JP5810831B2 - 藻類の培養方法 - Google Patents

Description

本発明は、藻類の培養方法に関する。

近年、藻類が生産する脂質や糖等の有用物質の利活用が注目されている。藻類の培養方法として、２基のリアクターＡ１、Ｂ２を用い、培養段階に応じて培地を移動させる方法が開示されている（特許文献１）。

特許第３５１２８４７号公報

特許文献１記載の発明では、リアクターＡ１内の培地中の窒素が枯渇する直前のタイミングを培養時間で判断し、リアクターＡ１からリアクターＢ２に培地を移送する。この方法では、移送のタイミングがわずかに遅れると、藻が窒素欠乏条件となり、リアクターＡ１における増殖速度が低下し、結果として、藻の生産性が低下してしまう。また、屋外培養条件では、培養期間中の水温、日射量が一定でないため、リアクターＡ１での培養時間のみでリアクターＢ２へ移送のタイミングを決定するのは困難である。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、生産性が高い藻類の培養方法を提供することを目的とする。

本発明の藻類の培養方法では、第１の培養槽において、ステップＡとステップＢとを交互に繰り返す。ステップＡは、第１の培養槽において、所定量の培地中で、窒素充分条件にある藻類を、藻に対する窒素の割合が７．５〜９質量％の範囲内で設定される所定値に低下するまで培養を行うステップである。ステップＢは、第１の培養槽中の培地の一部を第２の培養槽に移送するとともに、第１の培養槽に新鮮培地を補充して第１の培養槽中の藻類における藻に対する窒素の割合を、前記所定値を超える値に戻すステップである。また、本発明の藻類の培養方法では、第２の培養槽において、第１の培養槽から移送された培地に含まれる藻類を、窒素欠乏条件まで培養する。

本発明の藻類の培養方法においては、上記のとおり、第１の培養槽において、窒素充分条件で藻を培養するので、第１の培養槽で高い培養速度を維持することができ、長期間にわたって藻の生産性が高く、他藻のコンタミネーションを防ぐことができる。また、第２の培養槽における培養の種藻を長期間にわたって第１の培養槽から供給できるので、生産コストや人件費を低減できる。

また、本発明の藻類の培養方法においては、第１の培養槽での培養と、第２の培養槽での培養とから成る２段式の培養を行うので、増殖初期に見られる誘導期（単位時間あたりの藻体濃度の上昇が小さい時期）がなくなり、藻の回収までの培養期間を短縮できる。

本発明の藻類の培養方法では、例えば、第２の培養槽において培養される藻類が所定の回収条件に達すると、第２の培養槽から前記培地を取り出し、ステップＢでは、培地が収容されていない第２の培養槽に、第１の培養槽から培地を移送することができる。こうすることにより、第２の培養槽を効率的に利用することができる。

また、本発明の藻類の培養方法では、例えば、第２の培養槽を複数備え、ステップＢでは、複数の第２の培養槽の中で、培地が収容されていない１つの第２の培養槽に、第１の培養槽から培地を移送することができる。こうすることにより、藻の培養を一層効率的に行うことができる。

前記新鮮培地とは、未だ藻の培養に使用していない培地であって、窒素を含有する培地である。
本発明において、藻類の窒素欠乏条件とは、藻類の体内に含まれる窒素量が減少し、正常な増殖を維持できない状態を意味し、窒素充分条件とは、藻類が正常な増殖をするのに充分量の窒素を含んでいる状態を意味する。

ステップＢにおいて第１の培養槽に補充する新鮮培地の量は、例えば、第１の培養槽から第２の培養槽に移送される培地の量と同量とすることができる。こうすることにより、第１の培養槽における培地の量を一定に保つことができる。

第１の培養槽から第２の培養槽に培地を移送するとき、例えば、窒素、リン酸、及びカリウムのうちの少なくとも１種以上を含まない液（例えば水）を第２の培養槽に加えることができる。こうすることにより、第２の培養槽中の液量を増し、第２の培養槽における攪拌を効率的に行うことができる。

本発明の藻類の培養方法において、第１の培養槽、第２の培養槽は、例えば、外部に対し閉鎖された槽（人工光源（例えばランプ）により人工光を供給される槽）とすることができる。また、第１の培養槽、第２の培養槽は、例えば、屋外に設置された、少なくとも上面が開放された層とすることができる。この場合、槽内には自然光が供給される。第１の培養槽、第２の培養槽が屋外に設置された槽である場合、日射量や温度は一定ではないため、藻の増殖速度も一定ではないが、本発明の藻類の培養方法では、藻に対する窒素の割合に基づいてステップＡ、Ｂを切り替えるので、藻の増殖速度を高く維持できる。

ステップＡの初期において、第１の培養槽中の培地は、藻がオイル欠乏状態となる窒素量の等量以上（例えば２倍量）の窒素を含むことが好ましい。
ステップＢにおいて第２の培養槽に移送される培地の量は、第２の培養槽において培地を充分に攪拌できるようにする量であることが好ましい。

ステップＡからステップＢに移行するタイミングとしては、例えば、以下の条件が満たされたタイミングであってもよい。
（イ）培地に添加した窒素量から換算し、藻が窒素欠乏にならない状態
（ロ）培地中に含まれる窒素濃度が０でない（すなわち、肥料として与えた全窒素を藻が吸収しきっていない状態）
（ハ）培地の窒素源に硫安を使用した場合、低下し続けるpHが安定した状態
（ニ）上記（イ）〜（ハ）条件時おける藻の濃度（乾燥質量、濁度）

藻の培養に用いる培養システム１００の構成を表すブロック図である。 第１の培養槽３における藻体濃度の推移を表すグラフである。 第２の培養槽５、７、９における藻体濃度の推移を表すグラフである。 培養時間と藻体濃度との関係を表すグラフである。 培地のｐＨと倍地中の窒素濃度との関係を表すグラフである。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
１．藻の培養に用いる培養システム１００の構成
藻の培養に用いる培養システム１００の構成を図１に基づいて説明する。培養システム１００は、屋外に設置されるシステムであり、新鮮培地タンク１、第１の培養槽３、第２の培養槽５、７、９を備える。新鮮培地タンク１と第１の培養槽３とは、供給管１１で接続されており、その供給管１１は弁１３で開閉される。第１の培養槽３と第２の培養槽５、７、９とは、配管系１５で接続されている。配管系１５は、３方弁１７と、弁２１、２３、２５、２７とを備える。３方弁１７は、第２の培養槽５に至る配管１５ａ、第２の培養槽７に至る配管１５ｂ、及び第２の培養槽９に至る配管１５ｃのうち、１つのみを、第１の培養槽３に至る配管１５ｄに連通させ、他の２つは、配管１５ｄに対し閉じる。弁２１、２３、２５、２７は、それぞれ、配管１５ｄ、１５ａ、１５ｂ、１５ｃを開閉する。第２の培養槽５、７、９は、それぞれ、出口配管２９と、その出口配管２９を開閉する弁３１とを備えている。

新鮮培地タンク１は、その内部に新鮮培地を貯留しており、その新鮮培地を、供給管１１を介して第１の培養槽３に供給可能である。第１の培養槽３、第２の培養槽５、７、９は、周知の開放型レースウェイ槽である。それぞれの槽は、図示しないパドルにより、内部の液（培地）を攪拌可能である。

２．藻の培養方法
藻の培養法を説明する。初期状態においては、第１の培養槽３、第２の培養槽５、７、９は全て空である。まず、新鮮培地タンク１から第１の培養槽３へ、供給管１１を介して容量Ｖの新鮮培地を供給する。この新鮮培地の組成は以下のとおりである。
（新鮮培地）
AF6培地（100ｍｌ）
NaNO₃ 14 mg
NH₄NO₃ 2.2 mg
MgSO_4・7H₂O 3 mg
KH₂PO₄ 1 mg
K₂HPO₄ 0.5 mg
CaCl_2・2H₂O 1 mg
CaCO₃ 1 mg
Fe-citrate 0.2 mg
Citric acid 0.2 mg
Biotin 0.2 μg
Thiamine HCl 1 μg
Vitamin B6 0.1 μg
Vitamin B12 0.1 μg
Trace metals 0.5 mL
Distilled water 99.5 mL
(pH 6.62)
この新鮮培地に含まれる窒素の濃度は２７ｍｇ／Ｌであるが、培地に含まれる窒素量は藻の培養条件により最適値に変えることができる。

次に、第１の培養槽３に所定量の藻（シュードコリシスティス）を加え、培養を開始する。この培養の開始が、ステップＡの始期である。定期的に、第１の培養槽３から一部の培地をサンプリングし、藻に対する窒素の割合Ｘ（質量％）を測定する。藻に対する窒素の割合Ｘは以下の式１で表される。
（式１） Ｘ＝（Ｐ／Ｑ）×１００
ここで、藻に対する窒素の割合Ｘとは、単位体積の培地中に存在する藻の乾燥質量Ｑと、単位体積の培地が当初含んでいた窒素の質量Ｐとの割合を示すものである。培養が進み、培地中の窒素が０になっている場合は、単位体積の培地が当初含んでいた窒素の質量Ｐは、藻に対する窒素の割合ＸとＱとの積に等しくなる。

藻に対する窒素の割合Ｘは時間の経過とともに減少し、藻の乾燥質量Ｑは時間と共に増加する。藻に対する窒素の割合Ｘが７．５質量％（所定値）まで低下すると、ステップＡが終了する。なお、７．５質量％（所定値）という値は、藻が窒素充分条件にあるときの値である。

ステップＡの終了後、ステップＢを実行する。すなわち、第１の培養槽３内にある培地の半分（１／２Ｖ）を、第２の培養槽５に移送し、それと同時に、新鮮培地タンク１から第１の培養槽３へ、容量１／２Ｖの新鮮培地を補充する。新鮮培地の補充後、第１の培養槽３中の藻類における藻に対する窒素の割合Ｘは、７．５質量％（所定値）を超える値となる。第２の培養槽５には、第１の培養槽３から移送される培地とともに、同量（１／２Ｖ）の水も導入し、総容量をＶとする。水で容量を増すことにより、第２の培養槽５における培地の攪拌を効率的に行うことができる。以上でステップＢが終了する。

ステップＢの後、再度ステップＡ（第１の培養槽３中の藻に対する窒素の割合Ｘが７．５質量％に低下するまでの培養）を実行し、以後、ステップＢ、ステップＡ・・・を交互に繰り返す。ただし、ステップＢにおいて第１の培養槽３から培地を移送する先は、１回目のステップＢでは第２の培養槽５であり、２回目のステップＢでは第２の培養槽７であり、３回目のステップＢでは第２の培養槽９である。以後同様に、４、７、１０・・・回目のステップＢでは第２の培養槽５に培地を移送し、５、８、１１・・・回目のステップＢでは第２の培養槽７に培地を移送し、６、９、１２・・・回目のステップＢでは第２の培養槽９に培地を移送する。なお、４、７、１０・・・回目のステップＢにおいて第２の培養槽５に培地を移送するとき、その３回前のステップＢにおいて第２の培養槽５に移送されていた培地は、既に後述する回収条件に達し、第２の培養槽５から取り出されている。よって、ステップＢにおいて第２の培養槽５に培地を移送するときは、常に空の第２の培養槽５に培地を移送する。第２の培養層７、９への培地の移送についても同様である。

第１の培養槽３における藻体濃度の推移を図２に示す。藻体濃度とは、１Lの培地中に含まれる藻の乾燥質量（ｇ）である。藻体濃度は、ステップＡにおいて増加し、ステップＢにおいて、培地の半分を新鮮培地に入れ替えることにより減少する。ステップＢの直後（ステップＡの初期）においても、藻体濃度は誘導期に対応する藻体濃度よりも高い。なお、誘導期とは、図４に示すように、藻体濃度が小さく、藻体濃度の上昇が緩やかな期間である。

一方、第２の培養槽５では、第１の培養槽３から移送された培地中で、藻の培養を行う。定期的に第２の培養槽５から一部の培地をサンプリングし、回収条件に達しているか否かを判断する。この回収条件とは、藻に対する窒素の割合Ｘが２〜３質量％になる（窒素欠乏条件になる）条件である。

回収条件に達すると、弁３１を開とし、出口配管２９から第２の培養槽５中の全ての培地を取り出す。なお、取り出された培地中に含まれる藻からは、オイルが抽出される。第２の培養槽７、９についても、第２の培養槽５の場合と同様に、定期的にサンプリングして回収条件に達したか否かを判断し、回収条件に達すると全ての培地を取り出す。

図３に、第２の培養槽５、７、９における藻体濃度の推移を示す。藻体濃度は徐々に増加し、やがて回収条件に達する。
３．藻の培養方法が奏する効果を確かめるための試験
上述した藻の培養方法を実施し、第１の培養槽３における平均増殖速度Ｙを算出した。ここで、平均増殖速度Ｙとは、以下の式２で表される。
（式２） Ｙ＝Ｒ／Ｓ／Ｔ
式２において、Ｒは第１の培養槽３における培養前後での藻の増加量（ｇ）であり、Ｓは第１の培養槽３における開口面積（ｍ²）であり、Ｔは第１の培養槽３の培養時間（ｈｒ）である。

また、ステップＡを終了し、ステップＢを実行するときの藻体濃度Ｘを、７．５質量％ではなく、５質量％、９質量％、１５質量％とした場合においても、藻の培養方法を同様に実施し、それぞれの場合について平均増殖速度Ｙを算出した。その結果を表１に示す。

表１に示すように、ステップＡを終了し、ステップＢを実行するときの藻に対する窒素の割合Ｘが７．５質量％、９質量％の場合は、藻に対する窒素の割合Ｘが５質量％、１５質量％の場合に比べて、平均増殖速度Ｙが顕著に高かった。

４．藻の培養方法が奏する効果
（１）第１の培養槽３において、窒素充分条件で藻を培養するので、第１の培養槽３で高い培養速度を維持することができ、長期間にわたって藻の生産性が高い。
（２）第１の培養槽３において、長期間にわたって藻の増殖速度を高く維持できる結果、他藻類のコンタミネーションを防ぐことができる。
（３）第２の培養槽５、７、９における培養の種藻を長期間にわたって第１の培養槽３から供給できるので、生産コストや人件費を低減できる。
（４）第１の培養槽３での培養と、第２の培養槽５、７、９での培養とから成る２段式の培養を行うので、増殖初期に見られる誘導期（単位時間あたりの藻体濃度の上昇が小さい時期、図４参照）がなくなり、藻の回収までの培養期間を短縮できる。
（５）第２の培養槽５、７、９において培養される藻類が所定の回収条件に達すると、第２の培養槽５、７、９から培地を取り出し、後のステップＢでは、培地が収容されていない第２の培養槽５、７、９に、第１の培養槽３から培地を移送することができる。こうすることにより、第２の培養槽５、７、９を効率的に利用することができる。
（６）第２の培養槽５、７、９を複数（３個）備え、ステップＢでは、複数の第２の培養槽５、７、９の中で、培地が収容されていない１つの槽に、第１の培養槽３から培地を移送することができる。こうすることにより、藻の培養を一層効率的に行うことができる。
（７）ステップＢにおいて第１の培養槽３に補充する新鮮培地の量は、第１の培養槽３から第２の培養槽５、７、９に移送される培地の量と同量である。こうすることにより、第１の培養槽３における培地の量を一定に保つことができる。
（８）第１の培養槽３から第２の培養槽５、７、９に培地を移送するとき、水を第２の培養槽５、７、９に加える。こうすることにより、第２の培養槽５、７、９中の液量を増し、第２の培養槽５、７、９における攪拌を効率的に行うことができる。

尚、本発明は前記実施の形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、ステップＡが終了するときにおける藻に対する窒素の割合Ｘは、７．５〜９質量％の範囲内で適宜設定してもよい。その場合でも、前記実施の形態と略同様の効果を奏することができる。

また、第１の培養槽３、第２の培養槽５、７、９のうちの一部又は全ては、外部に対し閉鎖された槽（人工光源（例えばランプ）により人工光を供給される槽）とすることができる。

第２の培養槽の数は、３個には限定されず、例えば、１、２、４、５、６・・・個とすることができる。第２の培養槽において回収条件に達するまでに長時間を有する場合は、第２の培養槽の数を多くすればよい。

また、培養する藻は、シュードコリシスティス以外の藻であっても略同様の効果を得ることができる。
また、ステップＡからステップＢに移行するタイミングとしては、例えば、以下の条件が満たされたタイミングであってもよい。
（イ）培地に添加した窒素量から換算し、藻が窒素欠乏にならない状態
（ロ）培地中に含まれる窒素濃度が０でない（すなわち、肥料として与えた全窒素を藻が吸収しきっていない状態）
（ハ）培地の窒素源に硫安を使用した場合、低下し続けるpHが安定した状態
（ニ）上記（イ）〜（ハ）条件時おける藻の濃度（乾燥質量、濁度）
なお、図５に示すように、第１の培養槽３において培地のｐＨが安定したとき、培地中の窒素濃度が０になることが、実験により確かめられている。

１・・・新鮮培地タンク、３・・・第１の培養槽、
５、７、９・・・第２の培養槽、１１・・・供給管、
１３、２１、２３、２５、２７、３１・・・弁、１５・・・配管系、
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ・・・配管、１７・・・３方弁、
２９・・・出口配管、１００・・・培養システム

Claims (5)

1. 第１の培養槽において、所定量の培地中で、窒素充分条件にある藻類を、藻に対する窒素の割合が７．５〜９質量％の範囲内で設定される所定値に低下するまで培養を行うステップＡと、前記第１の培養槽中の培地の一部を第２の培養槽に移送するとともに、前記第１の培養槽に新鮮培地を補充して前記第１の培養槽中の前記藻類における藻に対する窒素の割合を、前記所定値を超える値に戻すステップＢとを交互に繰り返し、
   前記第２の培養槽において、前記第１の培養槽から移送された培地に含まれる前記藻類を、窒素欠乏条件まで培養する藻類の培養方法であって、
   前記藻類がシュードコリシスティスであることを特徴とする藻類の培養方法。
2. 前記第２の培養槽において培養される藻類が所定の回収条件に達すると、前記第２の培養槽から前記培地を取り出し、
   前記ステップＢでは、前記培地が収容されていない前記第２の培養槽に、前記第１の培養槽から前記培地を移送することを特徴とする請求項１記載の藻類の培養方法。
3. 前記第２の培養槽を複数備え、
   前記ステップＢでは、前記複数の第２の培養槽の中で、前記培地が収容されていない１つの前記第２の培養槽に、前記第１の培養槽から前記培地を移送することを特徴とする請求項２記載の藻類の培養方法。
4. 前記ステップＢにおいて前記第１の培養槽に補充する新鮮培地の量は、前記第１の培養槽から前記第２の培養槽に移送される培地の量と同量であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の藻類の培養方法。
5. 前記第１の培養槽から前記第２の培養槽に培地を移送するとき、窒素、リン酸、及びカリウムのうちの少なくとも１種以上を含まない液を前記第２の培養槽に加えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の藻類の培養方法。