JP5657938B2

JP5657938B2 - 光合成微細藻類の循環式培養方法

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Publication number: JP5657938B2
Application number: JP2010163800A
Authority: JP
Inventors: クワンホキム; ヒーギューカン; ヨンイルクウォン; スンジョンキム; ヒージョウンイム; ミジョンキム
Original assignee: カイロスグローバルカンパニーリミテッド; ウルチユニバーシティインダストリーアカデミーコーオペレーションファウンデーション; キム、クワンホ
Priority date: 2010-07-21
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2030-07-21
Also published as: JP2012023990A

Description

本発明は、光合成微細藻類の循環式培養方法に関する。さらに具体的に、本発明は、第１培養部、管状の第２培養部、及び前記第１培養部及び第２培養部を連結するポンプ部を備えた循環型の光生物反応器を利用した光合成微細藻類の循環式培養方法に関する。

現在、全世界的に耕作されている農作物類は、人類の主な食糧供給源として使われて来たが、農地面積当たりの収穫量が多くなく、太陽エネルギーの利用率が極めて低い。これに比べて、水中で太陽エネルギーと二酸化炭素、少量含有された無機塩類で生育することができる微細光合成藻類は、農作物の生育が不可能な地域でも生育が可能であり、農作物と比較して単位耕作面積当たり２０倍以上のタンパク質を得ることができるだけではなく、多種の有用物質と微生物あるいは動植物細胞から生産が不可能な天然の珍しい物質の生産が可能である。特に、細胞の大きさが大きな藻類は、容易に沈澱されて多様な方法によって抽出及び分離することが可能であり、主なエネルギー源として太陽エネルギーを使うことで、地球上に照射される太陽エネルギーの効率的な利用が可能であり、炭素源として二酸化炭素を使い、副産物として酸素を放出する光合成過程を有しており、大気汚染を低める機能も有している。

これにより、主にクロレラ（Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ）属、ドナリエラ（Ｄｕｎａｌｉｅｌｌａ）属、スピルリナ（Ｓｐｉｒｕｌｉｎａ）属、この中でも、スピルリナ属の光合成微細藻類（以下、便宜上、「スピルリナ」と称する）は、他の微細光合成藻類に比べて細胞の大きさが大きく、アルカリ汚染性の環境でも容易に成長することができる藻類であって、食品、医薬、工業用製品などの多様な製品に応用されており、研究が活発に進められている。一方、大韓民国は、四季が明らかで季節による温度変化及び日照量の差が激しい気候的な特性のために、スピルリナの野外培養よりは室内培養と関連した技術が開発されている。

例えば、特許文献１には、ＮａＯＨの代わりに炭を付け加えてｐＨを調節すると同時に、炭素源として活用してスピルリナ藻類を培養する方法が開示されており、特許文献２には、スピルリナ藻類の成長最適化及び最大収獲のために、窒素及び炭素の濃度を調節した培地組成物が開示されており、特許文献３には、上部に蓋を備えて内部にｐＨセンサーと分散器とが設けられた培養水槽、蛍光灯が備えられた培養水槽枠、ｐＨ調節器、エアポンプ及び二酸化炭素培養タンクを含む微細藻類用の高密度培養装置が開示されており、特許文献４には、培養容器を横に配された内部筒と外部筒とからなる二重円筒状に成形すると同時に、少なくとも外部筒を可視光線を透過する透明材料で構成し、ガス注入口を培養容器内の下部に開口させた微細藻類の培養装置が開示されている。しかし、炭を利用する場合には、炭にスピルリナ藻類が吸着されて、結果的には、生産性を悪化させるという問題点があり、新たな培地を使う場合には、生産性の向上程度より培養液の単価上昇程度がさらに高くて、実際に活用されることができなかった。それだけではなく、スピルリナ藻類は、光合成細菌に属するので、スピルリナ藻類を培養する場合には、光を十分な量で照射しなければならないが、培養時間が経過するにつれて培養装置の表面にスピルリナ藻類が固着されて、光の照射量を減少させるので、経時的に培養効率が低下するという問題点があった。

大韓民国特許公開第２００４−００７３６９３号大韓民国特許公開第２００６−１７０３３号大韓民国特許登録第４２０４９２号大韓民国特許登録第６０９７３６号

しかし、前述した培養方法を使って雑菌の汚染を防止することはできたが、培養装置の表面に増殖された光合成微細藻類が過度に固着されて、経時的に培養効率が低下するという問題点は相変らず解決されていない実情である。このような問題を解決することができれば、光合成微細藻類の培養効率が著しく増大して、より経済的に光合成微細藻類を生産することが期待されるが、いまだには何らの成果が報告されていない。本発明は、光合成微細藻類の固着を減少させて光合成微細藻類の培養効率を増大させることができる培養方法を提供する。

本発明者は、培養装置の表面に増殖された光合成微細藻類が過度に固着される問題点を解決しようと鋭意研究努力した結果、通常の光生物反応器に、培養配管及びポンプが追加的に備えられた管状の光生物反応器を用いて光合成微細藻類を循環式で培養する場合、光合成微細藻類の培養液が光に露出される面積が極大化され、前記培養液が循環されて、培養装置の表面に増殖された光合成微細藻類が過度に固着されないということを確認し、本発明を完成した。

本発明の一形態による光合成微細藻類の循環式培養方法が提供される。前記循環式培養方法は、（ｉ）円筒形の培養タンクと前記培養タンクの内部または外部に配置される第１光源とを有する第１培養部と、多重で折れた形態で構成された培養配管と前記培養配管の折れた構造の間に多重で提供される第２光源とを有して前記第１培養部に連結された第２培養部と、前記第１培養部及び前記第２培養部の間で培養液を循環させるポンプ部と、を備えた光生物反応器において、前記第１培養部にスピルリナ属の微生物が接種された培養液を投入し、４，０００〜８，０００Ｌｕｘの照度の光を照射して初度培養する段階と、
（ｉｉ）前記初度培養が終了した後、新鮮な培養液をさらに投入して、初度培養された前記培養液と混合した後、該混合された培養液を前記ポンプ部を通して前記第２培養部に移動させる段階と、（ｉｉｉ）前記第２培養部で２０〜３０ｃｍ／ｓの流速で調節されながら移動する培養液に４，０００〜８，０００Ｌｕｘの照度の光を照射して追加培養する段階と、（ｉｖ）前記追加培養された前記培養液を再び前記第１培養部に循環させる段階と、（ｖ）培養が終了した後、前記培養液を回収し、回収した前記培養液を濾過してスピルリナ属の微生物の菌体を収得する段階と、を含み、前記段階（ｉ）の初度培養時、前記第１培養部の培養タンクに二酸化炭素及び窒素の混合ガスを供給することによって、スピルリナ属の微生物の光合成を行い、前記第１培養部の培養タンク内の圧力を０．１〜１．０ｋｇ／ｃｍ ^２ｆの陽圧に維持して空気を通じる雑菌の汚染を防止する。

本発明の他の形態による循環式培養方法が提供される。前記循環式培養方法は、（ｉ）円筒形の培養タンクと前記培養タンクの内部または外部に配置される第１光源とを有する第１培養部と、多重で折れた形態で構成された培養配管と前記培養配管の折れた構造の間に多重で提供される第２光源とを有して前記第１培養部に連結された第２培養部と、前記第１培養部及び前記第２培養部の間で培養液を循環させるポンプ部と、を備えた光生物反応器において、前記第１培養部にスピルリナ属の微生物が接種された培養液を投入し、４，０００〜８，０００Ｌｕｘの照度の光を照射して初度培養する段階と、（ｉｉ）前記初度培養が終了した後、新鮮な培養液をさらに投入して、初度培養された前記培養液と混合した後、該混合された培養液を前記ポンプ部を通じて前記第２培養部及び前記第１培養部の順序で循環させ、前記第２培養部で２０〜３０ｃｍ／ｓの流速で調節されながら移動する培養液に４，０００〜８，０００Ｌｕｘの照度の光を照射して追加培養する段階と、（ｉｉｉ）培養が終了した後、培養液を回収し、回収した前記培養液を濾過してスピルリナ属の微生物の菌体を収得する段階と、を含み、前記段階（ｉ）の初度培養時、前記第１培養部の培養タンクに二酸化炭素及び窒素の混合ガスを供給することによって、スピルリナ属の微生物の光合成を行い、前記第１培養部の培養タンク内の圧力を０．１〜１．０ｋｇ／ｃｍ ^２ｆの陽圧に維持して空気を通じる雑菌の汚染を防止する。

本発明の光合成微細藻類の循環式培養方法を使えば、培養装置の表面に光合成微細藻類の固着を防止して、光合成微細藻類の培養効率を増大させることができるので、スピルリナを含む光合成微細藻類のより経済的な生産に広く活用されうる。

本発明の光合成微細藻類の循環式培養方法に利用される光生物反応器の一実施形態を示す概要図である。本発明の光合成微細藻類の循環式培養方法に利用される光生物反応器に含まれた第１培養部の一実施形態を示す断面図である。本発明の光合成微細藻類の循環式培養方法に利用される光生物反応器に含まれた第２培養部の一実施形態を示す平面図である。

本発明者は、スピルリナを含む光合成微細藻類を培養するに当って、培養装置の表面に光合成微細藻類が過度に固着される原因を把握しようと多様な研究を行った。その結果、光合成微細藻類が過度に固着される原因は、二つに把握されたが、一つは、光合成微細藻類を培養するに当って、明条件と暗条件とを規則的に付与することによって、光合成微細藻類の成長だけではなく、個体数の増殖がともに隋伴されるものであり、他の一つは、光合成微細藻類の培養時に培養液がほとんど流動されないか、または培養液の流動が制限されて培養液の流動程度が少ない部位で光合成微細藻類の固着が始まり、これより固着された領域が拡張されるものである。

本発明者は、前記原因を除去するために、光合成微細藻類の培養時に明条件のみを付与することで、光合成微細藻類の個体数の増殖速度を低下させ、攪拌機を用いて培養液を十分に流動させようとしたが、攪拌機が備えられた形態の光生物反応器を使う場合、攪拌機の撹拌速度を増加させても、培養液を十分に流動させることができないということを確認した。

これにより、攪拌機を使う方式ではない他の方式で光合成微細藻類を含む培養液を流動させようとしたが、培養液自体を循環させる方式を利用する場合、攪拌機を使う方式よりも培養液を十分に流動させることができるということを確認し、従来のスピルリナ培養器に光源が付着された培養配管及びポンプを備えた管状のスピルリナ培養装置を用いて培養液自体を循環させる方式でスピルリナを培養する方法を考案した。

本発明によれば、従来の光合成微細藻類の培養方法とは異なって、第２光源によって光の照射が可能な培養配管及び前記培養配管と光生物反応器の本体との間を連結し、これらの間で培養液の循環を可能にするポンプが備えられた循環型の光生物反応器を用いて、前記培養配管及び光生物反応器の本体の間で培養液を一定速度で循環させ、光が供給される培養配管の面積を極大化し、培養液を全体的に十分に流動させることによって、培養配管の表面に光合成微細藻類が固着されないようにしながら、光合成微細藻類を培養することができる。

以下、本発明の光合成微生物の循環式培養方法をより詳細に説明する。

本発明の一形態による光合成微生物の循環式培養方法は、
（ｉ）光生物反応器の第１培養部に、対象光合成微細藻類が接種された培養液を投入し、光を照射して初度培養する段階と、
（ｉｉ）前記初度培養が終了した後、新鮮な培養液をさらに投入して、初度培養された前記培養液と混合した後、該混合された培養液を前記光生物反応器の前記第１培養部に連結された管状の第２培養部に移動させる段階と、
（ｉｉｉ）前記第２培養部に移動した前記培養液に光を照射して追加培養する段階と、
（ｉｖ）前記追加培養された培養液を再び前記光生物反応器の前記第１培養部に循環させる段階と、
（ｖ）培養が終了した後、前記培養液を回収し、回収した前記培養液を濾過して光合成微細藻類の菌体を収得する段階と、を含む。

この際、前記段階（ｉ）で、対象光合成微細藻類は、特にこれに制限されるものではないが、クロレラ（Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ）属、ドナリエラ（Ｄｕｎａｌｉｅｌｌａ）属、スピルリナ（Ｓｐｉｒｕｌｉｎａ）属の微細藻類であることが望ましく、スピルリナ属の微細藻類であることがさらに望ましい。前記培養対象微生物の接種液は、培養タンクに備えられた接種注入口または培地注入口を通じて注入されることが望ましいが、これに制限されるものではない。また、前記段階（ｉ）で、光生物反応器の第１培養部は、光の照射のために第１光源を備えており、前記第１光源は、第１培養部の内部に装着されるか、または外部に装着されるが、前記第１光源が、第１培養部の内部を照射できるように第１培養部の壁体が透明素材で構成されているか、透明素材で構成された採光窓を備えていることが望ましい。前記段階（ｉ）で、照射される光の照度は、特にこれに制限されるものではないが、４，０００〜８，０００Ｌｕｘであることが望ましく、初度培養温度は、特にこれに制限されるものではないが、３２〜３８℃であることが望ましい。前記段階（ｉｉ）で、第２培養部の一末端は、前記光生物反応器の本体の培養液排出口と連結されたポンプ部と連結されるが、表面積を最大化するためにジグザグの形態に屈折された管で構成されることが望ましいが、これに制限されるものではない。段階（ｉｉｉ）で、照射される光の照度は、４，０００〜８，０００Ｌｕｘであることが望ましいが、これに制限されるのではなく、前記追加培養温度は、特にこれに制限されるものではないが、３２〜３８であることが望ましい。望ましい一実施形態で、前記第２培養部の培養配管で循環中である培養液の流速は、流速調節器で調節される。前記流速調節器は、前記ポンプ部に電気的に連結されるか、ポンプ部内に内蔵されることが望ましいが、これに制限されるものではない。前記流速は、５〜５０ｃｍ／ｓに調節されることが望ましく、１０〜４０ｃｍ／ｓに調節されることがさらに望ましく、２０〜３０ｃｍ／ｓに調節されることが最も望ましい。前記培養液の流速の調節は、スピルリナのような微細藻類の成功的な培養のために重要な因子であるが、これは、スピルリナの場合、多細胞性の螺旋形の微細藻類として培養基の内壁によく付着される性質を有しているためである。流速が低い場合には、微細藻類の付着が発生し、不適切な流体動力学（ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ）によって、ガス交換及び光の照射が不良になる。逆に、流速が高い場合には、スピルリナ内の有用物質の損失をもたらす。したがって、前記流速は、適切に調節されなければならない。

一方、前記段階（ｉ）の初度培養及び段階（ｉｉｉ）の追加培養時のｐＨは、特にこれに制限されるものではないが、８．５〜１０に維持することが望ましい。

本発明の一実施形態で、前記第１培養部は、培養タンクを含み、前記第１培養部及び前記第２培養部の間で、前記培養液の移動及び循環は、ポンプを用いて行うことが望ましいが、これに制限されるものではない。この場合、前記第１培養部を通じて二酸化炭素及び窒素の混合ガスを供給することによって、光合成微細藻類の光合成を行い、第１培養部内の陽圧を維持して空気を通じる雑菌の汚染を防止することが望ましく、前記陽圧の範囲は、特にこれに制限されるものではないが、通常的な微細藻類の培養時に使われる０．１〜１．０ｋｇ／ｃｍ^２ｆであることが望ましい。

本発明の他の形態による光合成微生物の循環式培養方法は、
（ｉ）培養タンクを有する第１培養部と、管状である第２培養部と、前記第２培養部の間に連結されたポンプ部とを備えた光生物反応器において、前記第１培養部に、対象光合成微細藻類が接種された培養液を投入し、光を照射して初度培養する段階と、
（ｉｉ）前記初度培養が終了した後、新鮮な培養液をさらに投入して、初度培養された前記培養液と混合した後、該混合された培養液を前記ポンプ部を通じて前記第２培養部及び前記第１培養部の順序で循環させ、前記第２培養部に光を照射して追加培養する段階と、（ｉｉｉ）培養が終了した後、培養液を回収し、回収した前記培養液を濾過して光合成微細藻類の菌体を収得する段階と、を含む。

この際、前記段階（ｉ）で、培養対象の光合成微細藻類は、特にこれに制限されるものではないが、クロレラ属、ドナリエラ属、スピルリナ属の微細藻類であることが望ましく、スピルリナ属の微細藻類であることがさらに望ましい。前記培養対象微生物の接種液は、培養タンクに備えられた接種注入口または培地注入口を通じて注入されることが望ましいが、これに制限されるものではない。また、前記段階（ｉ）で、第１培養部は、光の照射のために第１光源を備えており、前記第１光源は、光生物反応器の内部に装着されるか、または外部に装着されるが、外部に装着される場合には、前記第１光源が培養タンクの内部を照射できるように培養タンクの壁体が透明素材で構成されているか、透明素材で構成された採光窓を備えていることが望ましい。前記段階（ｉ）で、第１培養部に照射される光の照度は、特にこれに制限されるものではないが、４，０００〜８，０００Ｌｕｘであることが望ましく、初度培養温度は、特にこれに制限されるものではないが、３２〜３８℃であることが望ましい。

段階（ｉｉ）で、第２培養部に照射される光の照度は、４，０００〜８，０００Ｌｕｘであることが望ましいが、これに制限されるものではなく、前記追加培養温度は、特にこれに制限されるものではないが、３２〜３８℃であることが望ましい。

望ましい一実施形態で、前記第２培養部の培養配管で循環中である培養液の流速は、流速調節器で調節される。前記流速調節器は、前記ポンプ部に電気的に連結されるか、ポンプ部内に内蔵されることが望ましいが、これに制限されるものではない。前記流速は、５〜５０ｃｍ／ｓに調節されることが望ましく、１０〜４０ｃｍ／ｓに調節されることがさらに望ましく、２０〜３０ｃｍ／ｓに調節されることが最も望ましい。流速調節の重要性は、上述した通りである。

一方、前記段階（ｉ）の初度培養及び段階（ｉｉ）の追加培養時のｐＨは、特にこれに制限されるものではないが、ｐＨ８．５〜１０に維持することが望ましい。同時に、第１培養部を通じて二酸化炭素及び窒素の混合ガスを供給することによって、光合成微細藻類の光合成を行い、培養タンク内に陽圧を維持して空気を通じる雑菌の汚染を防止することが望ましく、前記陽圧の範囲は、特にこれに制限されるものではないが、通常的な微細藻類の培養時に使われる０．１〜１．０ｋｇ／ｃｍ^２ｆであることが望ましい。

以下、本発明の光合成微細藻類の循環式培養方法に使われる光生物反応器を添付図面を用いて具体的に説明する。

図１は、本発明の循環式培養方法に使われる光生物反応器の一実施形態を示す概要図である。図１に示されたように、前記光生物反応器は、大きく第１培養部１００、第２培養部３００及び前記第１培養部１００及び第２培養部３００の間に培養液を循環させるように、前記第１培養部１００及び第２培養部３００に連結されたポンプ部２００を含む。

第１培養部１００、ポンプ部２００及び第２培養部３００は、互いに連通されており、培養液が、第１培養部１００→ポンプ部２００→第２培養部３００→第１培養部１００の順序で循環しながら、光合成微細藻類を培養できるようにする。

第２培養部３００は、第１培養部１００の外部に離隔して配されうる。第１培養部１００は、図１に示したように、円筒形で提供されることがあるが、この実施例が、これに制限されるものではない。例えば、第１培養部１００の形状は、多角筒状に多様に変形されうる。第２培養部３００は、管状に提供され、例えば、多様な形状に成形された配管を含みうる。

ポンプ部２００は、培養液が第１培養部１００及び第２培養部３００の間で循環するように構成することができる。例えば、ポンプ部２００は、第１培養部１００と第２培養部３００との間に存在し、第１培養部１００の第１培養液排出口１３２と連通される第３培養液流入口２１０、ポンプ２２０及び第２培養部３００の第２培養液流入口３１０と連通する第３培養液排出口２３０を備えることができる。これにより、第１培養部１００から流入された培養液が第２培養部３００に伝達され、結果的に、培養液が、第１培養部１００→ポンプ部２００→第２培養部３００→第１培養部１００の順序で循環する。前記ポンプ部２００は、前記２培養部３００を循環する培養液の流速をポンプ部２００に電気的に連結された流速調節器を通じて調節することができる。望ましい実施形態で、前記流速器は、前記ポンプ部２００に内蔵される。前記培養液の流速の調節は、スピルリナのような微細藻類の成功的な培養のために重要な因子であるが、これは、スピルリナの場合、多細胞性の螺旋形の微細藻類として培養基の内壁によく付着される性質を有しているためである。流速が低い場合には、微細藻類の付着が発生し、不適切な流体動力学によって、ガス交換及び光の照射が不良になる。逆に、流速が高い場合には、スピルリナ内の有用物質の損失をもたらす。したがって、前記流速は、適切に調節されなければならない。前記流速を１〜５０ｃｍ／ｓに調節することが望ましい。さらに望ましくは、前記流速は、１０〜５０ｃｍ／ｓであり、最も望ましい実施形態で、前記流速は、２０〜３０ｃｍ／ｓである。

図２は、本発明の光生物反応器に含まれた第１培養部１００の一実施形態を示す断面図である。図２に示されたように、第１培養部１００には、円筒形培養タンク１０１、接種注入口１１０、ガス注入口１１１、センサー装着ポート１２０、第１培養液流入口１３１、第１培養液排出口１３２及び最終排出口１３３、圧力調節弁１１２及び培地注入口１３４、第１光源１４０及び攪拌機１５０、及び温度調節器１６０が結合されうる。

例えば、接種注入口１１０は、培養タンク１０１の上端に結合され、ガス注入口１１１及びセンサー装着ポート１２０は、培養タンク１０１の下部に結合され、圧力調節弁１１２及び培地注入口１３４は、培養タンク１０１の上部に結合されうる。しかし、このような配置は、例示的に提供され、培養タンク１０１の形状などの変形によって多様に変形されうる。

最初の初度培養時、光合成微細藻類の接種液は、接種注入口１１０または培地注入口１３４を通じて注入可能であるが、滅菌環境を維持するため、接種注入口１１０を通じて注入されることが望ましい。

一方、ガス注入口１１１は、多様なガス、例えば、窒素と二酸化炭素との混合ガスを培養タンク１０１内に注入するように提供されることがある。これにより、培養タンク１０１の内部圧力を外部より高い陽圧に維持させ、光合成微細藻類の培養中に外部から由来された雑菌の流入を防止することができる。この際、陽圧の範囲は、特にこれに制限されるものではないが、通常的な微細藻類の培養時に使われる０．１〜１．０ｋｇ／ｃｍ^２ｆであることが望ましい。

前記センサー装着ポート１２０には、培養中である培養物の培養状態を確認するために、多様なセンサー装置、例えば、ｐＨセンサー、二酸化炭素濃度センサー、溶存酸素濃度センサー及び温度センサーが装着されうる。

一方、前記第１培養液流入口１３１を通じて前記第２培養部３００から移動した培養液が第１培養部１００に流入され、第１培養液排出口１３２を通じて第１培養部１００からポンプ部２００に培養液が流出され、培養が終了した培養液は、最終排出口１３３を通じて第１培養部１００の外部に放出される。

例えば、圧力調節弁１１２は、光合成微細藻類の培養時に発生する酸素の圧力によって開閉される一方向（ｏｎｅ−ｗａｙ）弁であって、前記培養部の内部圧力が外部圧力に比べて陽圧に維持される場合には、弁が開放されてガスを外部に排出するが、内部圧力が低下する場合には、弁が閉鎖されてガスの排出が停止されるように構成することができる。

前記培地注入口１３４は、末端が球型である棒状の管（ｔｕｂｅ）であって、球型の末端の表面には、多数の細孔が存在するスプレーボール状に提供されることがある。これを通じて培地を微細な水流で第１培養部１００に分散供給することによって、培地注入口１３４は、培養部の内部で発生した泡を除去する役割を果たすこともでき、培養が完全に終了して培養物を排出した後、第１培養部１００、ポンプ部２００及び第２培養部３００の内部を洗浄するための洗浄剤を供給する用途としても使われる。

前記第１光源１４０は、光合成微細藻類の培養時に光合成を行うことができる光を発光する装置であって、自然光と似ている三波長または五波長の光を発散するが、この際、光源の照度及び明暗周期は、培養条件によって自動変動させることが望ましい。例えば、第１光源１４０は、培養タンク１０１の内部に配置される。他の例として、培養タンク１０１が光を透過させる材質で構成されているか、培養タンク１０１の一部分に光を透過することができる採光窓が備えられた場合には、第１光源１４０は、培養タンク１０１の外面に配置されることもある。

前記攪拌機１５０は、培養タンク１０１の内部下端に備えられ、光合成微細藻類の初度培養時に培養液を混合する役割を果たし、本培養時にも、培養部に残留する培養物と培養液流入口から流入された培養物とを混合する役割を行う。前記温度調節器１６０は、第１培養部１００の外部に付着されて、その温度を調節する役割を行える。温度調節器１６０は、特にこれに制限されるものではないが、適正温度の水をジャケット（ｊａｃｋｅｔ）で循環させることで、所望の培養温度を調節することができるウォータージャケット（ｗａｔｅｒｊａｃｋｅｔ）である。同時に、前記第１培養部１００には、その内部を確認することができる視窓がさらに備えられることもある。

図３は、本発明の管状の光生物反応器に含まれた第２培養部３００の一実施形態を示す平面図である。図３に示されたように、前記第２培養部３００には、ポンプ部（図１の２００）の第３培養液排出口２３０と連通される第２培養液流入口３１０、培養配管３３０及び前記培養部の第１培養液流入口１３１と連通される第２培養液排出口３４０が備えられている。

第２光源３２０は、第２培養部３００の一部または全体に付着されて備えられうる。例えば、第２光源３２０は、培養配管３３０の長手方向に沿って伸張するように培養配管３３０の外面に結合されうる。前記第２培養部３００の培養配管３３０は、内部に光合成微細藻類を含む培養液を循環させながら、第２光源３２０から光が供給されて、前記光合成微細藻類が光合成を行うことができる環境を提供する役割ができる。これにより、培養配管３３０は、第２光源３２０から発散された光が透過することができる材質で構成され、例えば、培養配管３３０の全体が光が透過することができる材質で構成されることもでき、光源が備えられた部分のみ光が透過することができる材質で構成することもできる。選択的に、第２光源３２０は、培養配管内に配置されるが、この場合、前記第２光源３２０は、培養配管の内壁に設けられることが望ましく、ＬＥＤ素子で構成されることが望ましい。この場合、培養配管は、不透明材質で構成することができる。また、培養時の便宜をはかるために、前記培養配管３３０の一側端に、センサー装置、例えば、ｐＨセンサー、二酸化炭素濃度センサー、溶存酸素濃度センサー、温度センサーなどをさらに備えることもできる。同時に、前記培養配管３３０は、培養液が光に露出される面積を極大化するように、細長形管状に構成されることが望ましいが、このように、細長形管状に構成される場合、培養配管３３０の効率的な配置のために、多重で折れた形態で構成することが望ましい。この場合、第２光源３２０は、培養配管３３０の折れた構造の間に多重で提供されることがある。

本発明の一実施形態によれば、本発明の第２培養部３００の培養配管３３０は、一つのフレーム（ｆｒａｍｅ）上に直線部と屈曲部とを含む平行に多重で折れた形態で構成され、このように、折れた形態が多段に重畳されるように構成することもできる。また、前記フレームは、前記第２光源３２０と培養配管３３０とを固定するための枠であって、前記第２光源３２０に電力を供給するための電源供給装置をさらに含むこともできる。同時に、前記培養配管３３０に備えられた第２光源３２０は、光合成微細藻類の培養時に光合成を行うことができる光を発散する役割を行い、前記第２光源３２０から発散される光の波長は、特にこれに制限されるものではないが、自然光と似ている三波長または五波長が望ましく、光源の照度及び明暗周期は、培養条件によって自動変動させることが望ましい。

望ましい実施形態で、前記培養配管３３０の内部直径は、３〜３０ｃｍである。さらに望ましい実施形態で、前記内部直径は、５〜２０ｃｍである。最も望ましい実施形態で、前記内部直径は、１０〜１５ｃｍである。前記培養配管３３０の内部直径は、スピルリナのような微細藻類の培養に重要である。もし、内部直径が３０ｃｍ以上であれば、不適切な光の照射によって生産性が落ち、逆に、内部直径が３ｃｍ以下になれば、培養体積を拡大（ｓｃａｌｅ−ｕｐ）しにくい。

以下、実施例を通じて本発明をさらに詳しく説明する。これら実施例は、単に本発明をより具体的に説明するためのものであって、本発明の要旨によって本発明の範囲が、これら実施例によって制限されるものではないということは、当業者において自明である。

＜比較例１：従来の微細藻類用の高密度培養装置を利用したスピルリナの培養＞

特許文献３に開示された微細藻類用の高密度培養装置を用いて、スピルリナを培養した。

前記特許文献３に開示された微細藻類用の高密度培養装置の水槽にスピルリナ（Ｓ．ｐｌａｔｅｎｓｉｓＡＴＣＣ５３８４３）を接種したＳＯＴ培養液（ＮａＨＣＯ_３１６．８ｇ／ｌ、Ｋ_２ＨＰＯ_４０．５ｇ／ｌ、ＮａＮＯ_３２．５ｇ／ｌ、Ｋ_２ＳＯ_４１ｇ／ｌ、ＮａＣｌ１ｇ／ｌ、ＭｇＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ０．２ｇ／ｌ、ＣａＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏ０．０４ｇ／ｌ、ＦｅＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ０．０１ｇ／ｌ、ＥＤＴＡ０．０８ｇ／ｌ、ＴｒａｃｅＭｅｔａｌＭｉｘＡ５（Ｈ_３ＢＯ_３２．８６ｇ／ｌ、ＭｎＣｌ_２・４Ｈ_２Ｏ１．８１ｇ／ｌ、ＺｎＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ０．２２２ｇ／ｌ、Ｎａ_２ＭｏＯ_４・２Ｈ_２Ｏ０．３９ｇ／ｌ、ＣｕＳＯ_４・５Ｈ_２Ｏ０．０７９ｇ／ｌ、Ｃｏ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏ４９．４ｍｇ／ｌ）１．０ｍｌ／ｌ、ＴｒａｃｅＭｅｔａｌＭｉｘＢ６Ｍｏｄｉｆｉｅｄ（ＮＨ_４ＮＯ_３０．２３ｇ／ｌ、Ｋ_２Ｃｒ_２（ＳＯ_４）_４・２４Ｈ_２Ｏ９６ｍｇ／ｌ、ＮｉＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ４７．８ｍｇ／ｌ、Ｎａ_２ＷＯ_４・２Ｈ_２Ｏ１７．９ｍｇ／ｌ、Ｔｉ_２（ＳＯ_４）_３４０ｍｇ／ｌ）１．０ｍｌ／ｌ、適量のＮａＯＨ、ｐＨ９．５）５０Ｌを入れて、光源として６，０００Ｌｕｘの光を照射し、３５℃を維持しながら、３日間スピルリナの初度培養を実施した。初度培養が終了した後、前記水槽に新鮮なＳＯＴ培養液５０Ｌをさらに供給し、２０日間培養した。培養が終了した後、前記水槽から最終培養物を収得し、これを濾過してスピルリナ菌体を収得した。引き続き、収得したスピルリナ菌体を乾燥させて、乾燥重量を測定した。また、前記水槽の表面にスピルリナが固着された部位の面積を測定し、全体水槽の表面面積に対する比率を算出した。

＜比較例２：従来の微細藻類の培養装置を利用したスピルリナの培養＞

特許文献４に開示された微細藻類の培養装置を用いて、スピルリナを培養した。

前記特許文献４に開示された微細藻類の培養装置の開口部を通じて内部筒と外部筒との間にスピルリナ（Ｓ．ｐｌａｔｅｎｓｉｓＡＴＣＣ５３８４３）を接種したＳＯＴ培養液５０Ｌを入れて、外部から光源で６，０００Ｌｕｘの光を照射し、３５℃を維持し、ガス注入口を通じて二酸化炭素と大気とが１：１（ｖ／ｖ）に混合された混合ガスを持続的に注入して、培養液内に旋回流を発生させながら、３日間スピルリナの初度培養を実施した。初度培養が終了した後、前記開口部を通じて新鮮なＳＯＴ培養液５０Ｌをさらに供給し、同じ条件で２０日間培養した。培養が終了した後、前記培養装置から最終培養物を収得し、これを濾過してスピルリナ菌体を収得した。引き続き、収得したスピルリナ菌体を乾燥させて、乾燥重量を測定した。また、前記外部筒の表面にスピルリナが固着された部位の面積を測定し、全体外部筒の表面面積に対する比率を算出した。

＜実施例１：管状のスピルリナ培養装置を利用したスピルリナの培養＞

図１〜図３に示された管状のスピルリナ培養装置を用いて、スピルリナを循環式で培養した。

まず、スピルリナ（Ｓ．ｐｌａｔｅｎｓｉｓＡＴＣＣ５３８４３）をＳＯＴ培養液に１０％（ｖ／ｖ）に接種した。

その後、前記管状のスピルリナ培養装置の第１培養部１００の培養液注入口１３１、第１培養液排出口１３２及び最終排出口１３３を閉鎖し、接種注入口１１０を通じて、培養タンク１０１に、前記スピルリナが接種された培養液５０Ｌを注入し、ガス注入口１１１を通じて、二酸化炭素を供給し、第１光源１４０で６，０００Ｌｕｘの光を供給し、温度調節器１６０を通じて３５℃を維持しながら撹拌機１５０を６０ｒｐｍで駆動させて、３日間スピルリナの初度培養を実施した。この際、培養中のスピルリナの成長程度を測定するために、分光光度計（Ｕｌｔｒａｓｐｅｃ３１００ｐｒｏ、Ａｍｅｒｓｈａｍ）を用いて６８０ｎｍでＯ．Ｄ．値を測定した。

初度培養が終了した後、培地注入口１３４を通じて、培養タンク１０１に新鮮な前記ＳＯＴ培地５０Ｌを注入し、一旦光合成が始まった後には、第１培養部１００のガス注入口１１１を通じて、二酸化炭素及び窒素の混合ガスを持続的に注入して、光合成に使われる二酸化炭素を供給すると同時に、第１培養部１００の培養タンク１０１に約１．０ｋｇ／ｃｍ^２ｆの陽圧がかかるようにして、外部から由来された雑菌の汚染を防止した。

その後、撹拌機１５０を同一速度で駆動させて、初度培養が終了した培養液と注入された新鮮なＳＯＴ培養液とを混合し、第１培養液注入口１３１と第１培養液排出口１３２とを開放して、前記混合された培養液をポンプ部２００の第３培養液流入口２１０に伝達した。前記ポンプ部２００の第３培養液流入口２１０に混合された培養液が伝達されれば、ポンプ部２００のポンプ２２０を駆動して、１ｍ／ｓｅｃの速度で前記培養液を第３培養液排出口２３０を通じて第２培養部３００の第２培養液流入口３１０に伝達し、第２培養部３００の第２培養液流入口３１０に伝達された前記培養液は、ポンプ２２０によって、培養配管３３０、第２培養液排出口３４０及び第１培養部１００の第１培養液注入口１３１に順次に伝達して、最終的には、培養タンク１０１に伝達することによって、培養液を循環させた。この際、培養配管３３０に付着された第２光源３２０で６，０００Ｌｕｘの光を培養配管３３０に供給して、培養液に含まれたスピルリナが光合成を始めるようにし、前記温度調節器１６０を通じて培養液の温度を３５℃に維持した。２０日間循環式でスピルリナを培養し、該培養が終了した後には、第１培養部１００の最終排出口１３３を開放して、最終培養物を収得し、これを濾過してスピルリナ菌体を収得した。

引き続き、収得したスピルリナ菌体を乾燥させて、乾燥重量を測定した。また、前記培養配管３３０の表面にスピルリナが固着された部位の面積を測定し、全体培養配管の表面面積に対する比率を算出した。

その後、前記測定されたスピルリナ菌体の乾燥重量及びスピルリナ固着部位の比率を比較例１及び比較例２でそれぞれ測定されたものと以下の表１ように相互比較した。

前記表１に示されたように、本発明の循環式スピルリナ培養方法を利用する場合には、最終生産されたスピルリナ菌体の乾燥重量の面で、従来の培養装置を使った場合（比較例１及び比較例２）よりも約２〜３倍増加するということが分かった。

これは、本発明の方法を利用する場合、スピルリナが培養容器の表面に固着されることを効果的に防止することができたためである。実際に、本発明の循環式スピルリナ培養方法を利用する場合には、全体培養配管表面の約３．４％程度にスピルリナ藻類が固着されたが、従来の培養装置を使った場合（比較例１及び比較例２）には、全体培養容器表面の６７％及び８７％にスピルリナ藻類が固着されるということを確認することができる。

スピルリナは、光合成細菌であるので、光の日照量によって生産率が変化され、前記のように培養容器の表面にスピルリナが固着されれば、光の日照量が減少して、結果的には、スピルリナの生産量が減少する。したがって、本発明の光合成微細藻類の循環式培養方法を利用すれば、培養容器の表面に光合成微細藻類が固着される現象を防止して、スピルリナを含んだ光合成微細藻類の生産量を増大させることができるということを確認した。

本発明は、光合成微細藻類の循環式培養方法関連の分野に適用可能である。

Claims

（ｉ）円筒形の培養タンクと前記培養タンクの内部または外部に配置される第１光源とを有する第１培養部と、多重で折れた形態で構成された培養配管と前記培養配管の折れた構造の間に多重で提供される第２光源とを有して前記第１培養部に連結された第２培養部と、前記第１培養部及び前記第２培養部の間で培養液を循環させるポンプ部と、を備えた光生物反応器において、前記第１培養部にスピルリナ属の微生物が接種された培養液を投入し、４，０００〜８，０００Ｌｕｘの照度の光を照射して初度培養する段階と、
（ｉｉ）前記初度培養が終了した後、新鮮な培養液をさらに投入して、初度培養された前記培養液と混合した後、該混合された培養液を前記ポンプ部を通して前記第２培養部に移動させる段階と、
（ｉｉｉ）前記第２培養部で２０〜３０ｃｍ／ｓの流速で調節されながら移動する培養液に４，０００〜８，０００Ｌｕｘの照度の光を照射して追加培養する段階と、
（ｉｖ）前記追加培養された前記培養液を再び前記第１培養部に循環させる段階と、
（ｖ）培養が終了した後、前記培養液を回収し、回収した前記培養液を濾過してスピルリナ属の微生物の菌体を収得する段階と、
を含み、
前記段階（ｉ）の初度培養時、前記第１培養部の培養タンクに二酸化炭素及び窒素の混合ガスを供給することによって、スピルリナ属の微生物の光合成を行い、前記第１培養部の培養タンク内の圧力を０．１〜１．０ｋｇ／ｃｍ^２ｆの陽圧に維持して空気を通じる雑菌の汚染を防止する、スピルリナ属の微生物の循環式培養方法。
前記段階（ｉ）の初度培養及び／または段階（ｉｉｉ）の追加培養温度は、３２〜３８℃である、請求項１に記載の培養方法。
前記段階（ｉ）の初度培養及び／または段階（ｉｉｉ）の追加培養のｐＨは、８．５〜１０である、請求項１または請求項２に記載の培養方法。
（ｉ）円筒形の培養タンクと前記培養タンクの内部または外部に配置される第１光源とを有する第１培養部と、多重で折れた形態で構成された培養配管と前記培養配管の折れた構造の間に多重で提供される第２光源とを有して前記第１培養部に連結された第２培養部と、前記第１培養部及び前記第２培養部の間で培養液を循環させるポンプ部と、を備えた光生物反応器において、前記第１培養部にスピルリナ属の微生物が接種された培養液を投入し、４，０００〜８，０００Ｌｕｘの照度の光を照射して初度培養する段階と、
（ｉｉ）前記初度培養が終了した後、新鮮な培養液をさらに投入して、初度培養された前記培養液と混合した後、該混合された培養液を前記ポンプ部を通じて前記第２培養部及び前記第１培養部の順序で循環させ、前記第２培養部で２０〜３０ｃｍ／ｓの流速で調節されながら移動する培養液に４，０００〜８，０００Ｌｕｘの照度の光を照射して追加培養する段階と、
（ｉｉｉ）培養が終了した後、培養液を回収し、回収した前記培養液を濾過してスピルリナ属の微生物の菌体を収得する段階と、
を含み、
前記段階（ｉ）の初度培養時、前記第１培養部の培養タンクに二酸化炭素及び窒素の混合ガスを供給することによって、スピルリナ属の微生物の光合成を行い、前記第１培養部の培養タンク内の圧力を０．１〜１．０ｋｇ／ｃｍ^２ｆの陽圧に維持して空気を通じる雑菌の汚染を防止する、スピルリナ属の微生物の循環式培養方法。
前記段階（ｉ）の初度培養及び／または段階（ｉｉ）の追加培養の温度は、３２〜３８℃である、請求項４に記載の培養方法。
前記段階（ｉ）の初度培養及び／または段階（ｉｉ）の追加培養のｐＨは、８．５〜１０である、請求項４または請求項５に記載の培養方法。