JP5975602B2 - 微細藻類連続培養装置およびこの装置を用いた微細藻類連続培養方法 - Google Patents
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Description
前記光照射装置が、培養液中の微細藻類の光合成に必要な光質と光量子を中心波長430〜480nm、560〜620nmおよび675〜685nmで、かつ短波長基準の光量子量の比率がそれぞれ0.5〜5および4〜10からなる光を、側壁面、培養液の上面および下面の少なくとも一方より培養液に向かって照射する構造を有し、
前記微細藻類の炭素源として水に可溶な炭水化物を含む前記培養液に加熱滅菌処理を施す加熱装置を内部または外部に保持し、かつ、
前記培養液中に内容物を投入するための無菌供給装置またはろ過滅菌装置を備えることを特徴とするものである。この本発明の従属栄養・独立栄養共存型の微細藻類連続培養装置により、微細藻類の高速増殖を実現することが可能となった。
(1)前記光照射装置に、光発光体または該光発光体を光源とした光導波路の背面に耐熱性断熱材が反転自在に装着され、前記加熱滅菌処理を施すときに、光発光体または該光発光体を光源とした光導波路が加熱面に対して反対方向に反転可能である細藻類連続培養装置である。これにより、培養装置壁面洗浄や培養装置内の培養液を加熱滅菌するときには光発光体または該光発光体を光源とした光導波路を加熱面に対して正反対方向に反転させることで、光発光体または該光発光体を光源とした光導波路の加熱滅菌操作中における熱損傷や劣化を防止することができる。
培養液中に微細藻類の炭素源として水に可溶な炭水化物を投入し、次いで加熱滅菌処理後、冷却を施した後、種となる微細藻類を植種することを特徴とするものである。
(1)前記光照射装置による光照射を培養液1立方メートル当り30W〜100Wの光を照射することにより行なう微細藻類連続培養方法である。
単独または2種以上の混合とする微細藻類連続培養方法である。
一般に微細藻類の光合成における光反応システム、クロロフィルaに必要な光質は植物のそれと同じく700nm,680nmおよび430nmである。一方、カロテノイドの形成は光合成をクロロフィルbとともに補強するので、490〜620nmの波長が必要であり、所謂グリーンギャップと称して、発光ダイオード(LED)はこの波長域の発光が困難である。本発明では、光ダイオードチップと蛍光物質を一体化したチップを形成することによって、カロテノイドによる光合成を補強する波長をも発生することに成功したことにより、なされたものである。すなわち、この光ダイオードチップは光合成に必要な光質と光量子量を波長域430〜480nm、560〜620nmおよび675〜685nmで、かつ短波長基準にした光量子量の比率をそれぞれ0.5〜5および4〜10からなる1固体からなる光発光体LEDである。
(実験例1)
従属栄養下で微細藻類の呼吸によって発生する二酸化炭素はかなり微細であり、pHによっては溶液に溶解しやすい。その分散は微細藻類の分散と同じと考えることができるので、この二酸化炭素を微細藻類の光合成に活用するために、明の条件において、光合成における光反応システムに必要な光質と光量子とを照射する系を成立させることにある。かかる状況の下、微細藻類の光合成に必要な光質と光量子を波長域430〜480nm、560〜620nmおよび675〜685nmで、かつ短波長基準の光量子量の比率をそれぞれ0.5〜5および4〜10からなる光発光体を作出し、このチップを集合させて、入力電力で6WのLEDランプを製作した。
次に、実験例1で用いた培養容器を5Lに換え、光照射ランプ2個を対称に置き、12WのLEDランプによって実験例1と同じ光条件に近づけ、攪拌機による攪拌と気相部のガスの液相吹込みを時間タイマーで管理する方法でEuglena gracilisの回分培養を行った。培地として蔗糖、キクイモ乾燥粉砕物、竹葉の硫酸加水分解物およびグリセリンの4種を選定して培養を行なったところ、暗条件に対する明条件の増殖速度の増加割合は、夫々、9.0%、18%、187%および25%となった。この結果より、特に竹及びササ葉などの加水分解物によるEuglena gracilisの増殖速度の増加が著しく、分解物の中にキシロースが多く含まれることが寄与したと考えられた。この結果は、実験例1のキシリトールの増加割合の結果とも一致した。
図4に示す光発光体であって、光質と光量子を波長域430〜480nm、560〜620nmおよび675〜685nmで、かつ短波長基準の光量子量の比率をそれぞれ0.5〜5および4〜10からなる光発光体(以下の実施例においても同様のものを用いた)の配置を可能にした10Lガラス容器の外部に平面から見て角度90度ごとに12Wずつ平板型LEDを配置し、攪拌モーターをガス循環型攪拌に置き換え、外気空気を0.2μmフィルターで除菌できるようにして小型空気ポンプで供給可能にした密閉型微細藻類連続培養装置を用いた。この密閉型微細藻類連続培養装置に3種の炭素源として、フルクトース、麦芽糖、トレハトースを乾物でそれぞれ1g/Lになるように入れ、LED照明部を取り外して、121℃で45分の加熱滅菌後、冷却した。次いで、表1に示す無機栄養分を液体用の0.2μmフィルター無菌の種藻類としてEuglena gracilisを植種して、空気による攪拌を行い、明条件での明:暗の時間比を12:12時間として時間タイマーで照射した。
実施例1と同じ10L容ガラス製密閉型微細藻類連続培養装置を用いて12Wずつ平板型LED(合計48W)を配置した。さらに、電動攪拌機をガス攪拌に置き換えた。空気ポンプで送った外気空気に含まれる雑菌を0.2μmフィルターで除菌可能とし、かつLEDを設置した密閉型微細藻類連続培養装置に、2種の炭素源としてクエン酸およびグリセリンを乾物でそれぞれ1g/Lになるように投入し、さらに窒素、リンおよびカリ成分の補給としてペプトン0.10g/L、乾燥酵母エキス0.05g/L、さらにまた微量要素源として鹿沼土および赤玉土(50%/50%重量比)を煮沸抽出した土壌水1Lを夫々投入した。
光発光体の配置を液面上部に設置可能にした1000L液容量のSUS316製密閉型微細藻類連続培養装置に図1に示すLED光発光体48W(照射角度35度)を装着し、密閉型微細藻類連続培養装置内部を90〜100℃で50分間蒸気滅菌を行なった。炭素源としては蔗糖および乾燥キクイモを使用し、これらに121℃で60分間の滅菌処理を施し、無菌的に1g/Lの濃度になるようにして密閉型微細藻類連続培養装置に投入した。次いで、再度、炭素源の入った密閉型微細藻類連続培養装置内部液を90〜100℃で50分間加熱ジャケットによる加熱滅菌を行って、温度27〜28℃に低下した段階でEuglena gracilisを植種した。
実施例2で用いた10L液容量のガラス製密閉型微細藻類連続培養装置にLED光発光体48W(照射角度35度)を図4のように装着し、密閉型微細藻類連続培養装置内部を90〜100℃で、50分間蒸気滅菌を行なった。炭素源として、乾物濃度で5%に調製した芝生、ジャガイモ、サツマイモ、カンナの根茎を夫々10%希硫酸を用いてガラス容器内で100℃で、60分間常圧下で加水分解した。この加水分解物のpHを6.5〜6.8の範囲になるように5%水酸化ナトリウム液で調整した。乾物濃度で0.5%の可溶性乾物量になるように不溶性物を取り除いた原料液をそれぞれ調製した。これらの調製液に、コラーゲンを500mg/Lの濃度になるように追加した。これらを121℃で60分間滅菌し、無菌的に5g/Lの乾物濃度が得られるように、それぞれの原料濃度を調整した。
図6に示す1800L液容量のSUS316製平底密閉型微細藻類連続培養装置23を用いた。この平底密閉型微細藻類連続培養装置23は太陽光を取り入れるための耐熱透明板26を備えており、この底面と上面にLED集合体15を夫々適宜間隔D1〜D4等で配置して、120W(照射角度35度)を夫々60Wずつとし、密閉型微細藻類連続培養装置23内部を90〜100℃で50分間蒸気滅菌した。炭素源としては、乾物濃度で5%に調製したキクイモを5割、竹葉、ムギワラおよびバガスの加水分解物をそれぞれ3割、1割、1割として混合し、水に不溶な固形物を沈殿させ、その上澄みを井戸水で10倍に希釈して投入した。乾物濃度では0.43%の可溶性乾物濃度となった。これに対し、100℃の常圧蒸気を送って、液温を90℃で60分間維持する加熱滅菌を行なった。この際、加熱滅菌前に装着したLED集合体15は外した。滅菌後、液温が30℃になった段階でLED集合体15を再装着した
図7に示す従属栄養−独立栄養共存型の密閉型微細藻類連続培養装置10の加熱滅菌システムと種藻を投入するシステムに従い、電源1に接続された光発光体(LED光発光体または該LED光発光体を光源とした光導波路)39を密閉型微細藻類連続培養装置10の液体内部に設置可能にした。図示する光発光体39は、図2に示すものと同様に、電源1に接続された反射板付きLEDチップ数個を平板の上に載せた平板型LED発光体7を一定間隔で並べ、LED装着用放熱板8に設置して、これを耐熱透明管9内に挿入したものである。これを、1000L液容量のSUS316L製の直径1.5mの密閉型微細藻類連続培養装置10に、入力電力72W(照射角度35度)に装着した。加熱滅菌時には、冷風を耐熱透明管9内のLED照射部に通気してその劣化を防止した。常圧蒸気加熱滅菌は、密閉型微細藻類連続培養装置10の内部を90〜100℃で50分間、図7に示す加熱蒸気入口28および加熱蒸気出口29を使って行なった。なお、密閉型微細藻類連続培養装置10には、原水ろ過装置36を経由して原水37を供給した。
図8に示す流れ図に従い、食品リサイクル法でその利活用が重視されている食品工場などで発生する食品加工残渣やレストランなどで発生する厨芥をメタン発酵装置47によってバイオガス化し、メタン発酵装置47で発生する二酸化炭素を微細藻類に吸収させるために、メタン発酵後の消化液48を微細藻類の無機栄養塩補給に使った。図6(a)に示すタイプの、水の浄化を兼ねた太陽光―人工光併用型で独立栄養型の密閉型細藻類連続培養装置49にEuglena gracilisの種藻50Lを投入して培養を試みた。本実施例では、図4に示した従属栄養型の密閉型微細藻類連続培養装置51を使った実施例3や実施例6に加え、メタン発酵で生じた消化液中の窒素、カリウム,リンなど肥料成分を栽培圃場52で、キクイモやカンナなどの根茎植物に肥料として還元し、この根茎植物を従属栄養型密閉型微細藻類連続培養装置51の炭素源として使う仕組みである。
2 光導波路
3 LEDチップ
4 光反射材料
5 底面光反射材料
6 反射光線照射方向
7 平板型LED発光体
8 LED装着用放熱板
9 耐熱透明管
10 密閉型微細藻類連続培養装置
11 耐熱ガラス中空管
12 水/冷風の入口
13 水/冷風の出口
14 結露水ドレイン管
15 LED集合体
16 反射板兼保護板
17 耐熱性透明板
18 光放射角度 α
19 光放射補角 β=(180−α)/2
20 暗部
21 平板型光発光体取り付け距離D
22 明部(光照射部の重なる領域)
23 平底密閉型微細藻類連続培養装置
24 平底密閉型微細藻類連続培養装置壁面
25 透明板の押さえ板
26 耐熱透明板
27 透明板押さえ板取り付けボルトナット
28 加熱水蒸気導入口
29 加熱水蒸気排出口
30 液体用フィルター(0.2μ以下)
31 外部熱交換器
32 高圧蒸気
33 培養液用原水及び炭素源等入口
34 蒸気出口
35 原料混合・蒸煮装置
36 原水ろ過装置
37 原水
38 種藻投入口
39 LED光発光体又は光ダイオードを光源とする光導波路による照射部
40 酸化還元電位(ORP)
41 エアーコンプレッサー
42 エアーフィルター
43 エアーポンプ
44 電磁弁
45 電磁弁
46 マイクロバブル発生装置
47 メタン発酵装置
48 メタン消化液
49 太陽光−人工光併用型の密閉型微細藻類連続培養装置
50 加熱滅菌装置
51 従属栄養型の密閉型微細藻類連続培養装置
52 根茎栽培圃場
53 根茎の磨砕装置
54 厨芥など食品残渣を炭素源とする原料
Claims (13)
- 光発光体または該光発光体を光源とした光導波路を有する光照射装置を内装または外装した密閉型の微細藻類連続培養装置に、種となる微細藻類を無菌供給装置またはろ過滅菌装置を介して植種し、光照射装置による光照射により微細藻類を連続培養する微細藻類連続培養方法において、
前記光照射装置が、培養液中の微細藻類の光合成に必要な光質と光量子を中心波長430〜480nm、560〜620nmおよび675〜685nmで、かつ短波長基準の光量子量の比率がそれぞれ0.5〜5および4〜10からなる光を、側壁面、培養液の上面および下面の少なくとも一方より培養液に向かって照射する構造を有し、
前記微細藻類連続培養装置が、前記微細藻類の炭素源として水に可溶な炭水化物を含む前記培養液に加熱滅菌処理を施す加熱装置を内部または外部に保持するとともに、前記培養液中に内容物を投入するための無菌供給装置またはろ過滅菌装置を備え、
前記培養液中に微細藻類の炭素源として水に可溶な炭水化物を投入し、次いで加熱滅菌処理後、冷却を施した後、種となる微細藻類を植種し、従属栄養培養と独立栄養培養とを同時に進行させることを特徴とする微細藻類連続培養方法。 - 前記光照射装置による光照射を培養液1立方メートル当り30W〜100Wの光を照射することにより行なう請求項1記載の微細藻類連続培養方法。
- 前記加熱処理を75〜121℃で15〜60分間行なう請求項1または2記載の微細藻類連続培養方法。
- 培養液の窒素源として、無機態窒素および/または有機態窒素を前記炭水化物の炭素に対して1/10〜1/20の範囲の質量比で無菌供給装置またはろ過滅菌装置を経由して投入する請求項1〜3のうちいずれか一項記載の微細藻類連続培養方法。
- カリウムおよびリンをそれぞれ前記炭水化物の炭素に対して1/50〜1/200の範囲の質量比で無菌供給装置またはろ過滅菌装置を経由して投入する請求項1〜4のうちいずれか一項記載の微細藻類連続培養方法。
- 微量金属要素としてMg、Mn、Ca、Feを無菌供給装置またはろ過滅菌装置を経由して投入する請求項1〜5のうちいずれか一項記載の微細藻類連続培養方法。
- 前記炭素源としての前記水に可溶な炭水化物として、グルコース、フルクトース、キシロース又はキシリトールなど、6単糖または5単糖単独または2種以上の混合物、蔗糖、マルトース(麦芽糖)、トレハロース、イヌリンなどの2糖または多糖類単独または2種以上の混合物、または木質セルロース,竹の茎,ササの葉、バガスやこれらの植物に含まれる多糖類の酸またはアルカリまたは酵素による加水分解物単独または2種以上の混合物を用いる請求項1〜6のうちいずれか一項記載の微細藻類連続培養方法。
- 前記炭素源としての前記水に可溶な炭水化物を、クエン酸および/またはグリセリンとし、該炭素源に必須アミノ酸を含むアミノ酸群および/またはペプチドを10〜500mg/L添加する請求項1〜6のうちいずれか一項記載の微細藻類連続培養方法。
- 前記炭素源としての前記水に可溶な炭水化物を、ムギワラ、イネワラ、芝生、雑草、野菜屑や果実の皮などのソフトセルロース、およびジャガイモ、サツマイモ、カンナ根茎植物の根や茎の磨砕物などのデンプンを酸またはアルカリまたは酵素による加水分解した六単糖、五単糖の混合物、またはイヌリンで構成するキクイモの根茎磨砕物単独または2種以上の混合物とする請求項1〜6のうちいずれか一項記載の微細藻類連続培養方法。
- 前記水に可溶な炭水化物に代わる炭素源および栄養塩や微量金属要素に変わる栄養源として、微細藻類の独立栄養培養液の廃液またはメタン発酵液のメタン消化液を培養液として細胞壁を持つChlorella(クロレラ)属、Scenedesmus(セネデスムス)属またはSpirurina(スピルリナ)属の緑藻類を培養し、この培養液から重力沈降法、遠心分離またはUF膜を用いて分離した固形物を直接または熱処理した後、該固形物を直接または粉砕して微細藻類の栄養源とする請求項1〜6のうちいずれか一項記載の微細藻類連続培養方法。
- Euglena(ユーグレナ)属、Chlamidomonas(クラミドモナス)属、Scenedesmus(セネデスムス)属またはAnkistrodesmus(アンキストロデスムス)属を単独または混合培養する請求項1〜10のうちいずれか一項記載の微細藻類連続培養方法。
- 光源から照射される培養液中の最小光量子量が3〜5μE/s/m2の範囲で確保可能な光環境を保持する請求項1〜11のうちいずれか一項記載の微細藻類連続培養方法。
- 従属栄養下で培養した微細藻類を培養液そのもの又は物理的方法で濃縮した培養液を人工光−太陽光併用型の密閉型微細藻類連続培養装置に移植し、二酸化炭素供給と光照射による独立栄養下で1〜3日間Euglena(ユーグレナ)属、Chlamidomonas(クラミドモナス)属またはScenedesmus(セネデスムス)属またはAnkistrodesmus(アンキストロデスムス)属を培養する、従属栄養と独立栄養とを併用する請求項1〜12のうちいずれか一項記載の微細藻類連続培養方法。
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