JP3480706B2

JP3480706B2 - 軽量発光担体

Info

Publication number: JP3480706B2
Application number: JP36670899A
Authority: JP
Inventors: 文一末広; 健治山村
Original assignee: Research Institute of Innovative Technology for Earth; Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Research Institute of Innovative Technology for Earth; Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2003-12-22
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: JP2001178443A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】地球温暖化の原因の一つとし
て、ＣＯ₂の増加や人口の増加等に伴う食糧危機が懸念
されている。本発明は、藻類等の光合成生物に光を効率
よく照射供給して培養する光合成培養装置に使用するの
に適した軽量発光担体であって、ＣＯ₂を生物的に固定
化して、大気中のＣＯ₂を低減しつつ、得られる生物を
食糧や有用物質生産の資源として利用することができる
光合成培養装置に使用される軽量発光担体に関する。

【０００２】

【従来の技術】地球温暖化防止に寄与するＣＯ₂を固定
化する各種の方法の中でも、生物による光合成を用いる
方法は、エネルギー源に太陽光を用い、環境に調和した
技術として知られている。

【０００３】太陽光を利用する光合成生物の培養方法に
は、古くからオープンポンド方式が知られている。しか
し、この方法では、培養が進むにつれて生物濃度が高く
なり、光供給不足による増殖速度の低下を防ぐために、
液深を浅くする必要があり、結果として広大な設置面積
が必要であった。

【０００４】また、光合成において光利用効率を高める
ため、光を適度に希釈する方法が学術的に知られてお
り、この知見をもとにして培養液内に光を伝送する際の
照射効率向上の各種の方法が考案されている。例えば、
特開昭５１−１０６７８３号公報では採光体を培養槽に
投入した考案がある。同様に、特開昭５２−１０５２７
７号公報では導光体を培養液に収容した考案がある。

【０００５】一方、本出願人らは光合成生物の培養に好
適な発光担体（平板状光散乱体とも呼ぶ）を採用した光
合成培養装置により、オープンポンド方式と比べて少な
い設置面積で効率よく、また集光方式と比較して建設費
を大幅に削減できることを示した（特開平８−２６２２
３１号公報、特開平８−２６２２３２号公報、特開平１
０−１９１９５６号公報）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＣＯ₂
を生物的に固定化して大気放出を低減しつつ、得られる
生物を食糧や有用物質生産の資源として利用することを
前提とした光合成培養装置の提供を鑑みると、処理量の
多さから装置規模は必然的に大きくならざるを得ない。
また、光合成培養装置のスケールアップは、通常、培養
容積あたりの照射面積を一定としなければならないとい
う制限があり、このことも装置の大型化の要因となって
いる。加えて、発光担体における受光面積と照射面積の
比は光の希釈率の関係から一定もしくはある範囲に制限
されるため、結果として発光担体自体の形状や容積も自
由に変更できない制限がある。

【０００７】一方、光合成培養装置のライフサイクルや
ＣＯ₂収支バランスを考えると、装置建設初期において
光合成培養装置を設置すること自体がＣＯ₂を発生する
ことを意味している。従って、ＣＯ₂を低減するという
本来の目的に照らすと、光合成培養装置はできるかぎり
小さいことが望ましい。とりわけ、光合成培養装置にお
ける主要構成品である発光担体に用いる材料使用量の削
減は、その効果が期待される。

【０００８】しかし、軽量化のために中空状発光担体の
板厚を薄くすることは、構造的に強度が弱くなるという
問題や、空洞容積が増えて比重が小さくなるため、発光
担体を培養液中に沈めて使用するために、増大する浮力
に抗して設置する新たな課題が発生するほか、下記の比
較実験で述べるように、中空状発光担体であっても、光
学特性が箱状の光学特性に近似して、悪くなるという新
たな問題が発生する。

【０００９】そこで、本発明は、以上述べた、光合成
培養のスケールアップとそれに用いる発光担体の材料使
用量の削減といった相反する技術的な制限の中で、光合
成培養装置に使用される発光担体として要求される光学
的な特性を保ちつつ、しかも必要な構造的強度を保つこ
とができる中空状発光担体を提供し、且つ培養液中に浸
漬した場合の浮力の問題を解決できる中空状発光担体を
提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、本発明者らは鋭意検討した結果、以下の構造を
基本とする新規な軽量発光担体を発明するに至った。

【００１１】すなわち、本発明は、透明の中空体内の
幅広方向と縦長方向からなる面に光分散フィルムが設け
られ、かつ該中空体内に液体が封入されていることを特
徴とする軽量発光担体である。

【００１２】本発明において用語「軽量」は、従来技術
の発光担体と比べて、従来使用していた本体構成素材の
正味の使用量を削減した、すなわち相対的に軽量化した
ことを表すために便宜上使用している。すなわち、発光
担体の総量自体が小さくなることを意味するものではな
い。

【００１３】本発明の軽量発光担体の基本構造を具体
化した例を図１に示す。１は光学特性に優れる透明な中
空体であり、底部に白板５を有し、中空体１内に幅広方
向と縦長方向からなる面に光分散フィルム２が設けられ
ている。中空体１内には、液体６が封入されている。中
空体１の形状・構造は、薄板またはフィルムによる６面
体構造が好ましい。

【００１４】本発明において用語「薄板」又は「フィル
ム」は、厚さや、成形方法の違いを意味して用いている
が、機能的に同じであるため、以下、「薄板」と統一的
に記す。また、図１は６面体構造の例を示しているが、
本発明では形状を直方体に限定するものではない。すな
わち、6 面体の面が湾曲していてもよいし、角が丸みを
帯びていてもよい。

【００１５】本発明で用いる中空体１の材質は、成形性
がよく、透明性が高く、太陽光線の影響を受けにくい透
明プラスチックやガラスがよい。プラスチックとして
は、アクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹
脂、ビニール樹脂、フッ素樹脂、ポリアミド樹脂、酢酸
セルロース、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリフ
ェニレン・オキサイドなどが用いられる。また、これら
素材を複合して使用してもよい。

【００１６】光分散フィルム２は、中空体１内に透過し
て来た光を散乱させるものであって、フィルム状だけで
はなく薄板状であってもよい。本発明においては、光分
散フィルム２も光分散薄板も、光学分散において同様の
機能を有するため、以下「光分散フィルム」と統一的に
記す。光分散フィルム２は透明なプラスチックフィルム
（担体フィルム３と記す）を基板として、これに光散乱
率の高いフィルム（散乱フィルム４と記す）をパターン
状に設けて形成してもよい。散乱フィルム４の材質とし
ては金属フィルム、白プラスチックフィルム、スリ加工
フィルムがよい。散乱フィルム４は担体フィルム３に
従来技術を用いて蒸着、溶着、接着、圧着することによ
り一体化でき、一体化したものは、光分散フィルム２を
構成する。また、散乱フィルム４をカット加工して光分
散フィルム２としてもよい。すなわち、散乱フィルム４
の素材のみで光分散フィルム２を構成してもよい。

【００１７】散乱フィルム４のパターンは従来技術（特
開平８−２６２２３２号公報）などを参考として、軽量
発光担体用に最適化されたものを用いることができる。

【００１８】中空体１底部に設けられた白板５は、中空
体１内を伝送して下面に到達した光を反射させるための
反射効率の高い白色の板であり、中空体１の底部より上
へ光を散乱させて、最終的に散乱光が培養に寄与するた
めのものである。中空体１底部が透明のままでは軽量発
光担体中を伝送して来た光はそのまま、底を突き抜け、
外に出てしまい、光合成培養に有効に利用できなくなる
可能性が高くなる。特に、底部が培養槽に接している場
合にはその傾向が高い。

【００１９】液体６は無色透明で、中空体１や光分散フ
ィルム２を化学的に侵さず、また仮に中空体１が破損し
ても環境を汚染しないものを使用するとよい。液体６と
しては光学特性に優れた水、無機オイル、有機オイルな
どが使用できる。無機オイルとしてはシリコンオイルな
どがある。有機オイルとしては鎖式炭化水素などがあ
る。最も好ましくは水、または水を主成分とするのがよ
い。水は、従来技術による加熱処理、加圧加熱滅菌、放
射線照射滅菌、濾過滅菌などにより処理したものを用い
ることが好ましい。あるいは中空体１や光分散フィルム
２を侵さない殺菌効果のある防腐剤を添加してもよい。
また、使用する水、また水を主成分とする液体は、水
中、または液体中の溶存空気を除去す処理、例えば、加
熱処理、減圧脱気処理、透過膜脱気処理及び／又は超音
波印加脱気処理等の処理を行うことが好ましい。

【００２０】なお、波長変換を期待した有色液体の使用
を制限するものではない。また、液体中に光学的分散機
能を有する素材を混入して使用することを制限するもの
ではない。

【００２１】図１の本発明の軽量発光担体において、中
空体１の形状を長さＨ、幅Ｗ、厚さＤの６面体構造とす
ると、受光面積（Ｗ×Ｄ）と照射面積（Ｈ×２（Ｗ＋
Ｄ））の関係から、太陽光は照射面積を受光面積で除し
た値に比例して希釈される。すなわち、本発明の軽量発
光担体を光合成培養装置の光供給のために用いる場合に
は、中空体１の上端面から受光した光は、中空体１内部
に導入され、光分散フィルム２で散乱され、中空体１の
表面全体から照射されるので、受光面積と照射面積の関
係を最適化して光利用効率を高めた条件下で培養を行う
ことが可能となる。

【００２２】この際に、軽量発光担体の各照射部位にお
ける光強度分布が均一でがあることが必要である。本発
明においてこの光分布の均一性を実現するのが、光分散
フィルム２と液体６であり、両者のいずれが欠けても光
強度の分散特性は低下し、本発明は目的は達成されな
い。この光強度の分散性については実施例、比較例で後
述する。

【００２３】さらには、液体６を使用することで２つの
重要な効果が得られる。すなわち、本発明の軽量型発光
担体において、従来の発光担体の素材であるプラスチッ
ク樹脂やガラスの一部を液体６に代えることで、発光担
体の正味の材料使用量の削減が可能となる。とりわけ液
体６として水は安価な素材として適用でき、装置コスト
の削減はもちろんのこと装置設置に伴うＣＯ₂発生量の
削減効果に寄与する。

【００２４】また、液体６を内部に封じることで、内部
が中空、すなわち気体である場合より安全に構造的強度
を得ることが可能となる。また、発光担体の素材の一部
を液体６とすることで比重を大きくでき、中空発光担体
における液体６がない場合の浮力対策等の使用上の不具
合を解消できる。

【００２５】水に細菌や微細藻類が混入すると意図しな
い腐敗や藻類の増殖が生じやすく、軽量発光担体で用い
る水の場合に同様の現象が軽量発光担体内部で発生する
と光透過率の低下を生じるため好ましくない。本軽量発
光担体では用いる水を滅菌処理することで、これらの不
具合を防止する作用がある。

【００２６】また、水は通常溶存空気を含むため、温度
変化により気泡が発生する場合がある。軽量発光担体内
部で気泡が発生すると、内部に付着したり、特に軽量発
光担体上部の受光面に空気層を形成したりして光強度分
布の不均一性の原因となる。軽量発光担体に用いる水を
脱気処理することにより、気泡の発生を防止する効果が
生じる。

【００２７】

【実施例】〔実施例１、比較例１、比較例２〕発光担体表面照射光強度分布特性比較外形サイズを長さＨ３０ｃｍ×幅Ｗ５０ｃｍ×厚さＤ３
ｃｍとし、板厚を３ｍｍとしたアクリル樹脂製の中空体
を用意した。中央に厚さ０．２ｍｍのポリカーボネート
フィルムを担体フィルムとして設けた。この担体フィル
ムには、あらかじめ厚さ０．１ｍｍステンレスフィルム
を散乱フィルムとして、既知の技術によりフィルムの幅
と間隔をパターン化したものを接着した。水は沸騰後、
冷却して封入することにより、本実施例１の軽量発光担
体とした。

【００２８】比較例１として、水を封入しなかった以外
は実施例１と同様にして「箱状発光担体＋光分散フィル
ム」の軽量発光担体を製作した。

【００２９】比較例２として、光分散フィルムを設け
ず、水のみを封入した以外は実施例１と同様にして「箱
状発光担体＋水封入」の発光担体を製作した。

【００３０】これらの発光担体を用いて太陽光照射にお
けるそれぞれの担体表面光分布を測定した。その結果を
縦軸に光強度分布をとり横軸に軽量発光担体入口からの
距離をとったグラフとして、図２（実施例１）、図３
（比較例１）、図４（比較例２）に示す。

【００３１】図２、図３、図４のグラフによれば、実施
例１では軽量発光担体表面の全体から光照射が得られ
た。一方、比較例１では、太陽光は入射面付近の上部で
主に発光担体表面から照射され、光分布特性が悪かっ
た。また、比較例２では太陽光は入射面と反対側におい
て主に発光担体表面から照射され、光分布特性が悪いこ
とが分かった。

【００３２】以上の結果、本実施例１の軽量発光担体の
み、必要とされる光照射仕様を満足し、太陽光下におけ
る光合成培養装置の発光担体として適用できることが分
かった。

【００３３】〔実施例２、比較例３、比較例４、比較例
５〕材料削減率及び比重比較軽量発光担体の外形サイズを長さ３０ｃｍ×幅２０ｃｍ
×厚さ３ｃｍとし、板厚を３ｍｍとしたアクリル樹脂製
中空体を用意した。白色アクリル樹脂フィルム（散乱フ
ィルムのみ）を既知の技術により幅と間隔をパターン化
してカッティング処理を行って、厚さ０．３ｍｍの光分
散フィルムを作製し、該光分散フィルムを中空体の内部
中央に設けた。封入水にはシリコン透過チューブ式脱気
装置で処理した水に次亜塩素酸ナトリウム溶液を５０ｐ
ｐｍ添加して本実施例２の軽量発光担体とした。これを
図５に示す。

【００３４】本実施例２の軽量発光担体を用いたときの
材料削減率と比重を下記の表１に示す。比較例として、
本実施例２と同じアクリル樹脂で製作し、外形とサイズ
を本実施例２と同じくした次の３種類の構造の発光担体
ユニットを用意した。即ち、図６の構造の板状発光担体
ユニットで全てアクリル板のもの（比較例３：板厚３０
ｍｍ）、図７の構造のアクリル板の内側面にスリ散乱処
理した中空状発光担体ユニットで封入水がないもの（比
較例４：板厚１０ｍｍ×２枚）、及び図８の構造の箱状
発光担体ユニットで封入水がないもの（比較例５：板厚
３ｍｍ×２枚）を用意し、これらの発光担体ユニットの
材料削減率と比重を下記の表１に併記する。ここで、ア
クリル樹脂材料の削減率は中空部分の存在しない比較例
３の板状発光担体ユニットを基準として表す。

【００３５】比較例４の中空状発光担体ユニットの材料
削減率は２８％であったのに対して、本実施例２の軽量
発光担体ユニットは７５％と高い削減効果があった。比
較例５の箱状発光担体ユニットの材料削減率は７６％と
本実施例２の軽量発光担体と同等であったが、比重が
０．２９と培養液中に固定設置するのが著しく困難であ
った。本実施例２の軽量発光担体ユニットの比重は１．
０５と培養液中への固定がもっとも容易で設置コストが
もっとも安価であった。

【００３６】図９、図１０、図１１はそれぞれ比較例３
の板状、実施例２の軽量、及び比較例５の箱状の各発光
担体中央に位置する発光担体表面の中心点Ａを代表点と
して、太陽光下における担体照射光強度変化を示す、縦
軸に光強度、横軸に時刻をとってプロットしたグラフで
ある。

【００３７】図９、図１０、図１１によれば、実線で示
す太陽光光強度の変化に対する、箱状、及び板状発光担
体照射強度は、軽量発光担体の照射光強度と異なり、著
しく悪いことが分かる。すなわち、箱状発光担体では、
太陽高度が高い日中の短時間のみ発光担体中心点からの
照射が観察された。また、板状発光担体は、中心点での
照射は終日小さい値でしか観察されなかった。そして、
軽量発光担体のみ、太陽光光強度に追従した光照射が得
られた。このデータは、箱状、及び板状発光担体では光
強度特性が悪く問題であることを示している。なお、図
には示していない比較例４の中空状発光担体は、軽量発
光担体と同等の光強度特性であったが、前述のとおり、
軽量化がなされてない点で劣る。

【００３８】

【表１】

【００３９】〔実施例３〕軽量発光担体／光合成培養装置軽量発光担体の外形サイズを長さＨ３０ｃｍ×幅Ｗ２０
ｃｍ×厚さ３ｃｍとし、板厚を３ｍｍとするアクリル樹
脂製中空体とした。中央に厚さ0 ．2 ｍｍのアクリル樹
脂フィルムを担体フィルムとして設けた。この担体フィ
ルムには、あらかじめ厚さ０．１ｍｍ白色アクリル樹脂
を散乱フィルムとして、既知の技術によりフィルムの幅
と間隔をパターン化したものを接着して、光分散フィル
ムとした。このようにして軽量発光担体を１６枚作製し
た。このとき、１２１℃で加熱滅菌、且つ脱気し、冷却
した水を軽量発光担体内に密封したものを８枚と、放射
線照射滅菌、及び減圧・超音波印加脱気処理した水を密
封したものを８枚とした。これらの軽量発光担体を８５
ｃｍ幅×１７ｃｍ奥行き×３０ｃｍ水深の培養液（改変
ＭＣ培地：水１ＬにＫＮＯ₃、ＫＨ₂ＰＯ₄、ＭｇＳＯ
₄・７Ｈ₂Ｏを各１ｇ、およびＦｅ溶液、Ａ５溶液各１
ｍＬの割合で溶解）中に装着し、太陽光の下で、ＣＯ₂
５％濃度の通気ガスを０．４ｖｖｍで通気撹拌して微細
藻類であるChlorella vulgarisの培養を行った。また、
同条件で軽量発光担体を装着しない、オープンポンド方
式の培養装置による比較培養を実施した。

【００４０】これらの各培養方法により得られた培養経
過時間毎の培養液について吸光度で測定した培養曲線を
図１２に示す。このときの培養期間における日射量平均
値は１４．８ＭＪ／ｍ²／ｄであった。図１２に示すよ
うに軽量発光担体を用いた光合成培養装置では高濃度で
培養が行え、藻体回収における回収動力も削減できた。
ＣＯ₂換算固定量で性能を比較すると、軽量発光担体を
用いた光合成培養装置とオープンポンド培養装置ではそ
れぞれ、３７．９ｇ−ＣＯ₂／ｍ²／ｄと１６．３ｇ−
ＣＯ₂／ｍ²／ｄであった。すなわち、軽量発光担体を
用いることで約２．３倍の培養効率の向上効果が得られ
た。

【００４１】なお、１６枚の軽量発光担体内の水に関し
て観察したが、6 ケ月の使用後も雑菌等の腐敗による透
明性の低下や、気泡の発生はいずれも認められなかっ
た。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、光合成装置として要求
される光学的な特性を保ちつつ、光合成培養装置におけ
る主要構成品である発光担体に用いる材料使用量につい
て高い削減効果を達成する。また、構造的に発光担体の
膜厚を確保することができるため、強度の低下といった
構造的な問題が無く、材料使用量の削減ができ、しかも
浮力の問題も発光担体内部に水を封入することにより解
決できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の軽量発光担体の基本構造を具体化した
例を示す。

【図２】実施例１の発光担体（箱状発光担体＋光分散フ
ィルム＋水封入）を用いて太陽光照射における担体表面
光分布を示すグラフである。

【図３】比較例１の発光担体（箱状発光担体＋光分散フ
ィルム）を用いて太陽光照射における担体表面光分布を
示すグラフである。

【図４】比較例２の発光担体（箱状発光担体＋水封入）
を用いて太陽光照射における担体表面光分布を示すグラ
フである。

【図５】実施例２の軽量発光担体を示す図。

【図６】比較例３の板状発光担体ユニットで全てアクリ
ル板のものを示す図。

【図７】比較例４のアクリル板の内側面にスリ散乱処理
した中空状発光担体ユニットで封入水がないものを示す
図。

【図８】比較例５の箱状発光担体ユニットで封入水がな
いものを示す図。

【図９】比較例３の板状の各発光担体中央に位置する発
光担体表面の中心点を代表点として、太陽光下における
担体照射光強度変化を、縦軸に光強度、横軸に時刻をと
ってプロットしたグラフである。

【図１０】実施例２の軽量発光担体中央に位置する発光
担体表面の中心点を代表点として、太陽光下における担
体照射光強度変化を、縦軸に光強度、横軸に時刻をとっ
てプロットしたグラフである。

【図１１】比較例５の箱状発光担体中央に位置する発光
担体表面の中心点を代表点として、太陽光下における担
体照射光強度変化を、縦軸に光強度、横軸に時刻をとっ
てプロットしたグラフである。

【図１２】軽量発光担体を用いた培養方法とオープンポ
ンド方式の培養方法により得られた培養経過時間毎の各
培養液について吸光度で測定した培養曲線を示すグラフ
である。

【符号の説明】

１中空体２光分散フィルム３担体フィルム４散乱フィルム５白板６液体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山村健治東京都港区西新橋２−８−11 第７東洋海事ビル８階財団法人地球環境産業技術研究機構内 (56)参考文献特開平４−299974（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C12M 1/00 - 3/10 G02B 6/00 C12N 1/00 - 7/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】透明の中空体内の幅広方向と縦長方向か
らなる面に光分散フィルムが設けられ、かつ該中空体内
に液体が封入されていることを特徴とする軽量発光担
体。
【請求項２】前記中空体が光学特性に優れる薄板また
はフィルムからなる６面体構造である請求項１記載の軽
量発光担体。
【請求項３】前記光分散フィルムが担体フィルムに光
散乱率の高い散乱フィルムが設けられたものであること
を特徴とする請求項１記載の軽量発光担体。
【請求項４】前記液体が水または含水液体であること
を特徴とする請求項１記載の軽量発光担体。
【請求項５】前記液体が、滅菌、防腐剤添加、及び脱
気から選ばれたｌ種類以上の処理が施されたことを特徴
とする請求項１記載の軽量発光担体。