JP4222495B2 - Carbon dioxide recycling system in closed system under microgravity - Google Patents

Carbon dioxide recycling system in closed system under microgravity Download PDF

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    • C12M43/00Combinations of bioreactors or fermenters with other apparatus

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、宇宙空間または微少重力下における閉鎖系での二酸化炭素リサイクルシステム(二酸化炭素リサイクル装置)に関する。
【0002】
【従来の技術】
宇宙基地の建設の構想が現実化しつつある今日、宇宙空間における人または哺乳類の長期滞在の必要性は今後益々増大すると考えられる。そして、そのためには閉鎖系における実質的に無制限な酸素の供給が要求されるが、現状では有効な手段が開発されておらず、これを解決する手段の開発が切望されている。
【0003】
一方、本発明者らは先に、光合成藻類の一種であるユーグレナが高濃度の二酸化炭素の存在下でクロロフィル生合成を誘導することにより大量の藻体を生産することができることを報告した( アイガ,Y.ら、「光合成藻、ユーグレナの光放射ダイオードによる生育」CELSS J. 9, 7-12, 1997 、中野長久ら、「ユーグレナ・グラシリスの高CO2 条件への適応とその機構」CELSS J., 7, 15-18, 1995 )。さらに本発明者らはユーグレナ細胞がアミノ酸分析やラット飼育テストにより明らかなようにタンパクなどの極めて高い栄養素を含むことをも報告した(中野長久ら、「原生生物、ユーグレナ・グラシリスZは閉鎖エコシステムで唯一栄養源として機能する」、CELSS J., 8, 7-12, 1996 ) 。ユーグレナのこれらの特徴は宇宙空間あるいは微少重力下での閉鎖系においてヒトの食糧の提供という観点からのみならず、二酸化炭素を酸素へ変換する光バイオリアクターを開発するという観点でも極めて重要であることに本発明者らは注目するに至った。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、宇宙空間または微少重力下における閉鎖系でヒトまたは哺乳類の発生する二酸化炭素を酸素に変換する二酸化炭素リサイクルシステムを提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは宇宙空間あるいは微少重力下における閉鎖系での酸素供給手段として二酸化炭素を酸素に変換するリサイクルシステムを開発すべく研究を進めた。まず、本発明者らはこれまでの自らの研究(中野長久ら、CELSS,7, 15-18 (1995) 、相賀一郎ら、CELSS,9, 7-12 (1997)) の成果に基づき、ユーグレナが▲1▼培養が容易であり、特に酸性条件下で生育が容易であること、▲2▼単位容積当たりの光合成能が高いこと(約0.6モルCO2 /時・m3 )、▲3▼光エネルギーの利用効率が高いこと(80%以上)、▲4▼高濃度二酸化炭素に耐性であること(40%CO2 /供給空気、最大の生育は5〜15%CO2 下で得られる)および▲5▼含まれるタンパク質がヒトの食糧として極めて良質であることに注目し、光合成藻類を利用する二酸化炭素 リサイクルシステムの構築に着手した。それには、哺乳類が酸素を消費して生産する二酸化炭素を光合成藻類の培養槽に供給すると共に藻類により生産される溶存酸素を微少重力下で藻類培養液から分離し哺乳類飼育室に供給するラインの構築を必要とする。本発明者らは鋭意検討を重ねた末、微少重力下で溶存酸素を培養液から効率的に分離すると共に二酸化炭素を藻類培養液に効率的に溶解することができる気液分離膜を構成要素とするガス交換装置を構築することができた。さらに藻類の培養条件の検討等を行った結果、微少重力下における閉鎖系で、藻類培養槽と哺乳類飼育室の間に設置された上記ガス交換装置を含む気体循環ラインを用いることにより、酸素を消費して哺乳類が生産する二酸化炭素を光合成藻類に供給し、光合成藻類がそれを消費して生産する溶存酸素を哺乳類に供給することにより、藻類培養槽に供給する二酸化炭素レベルと哺乳類飼育室に供給する酸素レベルを長期間定常状態に保つことができる、二酸化炭素リサイクルシステムの構築に成功し、本発明を完成するに至ったものである。
【0006】
即ち、本発明の要旨は、(1)光合成藻類にエネルギーを供給するための光照射装置を有し藻類培養液中で藻類を培養するための藻類培養槽と、哺乳類を飼育するための哺乳類飼育室と、前記藻類培養槽から藻類培養液を導出し再び前記藻類培養槽に戻す送液ラインと、前記哺乳類飼育室からガスを導出し藻類培養液と直接接触させることなく再び前記哺乳類飼育室に戻す気体循環ラインと、気体を通すが水を通さない気液分離膜を含み前記送液ラインと前記気体循環ラインとの間で気液分離膜を介して酸素と二酸化炭素の交換を行うガス交換装置とを備え、前記ガス交換装置は、気体の種類によってその透過速度を大きく異にすることのない非選択性気液分離膜モジュールと、気体の中でも二酸化炭素を優先的に通すことが可能なCO 選択性気液分離膜モジュールとを有し、前記気体循環ライン中の二酸化炭素を前記送液ライン中の藻類培養液内に溶解させかつ前記送液ライン中の藻類培養液内の溶存酸素を該気体循環ライン内に取り込むことにより藻類培養槽内で藻類が発生する酸素と哺乳類飼育室内で哺乳類が発生する二酸化炭素とのガス交換を行うものであり、そして藻類培養槽における酸素発生量と哺乳類飼育室における二酸化炭素発生量は均衡するように調節されるものである、哺乳類飼育室に供給する酸素の量と藻類培養槽に供給する二酸化炭素の量の均衡を維持させるための微少重力下での閉鎖系における二酸化炭素リサイクルシステム、(2)該光合成藻類が藍藻類、原核緑藻類、紅藻類、灰色藻類、クリプト藻類、渦鞭毛藻類、黄金色藻類、珪藻類、褐藻類、黄緑藻類、ハプト藻類、ラフィド藻類(緑色鞭藻類)、クロララクニオン藻類、ミドリムシ藻類(ユーグレナ藻類)、プラシノ藻類、緑藻類および車軸藻類からなる群より選択されるものである前記(1)記載のシステム、(3)該光合成藻類がユーグレナ属藻類である前記(1)記載のシステム、(4) 該光合成藻類がクロレラ属藻類である前記(1)記載のシステム、(5)該光合成藻類がクラミドモナス属藻類である前記(1)記載のシステム) 該気体循環ラインが哺乳類飼育室とガス交換装置の間に異物除去用のフィルターをさらに含むものである前記(1)〜()いずれかに記載のシステム、()該送風用ポンプが加圧ポンプである前記(1)〜()いずれかに記載のシステム、() 該藻類培養槽の光照射装置が太陽光を光源とするものであり、かつ、藻類培養装置の少なくとも一部が太陽光を透過する素材で作られた壁面を有するものである前記(1)〜()いずれかに記載のシステム、()該藻類培養槽の光照射装置が人為的光源を使用するものであり、かつ、該人為的光源が光透過性素材で作成された容器の中に収容されているものである前記(1)〜()いずれかに記載のシステム、(10)該藻類培養槽に温度制御装置がさらに設置されているものである前記(1)〜()いずれかに記載のシステム、(11)該哺乳類飼育室と該ガス交換装置の間に該哺乳類飼育室内の二酸化炭素を優先的に気体循環ラインに導入することができる二酸化炭素濃縮装置をさらに設置するものである前記(1)〜(10)いずれかに記載のシステムに関する
【0007】
【発明の実施の形態】
以下に本発明について詳細に説明する。
本発明の微少重力下における閉鎖系での二酸化炭素(CO2 )リサイクルシステムは、藻類を培養するための藻類培養槽およびヒトを含む哺乳類を飼育するための哺乳類飼育室を含んでおり、上記藻類培養槽には光合成藻類にエネルギーを供給するための光照射装置および培養液を循環させるための水流発生装置が備え付けてある。そして必要があれば培養温度を調節するための温度制御装置を設置することもできる。上記藻類培養槽と上記哺乳類飼育室との間は上記藻類培養槽内の培養液中の溶存酸素と上記哺乳類飼育室内の気体を交換することができるように気体循環ラインで連結されている。この気体循環ラインは気体を通すが水を通さない気液分離膜を含むガス交換装置およびライン内の気体を循環させるための送風用ポンプを含んでいる。このガス交換装置は上記気体循環ライン中の二酸化炭素を藻類培養液内に溶解させかつ藻類培養液内の培養液中の溶存酸素を上記気体循環ライン内に取り込むことにより藻類培養槽内で藻類が発生する酸素と哺乳類飼育室内で哺乳類が発生し気体循環ラインに入る二酸化炭素の間のガス交換を行わせるものである。このような本発明の二酸化炭素リサイクルシステムを用いれば、藻類培養槽内で藻類が発生した培養液中の溶存酸素はガス交換装置により効率的に気体循環ラインに取り込まれついで哺乳類飼育室に供給される。一方、哺乳類飼育室で哺乳類が発生した二酸化炭素は気体循環ラインに入りガス交換装置により効率的に藻類培養液に溶解される。従って、本発明のシステムを用い、藻類培養槽における酸素発生量と哺乳類飼育室における二酸化炭素発生量が均衡するように調節することにより、微少重力下での閉鎖系においても、哺乳類飼育室で哺乳類を飼育しながら藻類培養槽で藻類を培養することにより、哺乳類飼育室に供給する酸素の量と藻類培養槽に供給する二酸化炭素の量の均衡を維持することが可能となる。
【0008】
本発明のシステムには、ガス交換装置についての上記説明で述べたように、藻類培養液中で発生した溶存酸素を培養液から分離するための気液分離膜がガス交換装置の必須の構成要素として搭載されている。その理由は、培養液中の溶存酸素を培養液から分離することは重力の存在下では極めて容易であるのに反し、微小重力下ではこれが極めて困難であることにある。気体と液体の間で比重の差が存在しない微小重力の下では、培養液中で発生した酸素を培養液から分離することは容易ではない。本発明者らは鋭意検討した結果、気液分離膜を利用して培養液中の溶存酸素を効率的に分離することが可能であることを発見し、本発明のシステムの必須の構成要素としたものである。すなわち、このガス交換装置は哺乳類飼育室に通じる気体循環ラインと藻類培養液を気液分離膜を介してこの装置内で接触させ、この間に溶存酸素を藻類培養液から気体循環ラインへと移行させ、同時に気体循環ラインから二酸化炭素を藻類培養液へ溶解させる働きを行う。このガス交換装置を用いることにより藻類培養槽内で藻類が発生した培養液中の溶存酸素は効率的に気体循環ラインを通って哺乳類飼育室に送られ、哺乳類飼育室で哺乳類が発生した二酸化炭素は気体循環ラインを通って効率的に藻類培養液へと送られることになる。この装置は、例えば、気液分離膜からなる筒の中に藻類培養液を環流させその間に膜を通過して筒の外に出た酸素を集め、同時に気液分離膜の筒の外側を循環する気体の中の二酸化炭素が筒の中すなわち藻類培養液の中へ溶解するような装置でもよい。気液分離膜はなるべく藻類培養液と接する表面積を大きくとることが好ましい。例えば、蛇行する気液分離膜からなる筒などが例示できる。この装置に使用される気液分離膜としては、非選択性の多孔質膜(三菱レーヨン社製、大セル化学社製)などが有利に使用できるが、気体特に酸素と二酸化炭素を通過させるが液体を通過させることができない膜であって、藻類培養液と接触しても長期間安定なものであれば特に限定されることなく本発明に使用できる。
【0009】
本発明のシステム中のガス交換装置には、さらにCO選択性気液分離膜を上記の非選択性気液分離膜の後方または前方または交互に設置することができる。CO選択性気液分離膜は酸素と二酸化炭素の透過速度を異にし二酸化炭素を優先的に透過させる膜である。CO選択性気液分離膜を上記の非選択性気液分離膜の後方に設置した場合は、藻類培養液はまず非選択性気液分離膜と接触して培養液内の酸素を気体循環ラインへ放出し、ついでCO選択性気液分離膜と接触して気体循環ラインから二酸化炭素を効率よく受け取ることができる。前方に設置した場合は、まず藻類培養液はCO選択性気液分離膜と接触して気体循環ラインから二酸化炭素を効率的に受け取り、ついで非選択性気液分離膜と接触して酸素を気体循環ラインに放出することになる。このようなCO選択性気液分離膜(二酸化炭素/酸素分離用の膜)としては、例えば、TPX膜(三菱レーヨン社製)や大セル化学社製O/CO分離膜などの膜を使用することが好ましい。軽量で効率の高い装置が本発明にとって特に好ましい。また、気液分離膜の目詰まりを防止するため、ガス交換装置と哺乳類飼育室の間に異物除去のためのフィルターを備えつけることが好ましい。
【0010】
本発明のシステムにおける気体循環ラインは、上記のガス交換装置を含みかつガス交換装置と哺乳類飼育室および藻類培養槽の間を必要に応じてパイプで連結しており、さらに循環させる気体に圧力を加えるためのポンプが必要に応じて一つ以上備え付けられている。パイプの素材としては特に限定されないが、軽量で丈夫で腐食されないテフロン樹脂やシリコンチューブなどが好ましい。
【0011】
本発明のシステムにおける気体循環ラインには、哺乳類飼育室と連結させて、哺乳類飼育室内の二酸化炭素を優先的に通過させて哺乳類飼育室内の二酸化炭素濃度を減少させ同時に気体循環ラインの二酸化炭素の濃度を高める働きをする二酸化炭素濃縮装置を設置することができる。この装置は、例えば上記のTPX膜(三菱レーヨン社製)や大セル化学社製O2 /CO2 分離膜などのCO2 選択性気液分離膜を多段階に使用することにより構成することができる。
【0012】
本発明のシステムにおける藻類培養槽には、水流発生装置が備え付けられる。これは、宇宙空間または微少重力下においても、培養液中での混合を十分にするためである。培養液の均一化は藻類による二酸化炭素やエネルギー源である光、その他の栄養分の利用効率を高め、藻類の生育速度の最適化に不可欠である。また、藻類が発生する溶存酸素の分散をよくし、ガス交換装置による溶存酸素の取り込みの効率を高めるためにも有用である。このような水流発生装置としては、水流ポンプやプロペラなどの水流発生に通常使用できる装置であれば特に限定されず使用可能である。なるべくエネルギー効率の良い装置が好ましいことはいうまでもない。
【0013】
本発明のシステムにおける藻類培養槽には、光合成藻類のエネルギー源として光を供給する設備が必要となる。これは、藻類培養槽の壁面の一部を光透過性の素材、例えば、ガラスあるいは光透過性樹脂で作成し、太陽光を利用できるようにすることで可能となり、また藻類培養槽の中に発光性ダイオードのような人為的光源を上記のような光透過性の素材から成る容器中に収めて取り付けることにより達成することもできる。このような光源の例としては、赤色LED(SLA−577JT3F、ローム社、京都)や青色LED(日亜ケミカル工業社、徳島)などが挙げられる。
さらに、与える光の波長によって藻類の生育に相違が生ずるので、藻類の生育ひいては藻類による酸素の発生効率に好ましい光を放射する光源を使用することが好ましい。このような光源としては、例えばユーグレナの場合は、上記赤色LED(波長660nm)または赤色LED(波長650nm)と青色LED(450nm)の共用(例えば、1:1)が例示される(相賀一郎ら、CELSS,9, 7-12 (1997)) 。
【0014】
本発明のシステムにおける藻類培養槽には、必要があれば温度制御装置を取り付けてもよい。これは、藻類の培養による培養槽内の温度上昇を抑え、藻類の生育に最適なように温度を制御し、酸素の供給量を最大にする必要があるからである。温度制御装置としては、微生物の培養槽に通常使用されている装置であれば特に限定されることなく使用可能である。例えば、クールユニットやサーモスタットなどが例示できる。なお、藻類の培養適温はユーグレナを含む多くの藻類の場合は10〜33℃であるが、好温性の藻類の場合はもっと高い温度で培養することが好ましい。
【0015】
本発明のシステムにおける哺乳類飼育室は、哺乳類がヒトの場合は人が生活する閉鎖空間を指し、哺乳類が人以外の動物の場合は哺乳類を飼育するための閉鎖空間を指す。当然温度および湿度が制御され、長期間の生存に適するように設計される。また、二酸化炭素の濃度をモニターするため、二酸化炭素濃度測定装置を備えることが好ましい。
【0016】
ヒト(60kg)の酸素消費量は安静時で約250ml/分、最大値で約2500ml/分といわれ、哺乳類では、マウス(35g)が約1ml/分、ブタ(250kg)が約540ml/分、そしてウシ(500kg)が約1040ml/分であるといわれている(理化学辞典(1998年版))。一方、ヒト一人当たりの二酸化炭素の排泄量は、安静時で0.65モル/時、通常で1モル/時程度と考えられる。1モルの二酸化炭素を光合成で消費し等モルの酸素を発生させるためには、光合成有効波長域(400〜700nm)の光量子が9モル必要である。地球の大気圏外で太陽に正対する平面が受ける太陽の輻射総量は1.38kW/m2 であり、この太陽光エネルギーのうち45%程度が光合成に利用可能なエネルギーであると仮定すると、1m2 当たり1時間に約10モルの光量子が地球の大気圏外では降り注いでいることになる(太陽光中の光合成有効波長領域における放射束密度と光量子束密度の関係式として、1W/m2 =4.57μモル光量子/m2 /sを用いた)。従って、培養槽に与えた光合成有効波長域の光量子がすべて光合成に利用されると仮定すると、地球周回軌道にある人工衛星上では、培養槽の光受容面を常に太陽に正対する位置に置くことが可能であれば、光受容面の約1m2 でヒト一人が排泄する二酸化炭素を藻類を用いて酸素に変換することが理論的に可能である。
【0017】
本発明に用いられる光合成藻類としては、藍藻類、原核緑藻類、紅藻類、灰色藻類、クリプト藻類、渦鞭毛藻類、黄金色藻類、珪藻類、褐藻類、黄緑藻類、ハプト藻類、ラフィド藻類(緑色鞭藻類)、クロララクニオン藻類、ミドリムシ藻類(ユーグレナ藻類)、プラシノ藻類、緑藻類または車軸藻類などが例示でき、このいずれを用いても本発明の目的を達成することができる。これらの藻類はすべて二酸化炭素を消費して光合成を行い、酸素を発生させることができるからである。中でも、光合成能の高い藻類、例えばユーグレナ属藻類、具体的には、ユーグレナ・グラチリスZ(Euglena gracillis Z) ATCC 12716 、ユーグレナ・グラチリスZ(Euglena gracillis Z) ATCC 12894 、ユーグレナ・グラチリス・バル・バチラリス (Euglena gracillis var. bacillaris) ATCC 10616 、ユーグレナ・グラチリス・バル・サッカロフィラ (Euglena gracillis var. saccharophila) ATCC 12983 、緑藻類の中のクロレラ属藻類、具体的には、クロレラ・ブルガリス (Chlorella vulgaris) ATCC 9765 および クラミドモナス属藻類、具体的には、クラミドモナス・ラインハードティー(Chlamydomonas reinhardtii) ATCC 18798 等が好適である。
【0018】
以下に、光合成藻類の例としてユーグレナ藻類を取り上げ、その培養条件について説明する。なお、他の藻類についても二酸化炭素を炭素源として光合成させる場合に通常採用されている公知の条件を使用することができる。
適当な培地にユーグレナの種培養(細胞密度:1〜2×106 細胞/ml)を10〜25%(v/v)接種し、エネルギー源として光を照射し、攪拌しながら培養を行う。重力存在下では、通常無菌空気(1分当たり培地容量の0.5〜2倍程度)を吹き込む。これにより、培養液内に二酸化炭素を溶解させるが、微小重力下では気液分離膜装置を使用し空気中の二酸化炭素を培養液に導入する。
適当な培地としては、例えば、クレイマー・マイヤース培地(脱塩水1リットル中に1.0gの(NH4)2 HPO4 、1.0gのKH2 PO4 、0.2gのMgSO4 ・7H2 O、0.02gのCaCl2 ・2H2 O、0.8gのクエン酸、3mgのFe2(SO4)3 、1.8mgのMnCl2 ・4H2 O、1.5mgのCoSO4 ・7H2 O、0.4mgのZnSO4 ・7H2 O、0.2mgのNa2 MoO4 ・2H2 O、0.02mgのCuSO4 ・5H2 O、0.1mgのチアミン塩酸塩、および0.0005mgのシアノコバラミンを含み、pHは3.5〜6.8、好ましくは5.5である)が本発明でも便利に使用できる。
【0019】
培養温度は20〜28℃、好ましくは25〜27℃である。
通常、約1日のラグタイムの後、対数増殖期に入り、約1週間〜10日間で定常期に入る。この条件で、通常空気を吹き込んだ場合は、約2×106 細胞/mlまで生育する。空気に二酸化炭素を5〜20%混合すると、生育はさらに増大し、それぞれ約2〜3倍の細胞数に達する。二酸化炭素の割合を45%まで高めるとユーグレナでも生育しなくなる。
上記のような高い二酸化炭素混合比の気体を吹き込んだ場合でも、培養中の培地のpHは4.5〜6.0の間に保たれ、培地のpHの調整は不要である。これは本発明にとって極めて有利な性質である。
【0020】
照射する光は太陽光でもよいが、人為的光源が放射する光でもユーグレナは活発に生育する。本発明者らの研究(相賀一郎ら、CELSS,9, 7-12 (1997)) により、赤色LED単独または赤色LEDと青色LED(1:1)の光を照射するとユーグレナは極めて良好な生育を示す。
生育が旺盛であることは、それだけ多くの二酸化炭素を消費しそして酸素を放出することを意味し、本発明で採用する藻類の培養条件として適していることを示すものである。
【0021】
さらに、培養物の一部を定期的に採取し、等量の培地を補給することにより、ユーグレナの生育を永続させることが可能となる。
【0022】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例等によりなんら限定されるものではない。
【0023】
実施例1
本発明の宇宙空間または微少重力下での閉鎖系二酸化炭素リサイクルシステムのモデルとして図2に示す哺乳類飼育室と藻類培養槽とを含む閉鎖系二酸化炭素リサイクルシステムを構築した。
【0024】
本実験では、光を透過させるため円形のガラスの培養槽(容積3リットル)を特注し、藻類培養槽として使用した。光の強度を調節できるように、培養槽のまわりに蛍光灯(パルックボール、EFT25EW、松下電工製)を6台取り付けた。培養槽内の温度を制御するため冷却装置(Carry cool LP-3000CL-A、ORION 社製)で25℃に調節した水を培養槽下部に循環させた。気体循環ラインにおける送風のため、エアーポンプ(APN-085LV-1、岩城硝子社製) を使用した。培養液から気体循環ラインへの酸素の放出および気体循環ラインから培養液への二酸化炭素の溶解を行わせるため、ガス交換装置として非選択性気液分離膜モジュールおよびCO2 選択性気液分離膜モジュールを併用した。非選択性気液分離膜モジュールおよびCO2 選択性気液分離膜モジュールの中を培養液を循環させるため、送液ポンプ(PST-550 、岩城硝子社製) を含む送液ラインを取付け、送液の速度は0.1リットル/分とした。なお、本実験は重力存在下(地上)で行われたため、細胞の沈澱を防ぐ目的で培養槽に攪拌モーターと羽を取り付けた。
【0025】
CO2 選択性気液分離膜モジュールには、三菱レーヨンのTPX膜を使用した。この膜の能力では、二酸化炭素 の1ml/分(マウス1匹の放出する二酸化炭素 量)を取り出すのに、0.2〜0.4m2 の面積で足りる。本実験では、マウス1匹を哺乳類飼育室で飼育するので、計算上は0.4m2 のTPX膜で足りることろであるが、余裕をみて、1.5m2 のTPX膜を使用した。
【0026】
また、非選択性気液分離膜モジュールには非選択性の多孔質膜(三菱レーヨン社製)1.5m2 を使用し、培養液中に発生した豊富な酸素を回収した。
【0027】
哺乳類飼育室は32×32×30cm(容積約30リットル)の大きさで、エアポンプで気体循環ラインに6リットル/分の空気を圧力0.8kg/cm2 で送風した。哺乳類飼育室と藻類培養槽とはガス交換装置(非選択性気液分離膜モジュールおよびCO2 選択性気液分離膜モジュール)を挟んで連結した。哺乳類飼育室にはマウス(Balb/c、雄、15週齢、30g) を1匹入れ飼育した。哺乳類飼育室は、藻類培養室、ガス交換装置とともに25℃に調節された実験室内に置いた。なお、動物飼育室内の空気を攪拌するため、空気攪拌機(OAFAN Model9225 、SHICOH社製) を使用した。また、CO2 濃度計(Model TG-1300A、Bionics Instrument社製) および酸素濃度計(Model OM-25ANL、JIKCO 社製) を取り付けた。
【0028】
藻類培養槽(容量3リットル)にはユーグレナ・グラチリスZ(Euglena gracillis Z) ATCC 12716 の種培養(定常状態の細胞)を約1.5リットル仕込み、さらにクレイマー・マイヤース培地を加え、培養槽およびガス交換装置を含む送液ライン中を培養液で満たした。なお、この時の培養液中の細胞数は、7.75×105 細胞/mlとなった。
【0029】
実験1
図2に示す本発明のシステムにおいて気体循環ラインを閉鎖した場合
システムの閉鎖性を確認した後、実験を開始した。哺乳類飼育室の二酸化炭素濃度は、マウスが発生する二酸化炭素のため、約1時間で0.04%(400ppm)から0.3%(3000ppm)まで増加し(図3)、このマウスは動きを停止した。このとき、酸素濃度の低下も観察された。
【0030】
実験2
図2に示す本発明のシステムにおいて、非選択性気液分離膜モジュールおよびCO 2 選択性気液分離膜モジュールから成るガス交換装置を含む気体循環ラインを介して哺乳類飼育室と藻類培養槽を連結し、哺乳類飼育室ではマウスを飼育し、藻類培養槽および送液ライン中にはユーグレナを含めず培地のみを充填した場合
システムの閉鎖性を確認した後、実験を開始した。哺乳類飼育室の二酸化炭素濃度は、マウスが発生する二酸化炭素のため、最初の20分間は急激に増加し、0.04%(400ppm)から0.135%(1350ppm)にまで達した(図4)。その後、ガス交換装置を介して培養液中に二酸化炭素が溶け込むため、二酸化炭素濃度の増加速度は低下したが、引き続きゆっくりとした増加をみせ、5時間後には0.245%(2450ppm)にまで増加し、マウスの動きは停止していた。
【0031】
実験3
図2に示す本発明のシステムをすべて稼働させた場合、すなわち、非選択性気液分離膜モジュールおよびCO 2 選択性気液分離膜モジュールから成るガス交換装置を含む気体循環ラインを介して哺乳類飼育室と藻類培養槽を連結し、哺乳類飼育室ではマウスを飼育し、藻類培養槽では光を照射しながらユーグレナを培養し た場合
システムの閉鎖性を確認した後、実験を開始した。藻類培養槽には培地として前記のクレイマー・マイヤース培地を使用し、ユーグレナ・グラチリスZ ATCC 12716 の濃度は7.55×105 細胞/mlであった。哺乳類飼育室の二酸化炭素濃度は、マウスの発生する二酸化炭素のため、0.04%(400ppm)から上昇を始め、0.5時間後には0.09%(900ppm)に達したが、その後低下し、2.5時間後には0.075%(750ppm)の平衡値に達し、24時間後まで平衡を保った(図5)。この状況で、マウスの動きは大気中のものと同様正常な行動を示した。なお、光を消すと、ユーグレナは光合成を行えないため、図4に示した場合と同様の結果となった。
【0032】
以上の実験結果は、微小重力下での閉鎖系においてユーグレナなどの光合成藻類を用いる二酸化炭素リサイクルシステムが実質的に構築可能であることを示すものである。
【0033】
【発明の効果】
本発明の微少重力下における閉鎖系での二酸化炭素リサイクルシステムにより、宇宙空間などにおける閉鎖系で、ヒトなどの哺乳類が酸素を消費して発生する二酸化炭素を光合成藻類を用いてリサイクルし再び酸素に変えることが可能となり、ヒトなどの長期間生存のための重要な問題の一つが実質的に解消することになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の微少重力下における閉鎖系での二酸化炭素リサイクルシステムの概念図を示す。
【図2】図2は実施例1で用いた本発明のシステムのモデルの概念図を示す。
【図3】図3は、図2に示す本発明のシステムにおいて、哺乳類飼育室ではマウスを飼育し、気体循環ラインを閉鎖した場合の哺乳類飼育室における二酸化炭素濃度の変化を示すグラフである。
【図4】図4は、図2に示す本発明のシステムにおいて、非選択性気液分離膜モジュールおよびCO2 選択性気液分離膜モジュールから成るガス交換装置を含む気体循環ラインを介して哺乳類飼育室と藻類培養槽を連結し、哺乳類飼育室ではマウスを飼育し、藻類培養槽および送液ライン中にはユーグレナを含めず培地のみを充填した場合の哺乳類飼育室における二酸化炭素濃度の変化を示すグラフである。
【図5】図5は、図2に示す本発明のシステムを用いた場合、すなわち、非選択性気液分離膜モジュールおよびCO2 選択性気液分離膜モジュールから成るガス交換装置を介して哺乳類飼育室と藻類培養槽を連結し、哺乳類飼育室ではマウスを飼育し、藻類培養槽では光を照射しながらユーグレナを培養した場合の哺乳類飼育室における二酸化炭素濃度の変化を示すグラフである。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbon dioxide recycling system (carbon dioxide recycling apparatus) in a closed system in outer space or microgravity.
[0002]
[Prior art]
As the concept of space base construction is becoming reality, the need for long-term stay of humans or mammals in outer space is expected to increase in the future. For this purpose, a virtually unlimited supply of oxygen in a closed system is required. However, at present, no effective means has been developed, and development of a means for solving this is eagerly desired.
[0003]
Meanwhile, the present inventors have previously reported that Euglena, a kind of photosynthetic algae, can produce a large amount of algal bodies by inducing chlorophyll biosynthesis in the presence of high concentration of carbon dioxide (Aiga , Y. et al., “Growth of photosynthetic algae, Euglena, with light emitting diodes” CELSS J.9, 7-12, 1997, Nagahisa Nakano et al., “High CO of Euglena Gracilis2Adaptation to conditions and its mechanism "CELSS J.,7, 15-18, 1995). Furthermore, the present inventors have also reported that Euglena cells contain extremely high nutrients such as proteins as revealed by amino acid analysis and rat breeding tests (Nagahisa Nakano et al., “Protist, Euglena gracilis Z is a closed ecosystem. It functions as the only source of nutrition in CELSS J.,8, 7-12, 1996). These characteristics of Euglena are very important not only in terms of providing human food in outer space or in a closed system under microgravity, but also in terms of developing a photobioreactor that converts carbon dioxide to oxygen The present inventors have come to pay attention.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a carbon dioxide recycling system for converting carbon dioxide generated by a human or mammal into oxygen in a closed system in outer space or under microgravity.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have advanced research to develop a recycling system that converts carbon dioxide into oxygen as a means for supplying oxygen in space or in a closed system under microgravity. First, the present inventors have conducted their own research (Nagahisa Nakano et al., CELSS,7, 15-18 (1995), Ichiro Aga et al., CELSS, 9, 7-12 (1997)). Euglena is easy to culture (1), especially under acidic conditions, (2) High photosynthetic capacity per unit volume (about 0.6 mol CO2/ Hour ・ mThree), (3) High utilization efficiency of light energy (80% or more), (4) Resistance to high-concentration carbon dioxide (40% CO2/ Supply air, maximum growth is 5-15% CO2Carbon dioxide using photosynthetic algae, paying attention to the fact that the protein contained in (5) and (5) is extremely good as a human food. Started building a recycling system. For this purpose, carbon dioxide produced by consumption of oxygen by mammals is supplied to the photosynthetic algae culture tank, and dissolved oxygen produced by the algae is separated from the algae culture solution under microgravity and supplied to the mammal breeding room. Requires construction. The inventors of the present invention have made extensive studies, and as a constituent element, a gas-liquid separation membrane capable of efficiently separating dissolved oxygen from a culture solution under microgravity and efficiently dissolving carbon dioxide in an algae culture solution. We were able to build a gas exchange device. Furthermore, as a result of studying the culture conditions of algae, etc., as a result of using a gas circulation line including the gas exchange device installed between the algae culture tank and the mammal breeding room in a closed system under microgravity, oxygen can be obtained. Supplying carbon dioxide that is consumed and produced by mammals to photosynthetic algae, and supplying mammals with dissolved oxygen that is consumed and produced by photosynthetic algae. The present invention has been completed by successfully constructing a carbon dioxide recycling system capable of maintaining the supplied oxygen level in a steady state for a long period of time.
[0006]
  That is, the gist of the present invention is (1) a light irradiation device for supplying energy to photosynthetic algae.HaveAlgal culture tank for culturing algae in algae culture solutionWhen,Mammal breeding room for raising mammalsAnd a liquid feed line for deriving the algae culture solution from the algae culture tank and returning it to the algae culture tank; and deriving the gas from the mammal breeding room and returning it to the mammal breeding room again without direct contact with the algae culture solutionGas circulation lineWhen,Includes gas-liquid separation membrane that allows gas to pass but not waterOnly oxygen and carbon dioxide are exchanged between the liquid feed line and the gas circulation line through a gas-liquid separation membrane.Gas exchange deviceAndThe gas exchange device, A non-selective gas-liquid separation membrane module that does not greatly change its permeation rate depending on the type of gas, and CO that can preferentially pass carbon dioxide among gases 2 A selective gas-liquid separation membrane module,Carbon dioxide in the gas circulation lineAlgae in the liquid feed lineDissolve in the culture medium,AndIn the liquid feed lineBy taking dissolved oxygen in the algae culture into the gas circulation line,This is a gas exchange between oxygen generated by algae in an algae culture tank and carbon dioxide generated by a mammal in a mammal breeding room, and the amount of oxygen generated in the algae culture tank and the amount of carbon dioxide generated in a mammal breeding room are balanced. A carbon dioxide recycling system in a closed system under microgravity to maintain a balance between the amount of oxygen supplied to the mammalian breeding room and the amount of carbon dioxide supplied to the algae culture tank, (2) The photosynthetic algae are cyanobacteria, prokaryotic green algae, red algae, gray algae, crypto algae, dinoflagellates, golden algae, diatoms, brown algae, yellow green algae, hapto algae, rafido algae (green cyanobacterium), As described in (1) above, which is selected from the group consisting of chloracarnion algae, Euglena algae (Euglena algae), platino algae, green algae and axle algae (3) The system according to (1), wherein the photosynthetic algae are Euglena algae, (4) the system according to (1), wherein the photosynthetic algae are Chlorella algae, and (5) the photosynthetic algae is Chlamydomonas The system according to (1) above, which is a genus algae,(6The gas circulation line further includes a filter for removing foreign substances between the mammal breeding room and the gas exchange device.5) Any of the systems described in (7(1) to (1), wherein the blower pump is a pressure pump.6) Any of the systems described in (8(1) The light irradiation device of the algae culture tank uses sunlight as a light source, and at least a part of the algae culture device has a wall surface made of a material that transmits sunlight. ~ (7) Any of the systems described in (9(1) The light irradiation device of the algae culture tank uses an artificial light source, and the artificial light source is housed in a container made of a light-transmitting material. ~ (8) Any of the systems described in (10(1) to (1), wherein a temperature control device is further installed in the algal culture tank.9) Any of the systems described in (11(1) to (1) above, further comprising a carbon dioxide concentrator capable of preferentially introducing carbon dioxide in the mammal breeding room into the gas circulation line between the mammal breeding room and the gas exchange device.10) AnyAbout the system.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention is described in detail below.
Carbon dioxide (CO) in a closed system under microgravity of the present invention2The recycling system includes an algae culture tank for culturing algae and a mammal breeding room for raising mammals including humans, and the algae culture tank is a light irradiation device for supplying energy to photosynthetic algae. And a water flow generator for circulating the culture fluid. If necessary, a temperature control device for adjusting the culture temperature can be installed. The algae culture tank and the mammal breeding room are connected by a gas circulation line so that the dissolved oxygen in the culture solution in the algae culture tank and the gas in the mammal breeding room can be exchanged. This gas circulation line includes a gas exchange device including a gas-liquid separation membrane that allows gas to pass but not water, and a blower pump for circulating the gas in the line. This gas exchange device dissolves carbon dioxide in the gas circulation line in the algae culture solution, and takes in dissolved oxygen in the culture solution in the algae culture solution into the gas circulation line, so that the algae are contained in the algae culture tank. Gas exchange is performed between the generated oxygen and the carbon dioxide that is generated in the mammal breeding room and enters the gas circulation line. By using such a carbon dioxide recycling system of the present invention, dissolved oxygen in the culture solution in which algae are generated in the algae culture tank is efficiently taken into the gas circulation line by the gas exchange device and then supplied to the mammal breeding room. The On the other hand, carbon dioxide generated by mammals in the mammal breeding room enters the gas circulation line and is efficiently dissolved in the algae culture solution by the gas exchange device. Therefore, by adjusting the oxygen generation amount in the algal culture tank and the carbon dioxide generation amount in the mammal breeding room using the system of the present invention, the mammals in the mammal breeding room can be adjusted even in a closed system under microgravity. By culturing algae in an algae culture tank while breeding, it is possible to maintain a balance between the amount of oxygen supplied to the mammal breeding room and the amount of carbon dioxide supplied to the algae culture tank.
[0008]
In the system of the present invention, as described in the above description of the gas exchange device, a gas-liquid separation membrane for separating dissolved oxygen generated in the algal culture solution from the culture solution is an essential component of the gas exchange device. It is installed as. The reason is that it is very easy to separate dissolved oxygen in the culture solution from the culture solution in the presence of gravity, but it is very difficult to do under microgravity. Under microgravity where there is no difference in specific gravity between gas and liquid, it is not easy to separate oxygen generated in the culture solution from the culture solution. As a result of intensive studies, the present inventors discovered that dissolved oxygen in a culture solution can be efficiently separated using a gas-liquid separation membrane, and the essential components of the system of the present invention It is a thing. That is, this gas exchange device makes contact between the gas circulation line leading to the mammal breeding room and the algal culture solution in this device through the gas-liquid separation membrane, and during this time, dissolved oxygen is transferred from the algal culture solution to the gas circulation line. At the same time, it works to dissolve carbon dioxide in the algae culture solution from the gas circulation line. By using this gas exchange device, dissolved oxygen in the culture solution in which algae are generated in the algae culture tank is efficiently sent to the mammal breeding room through the gas circulation line, and carbon dioxide generated by the mammals in the mammal breeding room. Will be efficiently sent to the algae culture through the gas circulation line. This device, for example, circulates the algae culture solution in a cylinder made of a gas-liquid separation membrane, collects oxygen that has passed through the membrane and moved out of the cylinder, and circulates outside the cylinder of the gas-liquid separation membrane A device in which carbon dioxide in the gas to be dissolved is dissolved in the cylinder, that is, in the algae culture solution. The gas-liquid separation membrane preferably has a large surface area in contact with the algal culture solution as much as possible. For example, a cylinder made of a meandering gas-liquid separation membrane can be exemplified. As the gas-liquid separation membrane used in this apparatus, a non-selective porous membrane (manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd., manufactured by Daicel Chemical Co., Ltd.) can be advantageously used. The membrane is not particularly limited as long as it is a membrane that does not allow liquid to pass through and is stable for a long period of time even when contacted with an algae culture solution.
[0009]
  The gas exchange device in the system of the present invention further includes CO.2A selective gas-liquid separation membrane can be installed behind or in front of the non-selective gas-liquid separation membrane or alternately. CO2The selective gas-liquid separation membrane is a membrane that preferentially permeates carbon dioxide with different permeation rates of oxygen and carbon dioxide. CO2When a selective gas-liquid separation membrane is installed behind the above-mentioned non-selective gas-liquid separation membrane, the algae culture solution first contacts the non-selective gas-liquid separation membrane to transfer oxygen in the culture solution to the gas circulation line. Release, then CO2Carbon dioxide can be efficiently received from the gas circulation line in contact with the selective gas-liquid separation membrane. When installed in the front, the algae culture solution is CO2The carbon dioxide is efficiently received from the gas circulation line in contact with the selective gas-liquid separation membrane, and then oxygen is released to the gas circulation line in contact with the non-selective gas-liquid separation membrane. Such CO2As a selective gas-liquid separation membrane (a membrane for carbon dioxide / oxygen separation), for example, a TPX membrane (Mitsubishi Rayon Co., Ltd.) or a large cell chemical company O2/ CO2It is preferable to use a membrane such as a separation membrane. A lightweight and efficient device is particularly useful for the present invention.preferable. Also,In order to prevent clogging of the gas-liquid separation membrane, it is preferable to provide a filter for removing foreign substances between the gas exchange device and the mammal breeding room.
[0010]
The gas circulation line in the system of the present invention includes the gas exchange device described above and connects the gas exchange device, the mammal breeding room and the algal culture tank with a pipe as necessary, and further applies pressure to the circulated gas. One or more pumps are provided as needed. The material of the pipe is not particularly limited, but a lightweight, strong and non-corrosive Teflon resin or silicon tube is preferable.
[0011]
The gas circulation line in the system of the present invention is connected to a mammal breeding room to preferentially pass carbon dioxide in the mammal breeding room to reduce the carbon dioxide concentration in the mammal breeding room, and at the same time, carbon dioxide in the gas circulation line. A carbon dioxide concentrator that works to increase the concentration can be installed. This apparatus is, for example, the above TPX membrane (Mitsubishi Rayon Co., Ltd.)2/ CO2CO such as separation membrane2The selective gas-liquid separation membrane can be constituted by using it in multiple stages.
[0012]
The algae culture tank in the system of the present invention is equipped with a water flow generator. This is for sufficient mixing in the culture medium even in outer space or in microgravity. The homogenization of the culture solution is essential for optimizing the growth rate of algae by increasing the utilization efficiency of light and other nutrients such as carbon dioxide and energy source by algae. It is also useful for improving the dispersion of dissolved oxygen generated by algae and increasing the efficiency of taking up dissolved oxygen by the gas exchange device. Such a water flow generation device is not particularly limited as long as it is a device that can be normally used for water flow generation, such as a water flow pump or a propeller. Needless to say, an energy efficient device is preferable.
[0013]
The algae culture tank in the system of the present invention requires equipment for supplying light as an energy source for photosynthetic algae. This can be done by making a part of the wall of the algae culture tank with a light transmissive material, such as glass or light transmissive resin, so that sunlight can be used. It can also be achieved by mounting an artificial light source such as a light-emitting diode in a container made of a light-transmitting material as described above. Examples of such light sources include red LEDs (SLA-577JT3F, Rohm, Kyoto) and blue LEDs (Nichia Chemical Industries, Tokushima).
Furthermore, since the growth of the algae varies depending on the wavelength of the light to be applied, it is preferable to use a light source that emits light that is favorable for the growth of the algae and thus for the efficiency of oxygen generation by the algae. As such a light source, in the case of Euglena, for example, the red LED (wavelength 660 nm) or the common use (for example, 1: 1) of the red LED (wavelength 650 nm) and the blue LED (450 nm) is exemplified (Ichiro Aga et al. CELSS, 9, 7-12 (1997)).
[0014]
If necessary, a temperature control device may be attached to the algal culture tank in the system of the present invention. This is because it is necessary to suppress the temperature rise in the culture tank due to the culture of algae, control the temperature to be optimal for the growth of algae, and maximize the supply amount of oxygen. The temperature control device is not particularly limited as long as it is a device usually used in a microorganism culture tank. For example, a cool unit, a thermostat, etc. can be illustrated. In addition, although the suitable temperature of culture | cultivation of algae is 10-33 degreeC in the case of many algae containing Euglena, it is preferable to culture | cultivate at a higher temperature in the case of a thermophilic algae.
[0015]
The mammal breeding room in the system of the present invention refers to a closed space where a human lives when the mammal is a human, and refers to a closed space for raising a mammal when the mammal is an animal other than a human. Of course, the temperature and humidity are controlled and designed to be suitable for long-term survival. In order to monitor the concentration of carbon dioxide, a carbon dioxide concentration measuring device is preferably provided.
[0016]
The oxygen consumption of human (60 kg) is said to be about 250 ml / min at rest and about 2500 ml / min at maximum, and in mammals, mouse (35 g) is about 1 ml / min, pig (250 kg) is about 540 ml / min, And it is said that bovine (500 kg) is about 1040 ml / min (Rikagaku Dictionary (1998 edition)). On the other hand, the amount of carbon dioxide excreted per person is considered to be about 0.65 mol / hour at rest and usually about 1 mol / hour. In order to consume 1 mol of carbon dioxide in photosynthesis and generate equimolar oxygen, 9 mol of photons in the photosynthesis effective wavelength region (400 to 700 nm) are required. The total amount of solar radiation received by a plane facing the sun outside the Earth's atmosphere is 1.38 kW / m2Assuming that about 45% of this solar energy is available for photosynthesis, 1 m2About 10 moles of photons per hour per hour are falling outside the atmosphere of the earth (1 W / m as a relational expression between radiant flux density and photon flux density in the photosynthesis effective wavelength region in sunlight.2= 4.57 μmol photon / m2/ S). Therefore, assuming that all photons in the effective wavelength range for photosynthesis given to the culture vessel are used for photosynthesis, the photoreceptive surface of the culture vessel should always be placed at the position facing the sun on an orbiting satellite. If possible, about 1m of the light receiving surface2It is theoretically possible to convert carbon dioxide excreted by one person into oxygen using algae.
[0017]
The photosynthetic algae used in the present invention include cyanobacteria, prokaryotic green algae, red algae, gray algae, crypto algae, dinoflagellates, golden algae, diatoms, brown algae, yellow green algae, hapto algae, rafido algae (green whip) Algae), chloracranion algae, Euglena algae (Euglena algae), platino algae, green algae, axle algae, etc., and any of these can be used to achieve the object of the present invention. This is because all of these algae can consume carbon dioxide and perform photosynthesis to generate oxygen. Among them, algae having high photosynthetic ability, for example, Euglena genus algae, specifically, Euglena gracillis Z ATCC 12716, Euglena gracillis Z ATCC 12894, Euglena gracilis bal bacilaris ( Euglena gracillis var. Bacillaris) ATCC 10616, Euglena gracillis var. Preferred are Chlamydomonas algae, specifically Chlamydomonas reinhardtii ATCC 18798 and the like.
[0018]
Hereinafter, Euglena algae will be taken as an example of photosynthetic algae, and the culture conditions will be described. In addition, about other algae, the well-known conditions normally employ | adopted when carrying out photosynthesis using carbon dioxide as a carbon source can be used.
Euglena seed culture in an appropriate medium (cell density: 1-2 × 106Cells / ml) is inoculated 10-25% (v / v), irradiated with light as an energy source, and cultured with stirring. In the presence of gravity, normally sterile air (about 0.5 to 2 times the volume of the medium per minute) is blown. As a result, carbon dioxide is dissolved in the culture solution. Under microgravity, carbon dioxide in the air is introduced into the culture solution using a gas-liquid separation membrane device.
As a suitable medium, for example, Kramer-Myers medium (1.0 g of (NHFour)2HPOFour1.0g KH2POFour0.2 g MgSOFour・ 7H2O, 0.02 g CaCl2・ 2H2O, 0.8 g citric acid, 3 mg Fe2(SOFour)Three1.8 mg MnCl2・ 4H2O, 1.5 mg CoSOFour・ 7H2O, 0.4 mg ZnSOFour・ 7H2O, 0.2 mg Na2MoOFour・ 2H2O, 0.02 mg CuSOFour・ 5H2O, 0.1 mg thiamine hydrochloride, and 0.0005 mg cyanocobalamin with a pH of 3.5 to 6.8, preferably 5.5) can also be conveniently used in the present invention.
[0019]
The culture temperature is 20 to 28 ° C, preferably 25 to 27 ° C.
Usually, after a lag time of about 1 day, a logarithmic growth phase is entered, and a stationary phase is entered in about 1 week to 10 days. Under this condition, when normal air is blown, about 2 × 106Grow to cells / ml. When 5 to 20% carbon dioxide is mixed with air, the growth further increases, reaching about 2-3 times the number of cells each. If the percentage of carbon dioxide is increased to 45%, Euglena will not grow.
Even when a gas having a high carbon dioxide mixing ratio as described above is blown, the pH of the medium during culture is maintained between 4.5 and 6.0, and adjustment of the pH of the medium is unnecessary. This is a very advantageous property for the present invention.
[0020]
The light to irradiate may be sunlight, but Euglena grows actively even with light emitted by an artificial light source. According to our research (Ichiro Aiga et al., CELSS, 9, 7-12 (1997)), Euglena grows very well when irradiated with red LED alone or red LED and blue LED (1: 1). Show.
Vigorous growth means that much carbon dioxide is consumed and oxygen is released, which indicates that it is suitable as a culture condition for algae employed in the present invention.
[0021]
Furthermore, it is possible to make Euglena growth permanent by periodically collecting a part of the culture and supplying an equal amount of medium.
[0022]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited at all by these Examples.
[0023]
Example 1
As a model of the closed carbon dioxide recycling system in outer space or microgravity according to the present invention, a closed carbon dioxide recycling system including a mammal breeding room and an algal culture tank shown in FIG. 2 was constructed.
[0024]
In this experiment, a circular glass culture tank (volume: 3 liters) was custom-made to transmit light and used as an algae culture tank. Six fluorescent lamps (Purook Ball, EFT25EW, manufactured by Matsushita Electric Works) were attached around the culture tank so that the light intensity could be adjusted. In order to control the temperature in the culture tank, water adjusted to 25 ° C. with a cooling device (Carry cool LP-3000CL-A, manufactured by ORION) was circulated in the lower part of the culture tank. An air pump (APN-085LV-1, manufactured by Iwaki Glass Co., Ltd.) was used to blow air in the gas circulation line. In order to release oxygen from the culture medium to the gas circulation line and to dissolve carbon dioxide from the gas circulation line to the culture liquid, a non-selective gas-liquid separation membrane module and CO2A selective gas-liquid separation membrane module was used in combination. Non-selective gas-liquid separation membrane module and CO2In order to circulate the culture liquid through the selective gas-liquid separation membrane module, a liquid feed line including a liquid feed pump (PST-550, manufactured by Iwaki Glass Co., Ltd.) is attached, and the liquid feed speed is 0.1 liter / min. did. Since this experiment was performed in the presence of gravity (on the ground), a stirring motor and wings were attached to the culture tank for the purpose of preventing cell precipitation.
[0025]
CO2Mitsubishi Rayon's TPX membrane was used for the selective gas-liquid separation membrane module. This membrane is capable of carbon dioxide 1 ml / min (carbon dioxide released by one mouse 0.2-0.4m to take out2Is enough. In this experiment, one mouse is bred in a mammal breeding room.2TPX membrane is enough, but with a margin, 1.5m2A TPX membrane was used.
[0026]
Non-selective porous membrane (Mitsubishi Rayon Co., Ltd.) 1.5m is used for non-selective gas-liquid separation membrane module.2Was used to collect the abundant oxygen generated in the culture solution.
[0027]
The mammal breeding room has a size of 32 x 32 x 30 cm (volume of about 30 liters), and the air pump supplies 6 liters / minute of air to the gas circulation line at a pressure of 0.8 kg / cm.2It was blown with. The mammal breeding room and the algal culture tank are gas exchange devices (non-selective gas-liquid separation membrane module and CO2A selective gas-liquid separation membrane module) was sandwiched and connected. One mouse (Balb / c, male, 15 weeks old, 30 g) was placed in the mammal breeding room and bred. The mammal breeding room was placed in a laboratory controlled at 25 ° C. together with an algae culture room and a gas exchange device. An air stirrer (OAFAN Model 9225, manufactured by SHICOH) was used to stir the air in the animal breeding room. CO2A densitometer (Model TG-1300A, manufactured by Bionics Instrument) and an oximeter (Model OM-25ANL, manufactured by JIKCO) were attached.
[0028]
The algae culture tank (capacity: 3 liters) is charged with about 1.5 liters of seed culture (steady state cells) of Euglena gracillis Z ATCC 12716, added with Kramer-Myers medium, and the culture tank and gas The liquid feeding line including the exchange device was filled with the culture solution. The number of cells in the culture solution at this time is 7.75 × 10FiveCells / ml.
[0029]
Experiment 1
When the gas circulation line is closed in the system of the present invention shown in FIG.
The experiment was started after confirming the closure of the system. The carbon dioxide concentration in the mammal room increases from 0.04% (400ppm) to 0.3% (3000ppm) in about 1 hour due to the carbon dioxide generated by the mouse (Figure 3). Stopped. At this time, a decrease in oxygen concentration was also observed.
[0030]
Experiment 2
In the system of the present invention shown in FIG. 2, a non-selective gas-liquid separation membrane module and CO 2 A mammal breeding room and an algae culture tank are connected via a gas circulation line including a gas exchange device consisting of a selective gas-liquid separation membrane module, and mice are raised in the mammal breeding room. When only the medium is filled without Euglena
The experiment was started after confirming the closure of the system. The carbon dioxide concentration in the mammalian room increased sharply during the first 20 minutes due to the carbon dioxide generated by the mice, reaching 0.04% (400 ppm) to 0.135% (1350 ppm) (FIG. 4). ). Thereafter, carbon dioxide dissolves in the culture solution via the gas exchange device, so the rate of increase in the carbon dioxide concentration decreased, but continued to increase slowly, reaching 0.245% (2450 ppm) after 5 hours. Increased and mouse movement stopped.
[0031]
Experiment 3
When all the systems of the present invention shown in FIG. 2 are operated, that is, a non-selective gas-liquid separation membrane module and CO 2 A mammal breeding room and an algae culture tank are connected via a gas circulation line including a gas exchange device consisting of a selective gas-liquid separation membrane module, and mice are raised in the mammal breeding room, while Euglena is irradiated with light in the algae culture tank. Cultivate If
The experiment was started after confirming the closure of the system. The above-mentioned Kramer-Myers medium is used as the medium for the algae culture tank, and the concentration of Euglena gratis ris ATCC 12716 is 7.55 × 10 5.FiveCells / ml. The carbon dioxide concentration in the mammal room began to rise from 0.04% (400ppm) due to the carbon dioxide generated by the mouse, and reached 0.09% (900ppm) after 0.5 hours, but then declined. After 2.5 hours, an equilibrium value of 0.075% (750 ppm) was reached, and the equilibrium was maintained until 24 hours later (FIG. 5). In this situation, mouse movements displayed normal behavior similar to those in the atmosphere. When the light was turned off, Euglena could not perform photosynthesis, and the result was the same as that shown in FIG.
[0032]
The above experimental results indicate that a carbon dioxide recycling system using photosynthetic algae such as Euglena can be substantially constructed in a closed system under microgravity.
[0033]
【The invention's effect】
The carbon dioxide recycling system in a closed system under microgravity of the present invention recycles carbon dioxide generated by consumption of oxygen by mammals such as humans using photosynthetic algae in a closed system in outer space, etc., to oxygen again. One of the important problems for long-term survival, such as humans, will be substantially eliminated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a conceptual diagram of a carbon dioxide recycling system in a closed system under microgravity according to the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram of a model of the system of the present invention used in the first embodiment.
FIG. 3 is a graph showing changes in carbon dioxide concentration in a mammal breeding room when a mouse is raised in the mammal breeding room and the gas circulation line is closed in the system of the present invention shown in FIG. 2;
4 shows a non-selective gas-liquid separation membrane module and CO in the system of the present invention shown in FIG.2A mammal breeding room and an algal culture tank are connected via a gas circulation line including a gas exchange device consisting of a selective gas-liquid separation membrane module, and mice are raised in the mammal breeding room. It is a graph which shows the change of the carbon dioxide concentration in the mammal breeding room at the time of filling only a culture medium without including Euglena.
FIG. 5 shows a case where the system of the present invention shown in FIG. 2 is used, that is, a non-selective gas-liquid separation membrane module and a CO.2When a mammalian breeding room and an algal culture tank are connected via a gas exchange device consisting of a selective gas-liquid separation membrane module, mice are raised in the mammalian breeding room, and Euglena is cultured while irradiating light in the algal culture tank. It is a graph which shows the change of the carbon dioxide concentration in a mammal breeding room.

Claims (11)

光合成藻類にエネルギーを供給するための光照射装置を有し藻類培養液中で藻類を培養するための藻類培養槽と、
哺乳類を飼育するための哺乳類飼育室と、
前記藻類培養槽から藻類培養液を導出し再び前記藻類培養槽に戻す送液ラインと、
前記哺乳類飼育室からガスを導出し藻類培養液と直接接触させることなく再び前記哺乳類飼育室に戻す気体循環ラインと、
気体を通すが水を通さない気液分離膜を含み前記送液ラインと前記気体循環ラインとの間で気液分離膜を介して酸素と二酸化炭素の交換を行うガス交換装置とを備え、
前記ガス交換装置は、気体の種類によってその透過速度を大きく異にすることのない非選択性気液分離膜モジュールと、気体の中でも二酸化炭素を優先的に通すことが可能なCO 選択性気液分離膜モジュールとを有し、前記気体循環ライン中の二酸化炭素を前記送液ライン中の藻類培養液内に溶解させかつ前記送液ライン中の藻類培養液内の溶存酸素を該気体循環ライン内に取り込むことにより藻類培養槽内で藻類が発生する酸素と哺乳類飼育室内で哺乳類が発生する二酸化炭素とのガス交換を行うものであり、
そして藻類培養槽における酸素発生量と哺乳類飼育室における二酸化炭素発生量は均衡するように調節されるものである、哺乳類飼育室に供給する酸素の量と藻類培養槽に供給する二酸化炭素の量の均衡を維持させるための微少重力下での閉鎖系における二酸化炭素リサイクルシステム。
An algae culture tank for culturing algae in an algae culture solution having a light irradiation device for supplying energy to photosynthetic algae ;
A mammal breeding room for raising mammals ;
A liquid feed line for deriving the algae culture solution from the algae culture tank and returning it back to the algae culture tank;
A gas circulation line for deriving gas from the mammal breeding room and returning it to the mammal breeding room again without direct contact with the algae culture solution ;
Passing the gas is a gas exchange apparatus for exchanging oxygen and carbon dioxide through a gas-liquid separation film between the gas-liquid separation membrane impervious to water and unrealized the feed line and the gas circulation line,
The gas exchange device includes a non-selective gas-liquid separation membrane module that does not greatly change its permeation rate depending on the type of gas, and a CO 2 selective gas that can preferentially pass carbon dioxide among gases. and a liquid separation membrane module, wherein the carbon dioxide in the gas circulation line dissolved in algae culture in in the liquid sending line, and dissolved oxygen the gas circulation of the algal culture in in the feed line By taking in the line, gas exchange between oxygen generated by algae in the algae culture tank and carbon dioxide generated by mammals in the mammal breeding room,
The amount of oxygen generated in the algae culture tank and the amount of carbon dioxide generated in the mammal breeding room are adjusted so as to balance, the amount of oxygen supplied to the mammal breeding room and the amount of carbon dioxide supplied to the algae culture tank. Carbon dioxide recycling system in a closed system under microgravity to maintain equilibrium.
該光合成藻類が藍藻類、原核緑藻類、紅藻類、灰色藻類、クリプト藻類、渦鞭毛藻類、黄金色藻類、珪藻類、褐藻類、黄緑藻類、ハプト藻類、ラフィド藻類(緑色鞭藻類)、クロララクニオン藻類、ミドリムシ藻類(ユーグレナ藻類)、プラシノ藻類、緑藻類および車軸藻類からなる群より選択されるものである請求項1記載のシステム。  The photosynthetic algae are cyanobacteria, prokaryotic green algae, red algae, gray algae, crypto algae, dinoflagellate algae, golden algae, diatoms, brown algae, yellow green algae, hapto algae, rafido algae (green whit algae), chloracarnion The system according to claim 1, wherein the system is selected from the group consisting of algae, Euglena algae (Euglena algae), platino algae, green algae and axle algae. 該光合成藻類がユーグレナ属藻類である請求項1記載のシステム。  The system according to claim 1, wherein the photosynthetic algae are Euglena algae. 該光合成藻類がクロレラ属藻類である請求項1記載のシステム。  The system according to claim 1, wherein the photosynthetic algae is a Chlorella algae. 該光合成藻類がクラミドモナス属藻類である請求項1記載のシステム。  The system according to claim 1, wherein the photosynthetic algae is Chlamydomonas algae. 該気体循環ラインが哺乳類飼育室とガス交換装置の間に異物除去用のフィルターをさらに含むものである請求項1〜請求項いずれか1項に記載のシステム。The system according to any one of claims 1 to 5, wherein the gas circulation line further includes a filter for removing foreign substances between the mammal breeding room and the gas exchange device. 該送風用ポンプが加圧ポンプである請求項1〜請求項いずれか1項に記載のシステム。The system according to any one of claims 1 to 6, wherein the blower pump is a pressure pump. 該藻類培養槽の光照射装置が太陽光を光源とするものであり、かつ、藻類培養装置の少なくとも一部が太陽光を透過する素材で作られた壁面を有するものである請求項1〜請求項いずれか1項に記載のシステム。The light irradiation device of the algae culture tank uses sunlight as a light source, and at least a part of the algae culture device has a wall surface made of a material that transmits sunlight. Item 8. The system according to any one of Items 7 . 該藻類培養槽の光照射装置が人為的光源を使用するものであり、かつ、該人為的光源が光透過性素材で作成された容器の中に収容されているものである請求項1〜請求項いずれか1項に記載のシステム。The light irradiation device of the algae culture tank uses an artificial light source, and the artificial light source is housed in a container made of a light transmissive material. Item 9. The system according to any one of Items 8 . 該藻類培養槽に温度制御装置がさらに設置されているものである請求項1〜請求項いずれか1項に記載のシステム。The system according to any one of claims 1 to 9 , wherein a temperature control device is further installed in the algal culture tank. 該哺乳類飼育室と該ガス交換装置の間に該哺乳類飼育室内の二酸化炭素を優先的に気体循環ラインに導入することができる二酸化炭素濃縮装置をさらに設置するものである請求項1〜請求項10いずれか1項に記載のシステム。Claims 1 in which further installing the carbon dioxide concentration apparatus capable of introducing carbon dioxide of the mammal rearing chamber preferentially gas circulating line between said mammal breeding chamber and the gas exchange apparatus 10 The system according to any one of the above.
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