においては、例えば円などの他の形状となっていてもよい。第１開口部７は、循環流路５からＵ字配管１０へ培養液１１０を流入されるための孔である。第２開口部８は、Ｕ字配管１０から循環流路５へ培養液１１０を流出させるための孔である。よって、第１開口部７と第２開口部８は、２つで一組である。

図１に示すように、一組の第１開口部７と第２開口部８と、別の組の第１開口部７と第２開口部８は、互いに離隔して配置されている。また、一組の第１開口部７と第２開口部８において、第２開口部８の方が第１開口部７よりも循環流路５の上流側に配置されている。

図２に示すように、Ｕ字配管１０は、第１配管１１と、第２配管１２と、を備えている。第１配管１１及び第２配管１２は、上下方向に延在している。第１配管１１の上部は、第１開口部７に接続している。第２配管１２の上部は、第２開口部８に接続している。第１配管１１の下部と第２配管１２の下部は、互いに屈曲し、互いに接続している。これにより、第１配管１１の第１流路１１ａと第２配管１２の第２流路１２ａとが連続し、Ｕ字状の流路となる。

散気装置２０は、二酸化炭素を含む気体を培養液に供給する二酸化炭素供給装置である。なお、気体中の二酸化炭素濃度は、特に限定されない。散気装置２０の供給口２１から供給される気体は、培養液１１０中で気泡２２となるが、溶解し易くするため、気泡２２の径が例えば５ｍｍ以下であることが望ましい。また、散気装置２０から培養液に供給される第２配管１２の流路の断面積における気体量は、例えば２．０ＮＬ（ノルマルリットル）／ｃｍ^２／ｍｉｎ以下であることが好ましく、１．０ＮＬ（ノルマルリットル）／ｃｍ^２／ｍｉｎ以下となることがより好ましい。

また、散気装置２０から供給される気体は、化石燃料を燃焼させた際に発生する排気ガスであってもよい。排気ガスは、二酸化炭素を含んでいるため、大気中に放出する二酸化炭素の量を低減できる。また、排気ガス中に含まれる酸素の濃度は、１０％以下となることが好ましい。

散気装置２０の供給口２１は、第２流路１２ａの下部に配置されている。つまり、第２流路１２ａの下部で微細な気泡２２が生成されるようになっている。そして、生成された気泡２２が上昇すると、第２流路１２ａの培養液１１０は、上向きの推進力を受ける。よって、第２流路１２ａの培養液１１０は、上昇して循環流路５へ流れる。一方で第１流路１１ａの培養液１１０は、第２流路１２ａの方に引き込まれる。よって、第１流路１１ａにおいては、培養液１１０が下向きに流れる。さらに、第１流路１１ａにおいて、培養液１１０が下方に流れるため、循環流路５を流れる培養液１１０の一部が第１流路１１ａに引き込まれる。これにより、第２流路１２ａから循環流路５に戻った培養液１１０の一部は、再びＵ字配管１０内に引き込まれるようになっている。

供給口２１から循環流路５の液面５ａまでの距離Ｌは、１．５ｍ以上、好ましくは１．５ｍ以上６ｍ未満、更に好ましくは１．５ｍ以上２．５ｍ未満、である。これによれば、気泡サイズ５ｍｍ以下の場合、二酸化炭素のの溶解率が９０%以上となり、効率的な溶解が可能となる。

次に実施形態１の微細藻類培養装置１００の効果について説明する。微細藻類培養装置１００において、供給口２１から循環流路５の液面５ａまでの距離Ｌは、１．５ｍ以上となっている。このため、気泡２２が液面５ａに到達するまでの距離が十分に確保されている。よって、培養液１１０に溶解する二酸化炭素の量は、従来と比べて格段に増加する。

また、第１配管１１及び第２配管１２は、鉛直方向に対して傾斜していない。よって、上昇する気泡２２が第２配管１２の内周面に付着し難い。仮に気泡２２が第２配管１２の内周面に付着すると、気泡２２同士が接触して径が大型化した気泡２２が生成される。このような径が大きい気泡２２は培養液１１０に溶解し難い。よって、本実施形態では、第２配管１２は、鉛直方向に対して傾斜していないので、上昇する気泡２２が第２配管１２の内周面に付着することによる二酸化炭素の溶解率の低下、ということが回避されている。

また、第２開口部８が第１開口部７に対し、循環流路５の上流側に配置されている。これにより、第２流路１２ａから循環流路５に戻った培養液１１０の一部は、再びＵ字配管１０に引き込まれるため、培養液１１０中の二酸化炭素の濃度が高まる。

以上、実施形態１の微細藻類培養装置１００は、内部空間が微細藻類を含む培養液１１０の流路となっており、第１開口部７及び第２開口部８が設けられた槽１と、上下方向に延在し、上部が第１開口部７と接続する第１流路１１ａと、上下方向に延在し、上部が第２開口部８と接続し、下部が第１流路１１ａの下部とを接続する第２流路１２ａと、第２流路１２ａの下部に配置され、第２流路１２ａの培養液１１０に二酸化炭素を含む気体を供給口２１から供給する散気装置２０と、を備える。供給口２１は、槽１の液面５ａから下方に位置している。供給口２１と液面５ａとの距離Ｌは、１．５ｍ以上である。

実施形態１によれば、供給した二酸化炭素の多くが溶解する。よって、従来の微細藻類培養装置に比べて溶解率が高い。

また、実施形態１において、第１開口部７は、第２開口部８よりも、培養液１１０の流れの下流に配置されている。

これによれば、培養液１１０の一部を繰り返しＵ字配管１０に引き込み、培養液１１０中の二酸化炭素の濃度が高まる。

以上、実施形態１について説明したが、本開示は、これに限定されない。例えば、実施形態１において、Ｕ字配管１０及び散気装置２０をそれぞれ２つ有しているが、本開示は、１つであってもよく、又は３つ以上有していてもよい。

図３は、変形例１に係る配管を示す図である。また、実施形態１の第１配管１１と第２配管の下端は、Ｒ状（円弧状）を成しているが、本開示は、第１配管１１と第２配管の下端が直角に屈曲してもよく、特に限定されない。また、本開示は、第１配管１１及び第２配管１２のうち一方が直線状の配管であり、他方が直線状の配管の周りを周回する螺旋状（スパイラル）の配管であってもよい。また、本開示は、図３に示すように、第２配管１２の上下方向の途中に第１配管１１の下端が接続するようになっていてもよい。また、この変形例１において、散気装置２０は、第２配管１２内であって第１配管１１が合流する部分よりも下方に配置されてもよい。

散気装置２０による気体の供給は、連続的又は間欠的であってもよく、特に限定されない。

また、本開示は、第１配管１１及び第２配管１２は鉛直方向に対して傾斜していてもよい。ただし、第２配管１２が傾斜している場合、二酸化炭素の溶解率が落ちる。よって、実施形態１の例が好ましい状態である。

また、実施形態１において、第１開口部７及び第２開口部８は、槽１の底壁２に設けられているが、本開示は、培養液１１０が流入できればよい。よって、第１開口部７及び第２開口部８の位置は、循環流路５を流れる培養液１１０の液面５ａよりも下方であればよい。

図４に示すように、第１開口部７の方が第２開口部８よりも循環流路５の上流側に配置されていてもよい。この変形例２の微細藻類培養装置１００Ａによれば、Ｕ字配管１０から流出した培養液１１０がすぐにＵ字配管１０に引き込まれる、ということがなくなる。

（実施形態２）
図５は、実施形態２に係る微細藻類培養装置の一部拡大図である。次に実施形態２の微細藻類培養装置１００Ｂは、図５に示すように、槽１に代えて槽１Ｂとなっている点で実施形態１と相違する。槽１Ｂは、光が透過可能な透明な管の一端と他端を接続した形状である。つまり、槽１Ｂは、循環流路５の上方を覆う天壁９を有しており、循環流路５の断面形状が環状となっている。

このような微細藻類培養装置１００Ｂによっても、実施形態１と同じように供給した二酸化炭素の多くが溶解する。また、これに伴い、循環流路５の上方に溜まる二酸化炭素の量が少なくなる。よって、槽１Ｂ内における気相のスペースＭ（図５参照）も小さくなる。仮に気相のスペースＭが大きくなると、相対的に培養液１１０のスペースが小さくなり、培養液１１０の液量も低減してしまう。よって、実施形態２によれば、培養液１１１の液量が低減する、という不利益を回避できる。

（実施形態３）
図６は、実施形態３の微細藻類培養装置の全体図である。実施形態３の微細藻類培養装置１００Ｃは、フォトバイオリアクタである。詳細には、図６に示すように、実施形態３の微細藻類培養装置１００Ｃは、槽１に代えて槽１Ｃとなっている点で実施形態１と相違する。また、微細藻類培養装置１００Ｃは、水車６に代えてポンプ６Ｃとなっている点で実施形態１と相違する。また、微細藻類培養装置１００Ｃは、バッファタンク３０とｐＨ測定装置４０と制御装置５０を備える点で実施形態１と相違する。

槽１Ｃは、水平方向に延びる複数の直線管６０を複数の屈曲管６１で繋ぎ合わせて、旋回しながら上下方向に培養液１１０を流す管である。直線管６０及び屈曲管６１は、光合成を可能とするため透明な材料から成る。なお、槽１Ｃは、槽１Ｃを支持する専用の支持台に支持されたり、建物において太陽光が一日中照射される壁面に固定されたりしてもよい。

実施形態３では、ポンプ６Ｃにより培養液１１０が上方に流れる。よって、槽１Ｃの流入口６２は下側に位置し、流出口６３は上方に位置している。槽１Ｃの流入口６２は、下側接続管７０を介して、バッファタンク３０の下部に接続している。槽１Ｃの流出口６３は、上側接続管７１を介して、バッファタンク３０の上部に接続している。

Ｕ字配管１０は、上側接続管７１に設けられている。よって、槽１Ｃからバッファタンク３０に流れる培養液１１０に二酸化炭素を供給している。Ｕ字配管１０は、上側接続管７１と下側接続管７０との間に配置される。よって、上側接続管７１と下側接続管７０との間のスペースを有効に活用している。

バッファタンク３０は、一時的に培養液１１０を貯留している。バッファタンク３０の上部には、ガス抜き穴３１が設けられている。これにより、微細藻類から発生した酸素や散気装置２０から供給されて溶解しなかった二酸化炭素や、排ガス中の窒素ガスなどが、ガス抜き穴３１から排出される。

ｐＨ測定装置４０は、培養液１１０中の水素イオン濃度を測定する装置である。ｐＨ測定装置４０は、上側接続管７１であってＵ字配管１０よりも上流側に配置されている。制御装置５０は、ｐＨ測定装置４０の測定結果に基づいて、散気装置２０から供給する気体の量を調整する装置である。これによれば、培養液１１０に供給される気体が適量となる。また、槽１Ｃに直接二酸化炭素を供給すると、気相のスペースが大きくなり、相対的に培養液１１０のスペースが小さくなる。よって、本実施形態においても、実施形態２と同様に、培養液１１１の液量が低減する、という不利益を回避できる。

以上、実施形態３について説明したが、本開示は、制御装置５０を備えていなくてもよい。つまり、作業者がｐＨ測定装置４０の測定結果を確認し、作業者が散気装置２０からの供給量を調整してもよい。なお、本実施形態の槽１Ｃにおいて、培養液１１０が上方に流れるようになっているが、本開示は下方に流れるようにしてもよく、特に限定はない。また、培養液１１０が槽１Ｃ内を下方へ流れる場合、Ｕ字配管１０は、下側接続管７０又は上側接続管７１に接続してもよい。

また、実施形態３の微細藻類培養装置１００Ｃは、ｐＨ測定装置４０を備えているが、本開示は、ｐＨ測定装置４０に代えて培養液１１０に溶解する二酸化炭素の濃度を測定する二酸化炭素濃度測定装置を備える。そして、制御装置５０は、二酸化炭素濃度測定装置の測定結果に基づいて、散気装置２０から供給する気体の量を調整するようにしてもよい。若しくは、ｐＨ測定装置４０と二酸化炭素濃度測定装置の両方を備えていてもよい。このような場合、制御装置５０は、ｐＨ測定装置４０の測定結果と二酸化炭素濃度測定装置の測定結果に基づいて、散気装置２０から供給する気体の量を調整する。

１、１Ｂ、１Ｃ槽
６水車
６Ｃポンプ
５循環流路
７第１開口部
８第２開口部
１０Ｕ字配管
１１第１配管
１２第２配管
１１ａ第１流路
１２ａ第２流路
２０散気装置
２１供給口
２２気泡
３０バッファタンク
３１ガス抜き穴
４０ｐＨ測定装置
５０制御装置
６０直線管
６１屈曲管
７０下側接続管
７１上側接続管
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ微細藻類培養装置
１１０培養液

供給口２１から循環流路５の液面５ａまでの距離Ｌは、１．５ｍ以上、好ましくは１．５ｍ以上６ｍ未満、更に好ましくは１．５ｍ以上２．５ｍ未満、である。これによれば、気泡サイズ５ｍｍ以下の場合、二酸化炭素の溶解率が９０％以上となり、効率的な溶解が可能となる。

Claims

内部空間が微細藻類を含む培養液の流路となっており、第１開口部及び第２開口部が設けられた槽と、
上下方向に延在し、上部が前記第１開口部と接続する第１流路と、
上下方向に延在し、上部が前記第２開口部と接続し、下部が前記第１流路の下部とを接続する第２流路と、
前記第２流路の下部に配置され、前記第２流路の前記培養液に二酸化炭素を含む気体を供給口から供給する散気装置と、
を備え、
前記供給口は、前記槽の液面から下方に位置し、
前記供給口と前記液面との距離は、１．５ｍ以上である
微細藻類培養装置。
前記第１開口部は、前記第２開口部よりも、前記培養液の流れの下流に配置されている
請求項１に記載の微細藻類培養装置。
前記培養液のｐＨ値を測定するｐＨ測定装置と、
前記ｐＨ測定装置の測定結果に基づいて、前記散気装置から供給する気体の量を調整する制御装置と、
を備え、
前記ｐＨ測定装置は、前記第１開口部よりも、前記培養液の流れの上流に配置されている
請求項１又は請求項２に記載の微細藻類培養装置。
前記培養液に溶解する前記二酸化炭素の濃度を測定する二酸化炭素濃度測定装置と、
前記二酸化炭素濃度測定装置の測定結果に基づいて、前記散気装置から供給する気体の量を調整する制御装置と、
を備え、
前記二酸化炭素濃度測定装置は、前記第１開口部よりも、前記培養液の流れの上流に配置されている
請求項１又は請求項２に記載の微細藻類培養装置。
前記培養液のｐＨ値を測定するｐＨ測定装置と、
前記培養液に溶解する前記二酸化炭素の濃度を測定する二酸化炭素濃度測定装置と、
前記ｐＨ測定装置の測定結果と前記二酸化炭素濃度測定装置の測定結果に基づいて、前記散気装置から供給する気体の量を調整する制御装置と、
を備え、
前記ｐＨ測定装置及び前記二酸化炭素濃度測定装置は、前記第１開口部よりも、前記培養液の流れの上流に配置されている
請求項１又は請求項２に記載の微細藻類培養装置。
前記散気装置から供給される前記気体は、化石燃料の燃焼により生成された排気ガスであり、
前記排気ガスは、二酸化炭素と酸素を含み、かつ前記排気ガス中の酸素の濃度が１０％以下となっている
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の微細藻類培養装置。