JP7049647B2

JP7049647B2 - 藻類の育成方法及び藻類培養装置

Info

Publication number: JP7049647B2
Application number: JP2017229716A
Authority: JP
Inventors: 高郁山本; 幹夫都筑; 健一桑田; 賢高山; 廣己丈島; 恒之介松岡
Original assignee: Braingild
Current assignee: Braingild
Priority date: 2016-12-01
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2022-04-07
Anticipated expiration: 2037-11-29
Also published as: JP2018088916A

Description

本発明は、藻類の育成方法及び藻類を取り去る仕組みを具備した藻類培養装置に関する。

藻類は光を利用して効率的に二酸化炭素を取り込んで有用な化合物に変換することができることから、光の有効な活用、あるいは二酸化炭素の有効な固定を狙ってより有効な活用が試みられている。藻類を効率よく生産するため、藻類を付着させた担体を縦に配置し、培養液を上方より流し、生育した藻類を培養液の回収再利用の過程で同時に回収することが提案されている（特許文献１、２）。また、藻類を多段に配することで、光を有効に活用すると同時に、効率良く有用物を生産できるように、一方の段で光により独立栄養増殖し、他方の段では利用可能な栄養を供給して効率よく有用物を蓄積するように配する方法が提案されている（特許文献３）。また、赤色光の照射と青色光の照射を一定のパターンで行い、さらには光照射を休止する期間を設けることでより藻類の増殖を促進することが提案されている（特許文献４）。

特開２０１２－１７５９６４号公報特開２０１３－１５３７４４号公報特開２０１５－０５７９９０号公報特開２０１５－１２８４４８号公報

上記、特許文献１、２の方法は、藻類を効率よく生産し収穫できる方法であるが藻類の生産能力が十分に生かされていないという問題がある。特許文献３、４の方法では、藻類を効率良く育成し、有効に活用することで効率よく有効成分を得ることができる方法であるが、装置が複雑でしかも運転方法が煩雑であるという問題がある。簡単な装置で、簡便な操作で、光照射して、単位面積あたりより早い速度で藻類を生産できることが望まれる。

本発明者らは上記課題を解決する方法について鋭意検討し、特定の装置を構成することで適宜、支持体より藻類を取り去るだけで、極めて生産性良く藻類を産出できることを見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明は、
（１）藻類を付着させた支持体を気相中に配置し、前記支持体の上から連続的に培養液を供給して前記藻類を育成する方法であって、０．１～６時間おきに支持体から育成された藻類を取り去る工程を有する藻類の育成方法に関し、
（２）前記支持体から藻類を取り去る工程が、２～４時間おきに行われる（１）に記載の藻類の育成方法、
（３）前記支持体から藻類を取り去る工程において、取り去る藻類の量は、取り去る前の前記支持体に含まれた藻類の量を１．０として、０．１～０．６である（１）又は（２）に記載の藻類の育成方法、
（４）取り去る藻類の量が、取り去る前の前記支持体に含まれた藻類の量を１．０として、０．２～０．４である（３）に記載の藻類の育成方法
（５）前記支持体から藻類を取り去る工程を、前記支持体に含まれた藻類及び前記培養液を吸引回収装置により吸引することにより行う（１）から（４）のいずれか一に記載の藻類の育成方法、及び、
（６）（１）から（５）のいずれか一に記載の藻類の育成方法を用いた藻類培養装置、
に関する。

本発明の藻類培養装置を用いて藻類を育成することで、藻類が常に最大効率で新たな藻類を生産することができ、従来の装置、方法で生産するに比較して数倍の生産性を示すことができ工業的に極めて価値がある。

本発明の実施形態に係る吸引回収装置を軸線を通る面で半割した状態を示した断面図である。本発明の実施形態に係る吸引回収装置の他の例を軸線を通る面で半割した状態を示した断面図である。本発明の実施形態に係る吸引回収装置の他の例を軸線を通る面で半割した状態を示した断面図である。

本発明において藻類とは、光の照射によって有効成分を産出し蓄積できるものであればどのようなものでも利用できるが、好ましくは気生状態で生息できる藻類であり、具体的にはボトリオコッカス属あるいは、クロレラ属の緑藻類、ヘマトコッカス属の緑藻類、あるいはパラクロレラを含むトレボキシア藻、紅藻などが例示できる。また、ミドリムシなどの光合成をする微細生物であっても良い。

本発明において支持体とは、上記藻類をその表面に固定できるものであればどのようなものでも良いが通常シート状のものが利用でき、さらには、シート状の支持体を円筒形などの立体にして利用しても良い。

上記支持体は、例えば、晒などの布あるいは、不織布であっても良く、素材としては、木綿、麻、ウール、絹などの天然素材の他に、ナイロン、レーヨン、ポリエステル、ポリアクリロニトリル、ポリプロピレンなどの合成高分子を繊維化したもの、あるいは、アセテートなどの半合成繊維が利用できる。

本発明においては、藻類を育成し、掻き取るなどして育成された藻類を回収することを効率よくできるように、上記支持体は、形状を保持するため木材、金属あるいは、プラスチックで作られた構造材で一定の形状に保持するのがより好ましい。

本発明において支持体に植え付けるとは、後述の通常の育成状況下に、藻類が脱落しないように、支持体に付着している状況を意味しており、どのようなやり方で植え付けられたものであってもよいが、例えば、上記支持体の存在下で藻類を育成し、藻類が支持体に有効に保持された状態を示し、余分の藻類は軽く水で洗浄したものであっても良い。

本発明において藻類の一部を取り去る仕組みとは、藻類の生産性が高く保持されるように、例えば、一定間隔に設置した支持体の表面に増殖した藻類を取り去ることができるものであり、藻類の育成速度によって好ましい時間的間隔は異なるが、通常２～４時間のインターバルになるように育成温度、照射する光の強度、栄養源の補給条件等を設定するのが好ましい。生産性と運転のやり易さなどを考慮すると、おおよそ、その範囲は０．１～６時間程度である。

本発明において適宜とは、通常は一定時間ごとに、藻類を取り去ることをいうが、必ずしも一定の間隔である必要はなく、取り去る効果が発揮されるように、好ましい時間の間隔であれば一定間隔であることを必ずしも必要としない。

藻類の一部とは、取り去ったあとの残りの藻類の生産性が落ちず、藻類の能力を最高に発揮すると言う意味であり、掻き取る前の支持体に含まれた藻類の量を１．０として、０．１～０．６程度を掻き取ることを含む。再現性のよい生産性を維持し効率を高く維持するという意味からは、好ましくは支持体に含まれた藻類の量を１．０として０．２～０．４程度である。

取り去る仕組みとしては、表面の藻類を効率良く取り込むことができるものであればどのようなものであっても良いが、通常、支持体の表面より所望の比率で藻類を取り込むことができるように、鋭利な固体（金属、ガラス、プラスチック、セラミックスなど）で藻類を直接切り取る方法や、振動（機械的、超音波など）で藻類を落とす、あるいは、藻類が生育している表面を支持体の表面から一定の厚さで藻類が残るように掻きとることができるように、板状あるいは波板状の掻き取り板を適用することができる。例えば、円筒形の支持体で藻類を育成する場合には、アクリルの板に円筒形の支持体の外径より０．１～０．５ｍｍ程度大きい円形の孔を形成した掻き取り板を用いることができる。このような掻き取り板は、円筒形の支持体を円形の孔に挿入した状態で、支持体の軸線方向に沿って移動させることで藻類を効率的に掻き取ることができる。

ここで、円形に切り取ったものの動かし方については、上下するとか、振動を加えるとか、円筒に対して斜めにするなど工夫することはなんら問題はない。

本発明においては、支持体からの藻類の回収は、掻き取る以外に、藻類を支持体から絞りとったり、支持体から藻類を遊離させたりするなどの方法で行うことも可能であり、支持体から藻類の一部を取り去ることによって、藻類の生産性が大幅に向上する。

本発明において、藻類培養装置を稼働させるに際して光の照射は自然光の他に人工的な光源を用いることができる。照射する光の波長としては、４００～７００ｎｍの光が利用できる。また、照射時間についても、連続的な照射ではなく、断続的な照射などが好ましい場合もある。

また、光の照射に際しては、１つの光源より光を多数に分割して使用しても、多数の光源を集めて利用しても良い。また、光源のひかりを広く分散しても良いし、レンズで集光して利用しても良い。

上述のようにすることで藻類に照射される光量を最適化することでさらに生産性を上げることが可能となり、加えて光をより効率よく利用することが可能となる。

また、藻類の育成温度としては、藻類の種類によるが、一般的には１０～６０℃、好ましくは、２０～４０℃である。
本発明の藻類培養装置は、以上に示した、支持体、培養液の供給手段、光源、及び藻類を取り去る仕組みを備え、本発明の藻類の育成方法を実施できるようになっている。

本発明において、掻き取ったり絞り取ったりした藻類あるいは、藻類のスラリーからの有効成分の回収方法としては、特に制限はなく、乾燥後に絞りとるとか抽出によるなど公知の方法が利用できる。

本発明においては上記装置あるいはその一部を三次元的に組み上げて筐体としてより効率的に光や二酸化炭素を活用することもできる。

また、筐体は横３個に並べた場合も、高さ方向に３個積んだ場合も、各筐体当りのクロレラ収量に変わりがなく、複数の筐体を縦、横、高さ方向に設置しての生産ができる。

培養された藻類を支持体から取り去る仕組みとしては、上記実施形態で例示したほかに、支持体の表面から藻類を含む培養液を吸引することにより培養した藻類を回収する吸引回収装置を用いてもよい。
吸引回収装置としては、図１から図３に示すように、支持体１の一方又は双方の表面１ａに接して支持体１に含まれた藻類を含む培養液を吸引する吸引部２を備えた吸引回収装置３などを例示することができる。

かかる吸引回収装置３の吸引部２としては、図１，図２又は図３に示すように、支持体１の形状に合わせて支持体１にほぼ接するように形成された貫通路４，５を設けたものを例示することができる。具体的には、支持体１が円筒形である場合には、吸引部２の貫通路４として、一方向に貫通し内面が支持体１を挿入可能な円周状に形成された形態を例示することができる。また、図２に示すように、支持体１がシート状又は板状である場合には、吸引部２の貫通路５として、支持体１をシート又は板状体の厚さ方向に挟み込むことが可能な偏平な内面を有する形態を例示することができる。

支持体１の表面に対向させる貫通路４，５の形成面には、吸引孔６が複数形成されているとよい。この構成により、吸引部２は、支持体１を貫通路４，５に挿通し移動させながら、培養された藻類を含む培養液を吸引孔６から吸い込むことができる。
この場合、吸引孔６の形状は、支持体１からまんべんなく藻類を吸引することができる限り、正円、楕円、長穴、その他どのような形状、個数又は配置であってもよい。

また、吸引回収装置３は、設定された吸引力で、支持体１に含まれた藻類を所定の割合で吸引することができる搬送速度により自動で貫通路４，５に搬入し、貫通路４，５から搬出することができる搬送機構及び制御部を有していてもよい。搬送機構としては、図示しないが、例えば管路４，５の軸線Ｌ方向に支持体１を移動させる搬送ベルトなどを例示することができる。この場合、搬送ベルトにも吸引孔６が形成されていてもよい。

支持体１がシート状又は板状に形成されている場合には、搬送機構として、貫通路５への挿通方向に沿って回転する無端ベルトを例示することができる。
円筒形の支持体１の搬送機構としては、図示しないが、円筒形の支持体１の内周面に密接させるものであって、ベルトを螺旋状に巻回し貫通路４の軸線Ｌ周りに回転可能な回転ベルトを備えた例を挙げることができる。この構成によれば、円筒形の支持体１を搬送機構により回転させながら貫通路４内を軸線Ｌ方向に移動させつつ、支持体１の外周面から培養液を吸引することができる。
又は、円筒形の支持体１を搬送可能な搬送機構として、筒状の支持体１の内周面に接するように挿通され、支持体１を回転させずに軸線Ｌ方向に移動可能な芯部材を有するものなどが挙げられる。

又は、吸引部２は、図３に示すように、芯部材１０に吸引孔６が形成され、支持体１の内面側から藻類を含む培養液を取り込む部材で、支持体１の外周面に、図示しないベルトを螺旋状に巻回し軸線Ｌ周りに回転可能とした搬送機構を密接させる構成であってもよい。この構成によれば、搬送機構を軸線Ｌ周りに回転させることによって筒状の支持体１を回転させながら貫通路４の軸線Ｌ方向に移動させつつ、芯部材１０により支持体１の内面１ａ側から培養された藻類を含む培養液を吸引して回収することができる。
なお、吸引部２には、図示しないが、貫通路４，５内を吸引するための吸引機が接続されている。

吸引回収装置３は、吸引部２において吸引された培養液を貯留するタンク７を有していてもよく、更に貯留タンク７に溜められた培養液において藻類がタンクの下方に沈殿した後の上清液を回収する機構（不図示）が設けられていてもよい。
以上のような吸引回収装置３を用いても、支持体１から適量の藻類を取り去ることによって、藻類の生産性を大幅に向上させることができる。

以下に本発明の態様の一例を実施例として示す。

［実験例１］
予め藻類を付着させておいた晒布を上から吊るし、両面から７０μｍｏｌ光量子／ｍ^２・秒の光強度で白色光を照射し、布に植物組織培養用のガンボーグ（ＧＢ５）の５倍希釈液を流下させてパラクロレラ細胞Ｐａｒａｃｈｌｏｒｅｌｌａｋｅｓｓｌｅｒｉ１１ｈを約３０℃で培養し、流出細胞を毎日１回回収した。布上の細胞を含めて、１週間で全増殖量が布面積あたり乾燥重量として５７．０ｇＤＷ／ｍ^２であった。このことは、１日あたりの増殖量は８．１ｇＤＷ／ｍ^２・日ということになる。この時、光源は晒布１枚１ｍ^２片面当たり、ＬＥＤ１００個、両面でＬＥＤ２００個を使用した。ＬＥＤ発光角度は概略１２０度であった。

［実施例１］
１ｍ×１ｍ×１ｍの筐体内に、幅８５ｃｍ、高さ９５ｃｍの不織布晒をぶら下げ、ＫＮＯ_３とＮａＨＰＯ_４を添加した、１０倍希釈のＧＢ５培養液を不織布に流した。両面から赤色ＬＥＤで照射しながら、パラクロレラ細胞Ｐａｒａｃｈｌｏｒｅｌｌａｋｅｓｓｌｅｒｉ１１ｈを不織布上で、約３０℃で増殖させた。
光は、ＬＥＤの前にレンズを設置し光を分散させて広く照射し、片面ＬＥＤ２５個／ｍ^２、両面でＬＥＤ５０個／ｍ^２、計ＬＥＤ２０５個／筐体であった。これは、従来の１２０度ＬＥＤ片面ＬＥＤ１００個／ｍ^２、両面でＬＥＤ２００個／ｍ^２と同様の光強度である。
クロレラ細胞の増殖量を求めたところ、７日間で乾燥重量５１．８ｇＤＷ／ｍ^２、すなわち１日あたり７．４ｇＤＷ／ｍ^２・日の細胞が得られた。光源は実験例１と同様である。

次に、上記と同様の装置を用いて５日間培養し、６日目から７日目にかけて４時間おきに、不織布を絞って細胞を出すことによって細胞増殖を促したところ、２４時間で乾燥重量２２．２ｇの細胞を回収した。この値は、実質８５ｃｍ×９５ｃｍの布面積であるから、１日で布面積あたり２７ｇ／ｍ^２の細胞を収穫したことになる。なお、収穫後、不織布上にまだ１４ｇＤＷ残存していた。

さらに、実験を繰り返し、２．５時間ごとにこの細胞収穫作業を行ったところ、３２ｇ／ｍ^２・日の収穫結果となった。筐体当りでは、５枚の布で、約１３０ｇＤＷ／日／筐体であり、ＬＥＤは８１０個／筐体であった。

上記結果から驚くべきことに、クロレラなどの藻類の育成では時間単位という極めて短い間隔で収穫することで、その生産性を格段に高めることが可能であることが初めて明らかとなったと言える。

例えば４時間ごとの掻き取りの場合は、１日あたり布１ｍ^２あたり両面で３０ｇＤＷ／ｍ^２あるいはそれ以上の細胞が連続的に収穫可能である。

［実施例２］
高さ０．６ｍ×横１ｍ×縦１ｍの筐体内に、楕円筒形の晒（長径２２０ｍｍ×短径８ｍｍ×高さ５００ｍｍ）に、乾燥クロレラ換算でクロレラを２０ｇ／ｍ^２付着させたものを使用して、縦４×横１２で４８枚／筐体を等間隔で設置した。光源は全て８０ｍｍ間隔で、縦方向１２×横方向に１３個で、計１５６個／筐体を縦方向布楕円筒間の中心線上をベースに配置し、上部から下方に照射した。なお、本光源にはＬＥＤの前面に集光レンズを使用し、集光角度を調整して高さ方向５００ｍｍまで光が届くようにした。

筐体内には、２０％のＣＯ_２を含む排ガスを０．５Ｌ／ｍｉｎで流しつつ、培養液として植物組織培養培地ガンボーグＢ５を１０倍希釈したものを使用して、０．５／ｍｉｎ／ｍ^２の速度で培養液を供給しつつ光強度が１８０μｍｏｌ／ｍ^２／ｓｅｃ、間欠光と同等の効果がある１０００Ｈｚの波長６８０ｎｍ（半値幅約１０ｎｍ）赤色光を照射した。掻き取り装置は、透過度の高いアクリル板に楕円筒形の晒の外径より０．５ｍｍ大きい孔を４８個、楕円筒布の周囲に空けた掻き落とし板を、各楕円筒布に通しておいて、２時間に１回下げ上げする装置を用いた。掻き取り装置を上下する方法は、機械駆動式であった。電力削減のため、各筐体内の掻き落とし板での掻き落としは、基本、時間差を付けた。掻き落とし板の孔径は、掻き落とし後の支持体の細胞が概２０ｇＤＷ／ｍ^２になる様に、事前試験により設定した。温度は３２℃とした。

結果は、１日で生成クロレラ１８ｇＤＷ／１日／１ｍ^２布の生産量であった。

この筐体トータルで、生成クロレラ約２０５ｇＤＷ／日となる。

１支持体
２吸引部
３吸引回収装置
４貫通路
５貫通路
６吸引孔

Claims

藻類を付着させた支持体を気相中に配置し、前記支持体の上から連続的に培養液を供給して前記藻類を育成する方法であって、
０．１～６時間おきに前記支持体から育成された藻類を取り去る工程を有する藻類の育成方法。
前記支持体から藻類を取り去る工程が、２～４時間おきに行われる請求項１に記載の藻類の育成方法。
前記支持体から藻類を取り去る工程において、取り去る藻類の量は、取り去る前の前記支持体に含まれた藻類の量を１．０として、０．１～０．６である請求項１又は２に記載の藻類の育成方法。
前記支持体から藻類を取り去る工程において、取り去る藻類の量が、取り去る前の前記支持体に含まれた藻類の量を１．０として、０．２～０．４である請求項１又は２に記載の藻類の育成方法。
前記支持体から藻類を取り去る工程を、前記支持体に含まれた藻類及び前記培養液を吸引回収装置により吸引することにより行う請求項１から４のいずれか一項に記載の藻類の育成方法。