JPH09121835A - チューブラ型フォトバイオリアクタ - Google Patents
チューブラ型フォトバイオリアクタInfo
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- JPH09121835A JPH09121835A JP30233495A JP30233495A JPH09121835A JP H09121835 A JPH09121835 A JP H09121835A JP 30233495 A JP30233495 A JP 30233495A JP 30233495 A JP30233495 A JP 30233495A JP H09121835 A JPH09121835 A JP H09121835A
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- C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
- C12M21/02—Photobioreactors
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
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- C12M23/06—Tubular
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- C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 少ない設置面積で受光面積を大きくし、しか
も光合成反応で発生する酸素の影響を抑えて、効率よく
微細藻類等を大量培養するためのチューブラ型フォトバ
イオリアクタを提供する。 【解決手段】 円錐体の側面に光透過性のチューブ２を
チューブ間に間隔を開けながら螺旋状に設置する。
も光合成反応で発生する酸素の影響を抑えて、効率よく
微細藻類等を大量培養するためのチューブラ型フォトバ
イオリアクタを提供する。 【解決手段】 円錐体の側面に光透過性のチューブ２を
チューブ間に間隔を開けながら螺旋状に設置する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は微細藻類等の光合成
生物の培養装置に係り、特に大容量の被培養物を高密度
にかつ高増殖率で培養するのに好適なチューブラ型フォ
トバイオリアクタに関する。
生物の培養装置に係り、特に大容量の被培養物を高密度
にかつ高増殖率で培養するのに好適なチューブラ型フォ
トバイオリアクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、温室効果ガスとして地球環境への
影響が懸念されている二酸化炭素（以下ＣＯ2 という）
の問題が深刻化し、ＣＯ2 固定化の試みとして、生物的
固定化の検討が各研究機関で行われている。植物の光合
成を利用してＣＯ2 を固定する方法はエネルギーを使わ
ない手法として注目すべきものであり、中でも微細藻類
等の増殖速度は非常に速く、その光合成を利用すること
により、火力発電所や製鉄所等の固定発生源からのＣＯ
2 を効率よくバイオマスとして固定化することができ
る。藻類は独立栄養生物で、原則的には光、水、ＣＯ2
が必要である。好ましくは、適当な濃度のＣＯ2 源、無
機栄養塩類の供給、適当な温度およびｐＨ、さらに光合
成に有効な長波長領域の可視光を光合成物に適した強度
で照射することが必要である。これを満足させるための
リアクタの一つとして、光透過性のチューブを用いるフ
ォトバイオリアクタがある。培養槽に相当する部分に透
明チューブを用いるので光の照射面積が大きいことや外
部からの汚染がないこと等数々の利点を持ち、藻類の高
密度培養や有用物質生産に適したものである。
影響が懸念されている二酸化炭素（以下ＣＯ2 という）
の問題が深刻化し、ＣＯ2 固定化の試みとして、生物的
固定化の検討が各研究機関で行われている。植物の光合
成を利用してＣＯ2 を固定する方法はエネルギーを使わ
ない手法として注目すべきものであり、中でも微細藻類
等の増殖速度は非常に速く、その光合成を利用すること
により、火力発電所や製鉄所等の固定発生源からのＣＯ
2 を効率よくバイオマスとして固定化することができ
る。藻類は独立栄養生物で、原則的には光、水、ＣＯ2
が必要である。好ましくは、適当な濃度のＣＯ2 源、無
機栄養塩類の供給、適当な温度およびｐＨ、さらに光合
成に有効な長波長領域の可視光を光合成物に適した強度
で照射することが必要である。これを満足させるための
リアクタの一つとして、光透過性のチューブを用いるフ
ォトバイオリアクタがある。培養槽に相当する部分に透
明チューブを用いるので光の照射面積が大きいことや外
部からの汚染がないこと等数々の利点を持ち、藻類の高
密度培養や有用物質生産に適したものである。
【０００３】１．実験室規模では、内径１cm、長さ１ｍ
のほう珪酸ガラスチューブを５０本直列につないで平板
状に並べた培養液量４ｌのチューブラ型リアクタが検討
され、エアリフト方式で培養液を循環して、メタルハラ
イド灯を人工光源としてクロレラ等の培養が行われた
（S.J.Pirt et al:A Tubular Bioreactor for Photosyn
thetic Production of Biomas from Carbon Dioxide,De
sign and Performance:J.Chem.Tech.Biotechnol.,33B,3
5-58(1983)）。
のほう珪酸ガラスチューブを５０本直列につないで平板
状に並べた培養液量４ｌのチューブラ型リアクタが検討
され、エアリフト方式で培養液を循環して、メタルハラ
イド灯を人工光源としてクロレラ等の培養が行われた
（S.J.Pirt et al:A Tubular Bioreactor for Photosyn
thetic Production of Biomas from Carbon Dioxide,De
sign and Performance:J.Chem.Tech.Biotechnol.,33B,3
5-58(1983)）。
【０００４】２．実用規模としては、内径６cm、長さ２
０ｍのポリエチレンチューブを８本並列に並べた培養面
積（設置面積）１０m2のチューブラ型リアクタを用い、
屋外でPorphyridiumの培養が行われた。培養液はポンプ
で１３ｌ／min の流速で循環し、年間生産量は１ヘクタ
ール当たり４２〜７６ton と見積もられた（C.Gudin an
d C.Thepenier:Bioconversion of Solar Energy Into O
rganic Chemicals by Microalgae:Advances in Biotech
nological Processes 6:Alan R.Liss,Inc.80-94(198
6)）。
０ｍのポリエチレンチューブを８本並列に並べた培養面
積（設置面積）１０m2のチューブラ型リアクタを用い、
屋外でPorphyridiumの培養が行われた。培養液はポンプ
で１３ｌ／min の流速で循環し、年間生産量は１ヘクタ
ール当たり４２〜７６ton と見積もられた（C.Gudin an
d C.Thepenier:Bioconversion of Solar Energy Into O
rganic Chemicals by Microalgae:Advances in Biotech
nological Processes 6:Alan R.Liss,Inc.80-94(198
6)）。
【０００５】３．ポンプを使わない方法として、エアリ
フト方式での培養液の循環が行われている。内径２．６
cm、長さ８ｍのパイレックスガラスチューブを１６本直
列につないで平板状に並べたチューブラ型リアクタで、
スピルリナの培養が行われた。１．６５，２．６５およ
び３．６５ｍのライザーを用いて、１．３〜２８．２ｌ
／min のガス流量に対する水の流速が測定され、３．６
５ｍのライザーで最大液流速１５ｌ／min が得られた。
気泡ポンプによる培養液の循環で、流速０．３ｍ／ｓ
（９．５ｌ／min ）で培養が行われ、７月のイタリアに
おける生産量２８ｇ／m2／日を得ている（G.Torzillo
P.Carlozzi,B.Pushparaj,E.Montaini,R.Materassi:A Tw
o-Plane Tublar Photobioreactor for Outdoor Culture
of Spirulina,Biotech.Bioeng.,42,891-898(1993)
）。
フト方式での培養液の循環が行われている。内径２．６
cm、長さ８ｍのパイレックスガラスチューブを１６本直
列につないで平板状に並べたチューブラ型リアクタで、
スピルリナの培養が行われた。１．６５，２．６５およ
び３．６５ｍのライザーを用いて、１．３〜２８．２ｌ
／min のガス流量に対する水の流速が測定され、３．６
５ｍのライザーで最大液流速１５ｌ／min が得られた。
気泡ポンプによる培養液の循環で、流速０．３ｍ／ｓ
（９．５ｌ／min ）で培養が行われ、７月のイタリアに
おける生産量２８ｇ／m2／日を得ている（G.Torzillo
P.Carlozzi,B.Pushparaj,E.Montaini,R.Materassi:A Tw
o-Plane Tublar Photobioreactor for Outdoor Culture
of Spirulina,Biotech.Bioeng.,42,891-898(1993)
）。
【０００６】４．設置面積縮小のために、反射板を設け
た円筒体にチューブを螺旋状に巻いて設置したチューブ
ラ型フォトバイオリアクタも提案されている。（Europi
an Patent Application number 87301955.8 ）。
た円筒体にチューブを螺旋状に巻いて設置したチューブ
ラ型フォトバイオリアクタも提案されている。（Europi
an Patent Application number 87301955.8 ）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】微細藻類等の光合成生
物では生産量に大きく影響するため、受光面積をいかに
大きくとり光を効率的に当てるかが重要である。上記
１．２．３．の従来技術におけるチューブラ型フォトバ
イオリアクタでは、チューブを地面に対して平面に大き
くとるため、受光面積は大きいものの設置面積も大き
い。
物では生産量に大きく影響するため、受光面積をいかに
大きくとり光を効率的に当てるかが重要である。上記
１．２．３．の従来技術におけるチューブラ型フォトバ
イオリアクタでは、チューブを地面に対して平面に大き
くとるため、受光面積は大きいものの設置面積も大き
い。
【０００８】一方、チューブラ型フォトバイオリアクタ
では、チューブの長さがバイオマス生産量に大きく影響
する。例えば、内径８cmのポリエチレンチューブを受光
部としてチューブの全長が５００ｍの場合、バイオマス
生産量は１７ｇ／m2／日で、２５０ｍの場合の２５ｇ／
m2／日の約７割である。チューブ内の滞留時間は前者で
は４時間、後者では２時間である。これは、培養液中の
溶存酸素濃度が、夏期の場合チューブ内に入った１時間
後には２０から２５ppm となり、飽和溶存酸素量（８pp
m 、２５℃）の３倍となるため、この酸素過飽和がバイ
オマス生産量の低下を招いている（G.Torozillo B.Pash
paraj,F.Bocci,W.Balloni,R.Materassi,G.Florenzano:P
roduction of Spirulina Biomass in Closed Photobior
eactors:Biomass,11,61-74(1986) ）。このように、光
合成反応で発生する酸素により溶存酸素の増加を招き、
藻体の増殖を阻害するという問題に加えて、発生した酸
素は気泡となってチューブ内の上部に滞留するため、部
分的な淀み部分ができ藻体の付着、乾燥等を招くことと
なる。
では、チューブの長さがバイオマス生産量に大きく影響
する。例えば、内径８cmのポリエチレンチューブを受光
部としてチューブの全長が５００ｍの場合、バイオマス
生産量は１７ｇ／m2／日で、２５０ｍの場合の２５ｇ／
m2／日の約７割である。チューブ内の滞留時間は前者で
は４時間、後者では２時間である。これは、培養液中の
溶存酸素濃度が、夏期の場合チューブ内に入った１時間
後には２０から２５ppm となり、飽和溶存酸素量（８pp
m 、２５℃）の３倍となるため、この酸素過飽和がバイ
オマス生産量の低下を招いている（G.Torozillo B.Pash
paraj,F.Bocci,W.Balloni,R.Materassi,G.Florenzano:P
roduction of Spirulina Biomass in Closed Photobior
eactors:Biomass,11,61-74(1986) ）。このように、光
合成反応で発生する酸素により溶存酸素の増加を招き、
藻体の増殖を阻害するという問題に加えて、発生した酸
素は気泡となってチューブ内の上部に滞留するため、部
分的な淀み部分ができ藻体の付着、乾燥等を招くことと
なる。
【０００９】また、上記４．の円筒型のチューブを用い
た培養槽の場合は、図８の左側で示されるように、太陽
光線の直接受光を考えた場合、円筒型の半分は必ず陰が
できるという問題が残る。さらに、チューブを反射板に
接触させて設置しているため、反射部分に空間がなく、
太陽光の直接受光では培養液の温度上昇を招き、温度制
御に不利である。本発明の課題は、少ない設置面積で受
光面積を大きくしながら溶存酸素の影響を抑え、効率よ
く微細藻類等を大量培養するチューブラ型フォトバイオ
リアクタを提供することにある。
た培養槽の場合は、図８の左側で示されるように、太陽
光線の直接受光を考えた場合、円筒型の半分は必ず陰が
できるという問題が残る。さらに、チューブを反射板に
接触させて設置しているため、反射部分に空間がなく、
太陽光の直接受光では培養液の温度上昇を招き、温度制
御に不利である。本発明の課題は、少ない設置面積で受
光面積を大きくしながら溶存酸素の影響を抑え、効率よ
く微細藻類等を大量培養するチューブラ型フォトバイオ
リアクタを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題は、次の解決手
段によって達成される。 （１） 光透過性のチューブからなる培養槽を用いて微
細藻類等を培養するフォトバイオリアクタにおいて、前
記チューブをチューブ間の間隔を開けながら円錐体側面
に螺旋状に設置したことを特徴とするチューブラ型フォ
トバイオリアクタ。 （２） 反射板をチューブより内側でかつ該チューブか
ら離して設け、該チューブは一重または多重に設置して
いることを特徴とする（１）のチューブラ型フォトバイ
オリアクタ。 （３） 培養液を循環するための気泡ポンプを設置し
て、該気泡ポンプは気泡の上昇と同一方向に培養液も上
昇するライザー部を有する構造であることを特徴とする
（１）または（２）のチューブラ型フォトバイオリアク
タ。 （４） 気泡ポンプから流出する培養液を培養槽の下端
部のチューブから導入して上端部のチューブから排出す
る構造であることを特徴とする（３）のチューブラ型フ
ォトバイオリアクタ。 （５） 気泡ポンプのライザー部の上端部と培養槽の下
端部とを配管で接続し、前記ライザー部の下端部と前記
培養槽の上端部とを配管で接続することを特徴とする
（４）のチューブラ型フォトバイオリアクタ。 （６） 気泡ポンプを３本の直管からなる組み合わせと
し、各々の直管を上下交互の流れをする培養液の導入
部、ライザー部、培養液の抜出部とすることを特徴とす
る（４）のチューブラ型フォトバイオリアクタ。 （７） 気泡ポンプを円錐型の培養槽のチューブより内
側に設置したことを特徴とする（３）、（４）、（５）
または（６）のチューブラ型フォトバイオリアクタ。 （８） 培養槽から排出した培養液が気泡ポンプに導入
される前の部分に脱気手段を設置したことを特徴とする
（４）、（５）、（６）または（７）のチューブラ型フ
ォトバイオリアクタ。
段によって達成される。 （１） 光透過性のチューブからなる培養槽を用いて微
細藻類等を培養するフォトバイオリアクタにおいて、前
記チューブをチューブ間の間隔を開けながら円錐体側面
に螺旋状に設置したことを特徴とするチューブラ型フォ
トバイオリアクタ。 （２） 反射板をチューブより内側でかつ該チューブか
ら離して設け、該チューブは一重または多重に設置して
いることを特徴とする（１）のチューブラ型フォトバイ
オリアクタ。 （３） 培養液を循環するための気泡ポンプを設置し
て、該気泡ポンプは気泡の上昇と同一方向に培養液も上
昇するライザー部を有する構造であることを特徴とする
（１）または（２）のチューブラ型フォトバイオリアク
タ。 （４） 気泡ポンプから流出する培養液を培養槽の下端
部のチューブから導入して上端部のチューブから排出す
る構造であることを特徴とする（３）のチューブラ型フ
ォトバイオリアクタ。 （５） 気泡ポンプのライザー部の上端部と培養槽の下
端部とを配管で接続し、前記ライザー部の下端部と前記
培養槽の上端部とを配管で接続することを特徴とする
（４）のチューブラ型フォトバイオリアクタ。 （６） 気泡ポンプを３本の直管からなる組み合わせと
し、各々の直管を上下交互の流れをする培養液の導入
部、ライザー部、培養液の抜出部とすることを特徴とす
る（４）のチューブラ型フォトバイオリアクタ。 （７） 気泡ポンプを円錐型の培養槽のチューブより内
側に設置したことを特徴とする（３）、（４）、（５）
または（６）のチューブラ型フォトバイオリアクタ。 （８） 培養槽から排出した培養液が気泡ポンプに導入
される前の部分に脱気手段を設置したことを特徴とする
（４）、（５）、（６）または（７）のチューブラ型フ
ォトバイオリアクタ。
【００１１】図８に示すように、円錐型は円筒型と異な
り、太陽光線の反対側が半分陰になるということがな
く、受光面積を大きくとることができる。光透過性のチ
ューブをチューブ間に間隔を開けながら円錐体側面に螺
旋状に巻き付けた培養槽とすることで、平面的に設置す
るよりも設置面積を大幅に縮小して受光面積を大きくと
ることができる。しかも、チューブが傾斜しているの
で、発生する酸素の気泡はチューブ内に留まることなく
この傾斜に沿って上昇し、容易に除去できるので酸素気
泡による藻体の付着、乾燥等を回避でき、併せて溶存酸
素過飽和による増殖阻害も防止できるので、高い生産量
を得ることができる。また、間隔を設けてチューブ間に
空間を作ることで、チューブの外側の気体の滞留が起こ
らず培養液の温度上昇を抑えることができる。さらに、
チューブより内側にチューブから離して反射板を設ける
ことで散乱光を有効に利用できる。チューブを多重に巻
き付ければ、さらに散乱光を最大限に利用でき、藻体の
生産量は増大する。
り、太陽光線の反対側が半分陰になるということがな
く、受光面積を大きくとることができる。光透過性のチ
ューブをチューブ間に間隔を開けながら円錐体側面に螺
旋状に巻き付けた培養槽とすることで、平面的に設置す
るよりも設置面積を大幅に縮小して受光面積を大きくと
ることができる。しかも、チューブが傾斜しているの
で、発生する酸素の気泡はチューブ内に留まることなく
この傾斜に沿って上昇し、容易に除去できるので酸素気
泡による藻体の付着、乾燥等を回避でき、併せて溶存酸
素過飽和による増殖阻害も防止できるので、高い生産量
を得ることができる。また、間隔を設けてチューブ間に
空間を作ることで、チューブの外側の気体の滞留が起こ
らず培養液の温度上昇を抑えることができる。さらに、
チューブより内側にチューブから離して反射板を設ける
ことで散乱光を有効に利用できる。チューブを多重に巻
き付ければ、さらに散乱光を最大限に利用でき、藻体の
生産量は増大する。
【００１２】また、上記の培養槽に気泡ポンプを適用す
ることで、従来培養液の循環に回転ポンプ等を適用して
いた場合に起きるシアーストレス（剪断応力により藻類
が切断され、細胞の活性が低下して増殖速度が遅くなる
という影響）を回避できる。気泡ポンプから流出する培
養液を上記の培養槽の下端部から導入して上端部に上昇
させて循環すれば、チューブ内で発生した酸素は、スム
ーズにチューブの傾斜に沿って上昇するので、チューブ
内での滞留時間が少なくなると共に容易に除去すること
ができる。
ることで、従来培養液の循環に回転ポンプ等を適用して
いた場合に起きるシアーストレス（剪断応力により藻類
が切断され、細胞の活性が低下して増殖速度が遅くなる
という影響）を回避できる。気泡ポンプから流出する培
養液を上記の培養槽の下端部から導入して上端部に上昇
させて循環すれば、チューブ内で発生した酸素は、スム
ーズにチューブの傾斜に沿って上昇するので、チューブ
内での滞留時間が少なくなると共に容易に除去すること
ができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明は、下記の実施例によって
詳細に説明されるが、これによって制限されるものでは
ない。図１に、本発明の第１の実施例であるチューブラ
型フォトバイオリアクタの培養槽の断面図を示す。直径
５cmの透明なチューブ２を３cmづつ間隔を開け、一方反
射板７との距離は７．５cmとして螺旋状に一重巻きにし
た。反射板７の底角は、チューブ２の円錐体の地表面に
対する角度と同じ６０度である。太陽光線１２の入射角
が６０度の場合にはチューブ２の間を太陽光線１２が反
射板７により反射し、反射光としてチューブ２に照射さ
れる。また、チューブ間に間隔を設けて空間を作ること
により、チューブ２の外側の気体の滞留が起こらず培養
液の温度上昇を抑えることができる。円錐体の地表面に
対する角度は地域によって決められるべきであるが、例
えば、東京近郊の北緯３５度付近では、冬季の全日射量
（kcal／m2・日）が最大となる角度は６０度である。
詳細に説明されるが、これによって制限されるものでは
ない。図１に、本発明の第１の実施例であるチューブラ
型フォトバイオリアクタの培養槽の断面図を示す。直径
５cmの透明なチューブ２を３cmづつ間隔を開け、一方反
射板７との距離は７．５cmとして螺旋状に一重巻きにし
た。反射板７の底角は、チューブ２の円錐体の地表面に
対する角度と同じ６０度である。太陽光線１２の入射角
が６０度の場合にはチューブ２の間を太陽光線１２が反
射板７により反射し、反射光としてチューブ２に照射さ
れる。また、チューブ間に間隔を設けて空間を作ること
により、チューブ２の外側の気体の滞留が起こらず培養
液の温度上昇を抑えることができる。円錐体の地表面に
対する角度は地域によって決められるべきであるが、例
えば、東京近郊の北緯３５度付近では、冬季の全日射量
（kcal／m2・日）が最大となる角度は６０度である。
【００１４】図２は、本発明の第２の実施例であるチュ
ーブラ型フォトバイオリアクタの培養槽の断面図で、図
１のチューブを二重に巻いて設置したものである。図１
と同様に直径５cmの透明なチューブ２を３cmづつ間隔を
開け、反射板７との距離を７．５cmとして螺旋状に一重
巻きにし、さらにチューブ２の外側からの距離を７．５
cmとして、二重目のチューブ２ａを同様に設置した。こ
の二重目のチューブ２ａの外側は一重目のチューブ２の
外側と同量の直射太陽光線１２を受け、チューブ２ａの
内側への反射光は減少するものの、チューブ２ａ間を抜
けた光線は、内側のチューブ２へ照射され、有効に利用
される。
ーブラ型フォトバイオリアクタの培養槽の断面図で、図
１のチューブを二重に巻いて設置したものである。図１
と同様に直径５cmの透明なチューブ２を３cmづつ間隔を
開け、反射板７との距離を７．５cmとして螺旋状に一重
巻きにし、さらにチューブ２の外側からの距離を７．５
cmとして、二重目のチューブ２ａを同様に設置した。こ
の二重目のチューブ２ａの外側は一重目のチューブ２の
外側と同量の直射太陽光線１２を受け、チューブ２ａの
内側への反射光は減少するものの、チューブ２ａ間を抜
けた光線は、内側のチューブ２へ照射され、有効に利用
される。
【００１５】一方、光合成能を最大限に発揮させるため
には、炭素源の供給も重要であり、培養液中にＣＯ2 ガ
スを溶解させる必要がある。ＣＯ2 吸収塔を設けること
が好ましく、従来の公知の装置を採用することができ
る。ＣＯ2 吸収塔を上記の円錐体の培養槽のチューブの
内部に設置すれば、フォトバイオリアクタの設置面積を
従来の方式に比べて低減することができる。
には、炭素源の供給も重要であり、培養液中にＣＯ2 ガ
スを溶解させる必要がある。ＣＯ2 吸収塔を設けること
が好ましく、従来の公知の装置を採用することができ
る。ＣＯ2 吸収塔を上記の円錐体の培養槽のチューブの
内部に設置すれば、フォトバイオリアクタの設置面積を
従来の方式に比べて低減することができる。
【００１６】（実験例１）図３は、本発明の第３の実施
例であるチューブラ型フォトバイオリアクタの断面図で
ある。円錐体底面の直径が１５０cm、円錐体上部を切り
取った台形部上面の直径が４０cmである円錐体の架台６
に直径５cm、長さ５０ｍからなる透明塩化ビニル性のチ
ューブ２を、３cmづつ間隔を開け、反射板７との距離を
７．５cmとして、螺旋状に一重巻きにしてチューブラ型
リアクタの培養槽１とした。チューブ２内には、藻体が
分散している培養液が循環する。上記の培養槽１の円錐
体の架台６内部に、内径３０cm、高さ１００cmの円筒型
のＣＯ2 吸収塔１９を設置した。ＣＯ2 吸収塔１９内の
スパージャ８からＣＯ2混合ガス１１を微細気泡として
出し、ＣＯ2 を吸収した培養液はポンプ１４で培養槽１
のチューブ２の下端部に導入させ、上端部からＣＯ2 吸
収塔１９へ戻る。チューブ２内の線速度はガスの流量に
より、０から３３cm／ｓの範囲でとれる。流速は流量セ
ンサー１５で測定する。チューブ２内を移動する間に光
合成は行われ、藻体は培養液中のＣＯ2 を固定化し増加
する。チューブ２の出口側にはｐＨ計１６、溶存酸素計
１７、温度計１８が設置され、培養液の組成変化を監視
して最適条件に制御する。本実験例では図３の装置を用
いて、１日の受光量（光量子強度）２７Ｅ／m2・日、チ
ューブ内の培養液線速度２０cm／ｓ、常温で受光時間８
時間、初期の炭酸イオン濃度１６, ０００ppm （ｐＨ
９．２）の条件で、ラン藻類のSpirulina sp. を培養
し、そのバイオマス生産量は２５ｇ／m2・日であった。
例であるチューブラ型フォトバイオリアクタの断面図で
ある。円錐体底面の直径が１５０cm、円錐体上部を切り
取った台形部上面の直径が４０cmである円錐体の架台６
に直径５cm、長さ５０ｍからなる透明塩化ビニル性のチ
ューブ２を、３cmづつ間隔を開け、反射板７との距離を
７．５cmとして、螺旋状に一重巻きにしてチューブラ型
リアクタの培養槽１とした。チューブ２内には、藻体が
分散している培養液が循環する。上記の培養槽１の円錐
体の架台６内部に、内径３０cm、高さ１００cmの円筒型
のＣＯ2 吸収塔１９を設置した。ＣＯ2 吸収塔１９内の
スパージャ８からＣＯ2混合ガス１１を微細気泡として
出し、ＣＯ2 を吸収した培養液はポンプ１４で培養槽１
のチューブ２の下端部に導入させ、上端部からＣＯ2 吸
収塔１９へ戻る。チューブ２内の線速度はガスの流量に
より、０から３３cm／ｓの範囲でとれる。流速は流量セ
ンサー１５で測定する。チューブ２内を移動する間に光
合成は行われ、藻体は培養液中のＣＯ2 を固定化し増加
する。チューブ２の出口側にはｐＨ計１６、溶存酸素計
１７、温度計１８が設置され、培養液の組成変化を監視
して最適条件に制御する。本実験例では図３の装置を用
いて、１日の受光量（光量子強度）２７Ｅ／m2・日、チ
ューブ内の培養液線速度２０cm／ｓ、常温で受光時間８
時間、初期の炭酸イオン濃度１６, ０００ppm （ｐＨ
９．２）の条件で、ラン藻類のSpirulina sp. を培養
し、そのバイオマス生産量は２５ｇ／m2・日であった。
【００１７】もう一つの本発明の特徴は、気泡ポンプを
用いて円錐体側面に螺旋状にチューブを巻き付けた培養
槽に培養液を循環させることである。次に気泡ポンプの
原理について説明する。図９は、気泡ポンプの原型とな
る外部循環型気泡ポンプの基本構造と溶液の流れを示す
図である。気泡ポンプでは、ライザー部（ガスと共に液
が上昇する部分）４の下部からガス１１ａをスパージャ
８を通して微細気泡にして導入することにより、溶液は
ライザー部４で気泡と共に上昇しオーバーフローしてダ
ウンカマー部（液が下降する部分）２０に流れ、下降流
となってライザー部４下部に導かれ循環する。このよう
なガスの気泡の上昇と同一方向に培養液も上昇するライ
ザー部を有した構造の気泡ポンプを、実施例１および２
で示した円錐型に巻き付けた培養槽に適用すると、通常
のポンプ等を用いたときに発生する藻体のシアーストレ
スを回避することができる。これはライザー部４内でガ
スの気泡が上昇する方向に藻体も一緒に上昇するので、
例えばポンプの羽の回転による剪断応力を受けないから
である。
用いて円錐体側面に螺旋状にチューブを巻き付けた培養
槽に培養液を循環させることである。次に気泡ポンプの
原理について説明する。図９は、気泡ポンプの原型とな
る外部循環型気泡ポンプの基本構造と溶液の流れを示す
図である。気泡ポンプでは、ライザー部（ガスと共に液
が上昇する部分）４の下部からガス１１ａをスパージャ
８を通して微細気泡にして導入することにより、溶液は
ライザー部４で気泡と共に上昇しオーバーフローしてダ
ウンカマー部（液が下降する部分）２０に流れ、下降流
となってライザー部４下部に導かれ循環する。このよう
なガスの気泡の上昇と同一方向に培養液も上昇するライ
ザー部を有した構造の気泡ポンプを、実施例１および２
で示した円錐型に巻き付けた培養槽に適用すると、通常
のポンプ等を用いたときに発生する藻体のシアーストレ
スを回避することができる。これはライザー部４内でガ
スの気泡が上昇する方向に藻体も一緒に上昇するので、
例えばポンプの羽の回転による剪断応力を受けないから
である。
【００１８】図４に、本発明の第４の実施例であるチュ
ーブラ型フォトバイオリアクタの断面図を示す。チュー
ブ２を円錐体側面に螺旋状に設置した培養槽１に、気泡
ポンプ３を用いて培養液を循環させるものである。透明
なチューブ２は、円錐体の架台６に螺旋状に巻き付けて
チューブラ型リアクタの培養槽１とした。培養液は気泡
ポンプ３を用いて培養槽１とライザー部４との間を循環
する。ライザー部４で上昇した培養液は、円錐型の培養
槽１の上部から下部へと下降し、その後ライザー部４の
下部へ導かれる。藻体は培養液中に懸濁状態で存在し、
培養槽１で受光して光合成反応は進行する。ライザー部
４に導入された溶液中の溶存酸素はライザー部４のＣＯ
2 混合ガス１１による曝気作用により除去される。 （実験例２）本実験例では、図４の装置を用いて、１日
の受光量（光量子強度）２７Ｅ／m2・日、チューブ内の
培養液線速度２０cm／ｓ、常温で受光時間８時間、初期
の炭酸イオン濃度１６, ０００ppm （ｐＨ９. ２）の条
件で、ラン藻類のSpirulinasp. を培養した。溶存酸素
量は培養槽１上部のチューブ２入口で約１０ppm 、下部
のチューブ２出口で約２０ppm であった。バイオマス生
産量は２５ｇ／m2・日が得られた。
ーブラ型フォトバイオリアクタの断面図を示す。チュー
ブ２を円錐体側面に螺旋状に設置した培養槽１に、気泡
ポンプ３を用いて培養液を循環させるものである。透明
なチューブ２は、円錐体の架台６に螺旋状に巻き付けて
チューブラ型リアクタの培養槽１とした。培養液は気泡
ポンプ３を用いて培養槽１とライザー部４との間を循環
する。ライザー部４で上昇した培養液は、円錐型の培養
槽１の上部から下部へと下降し、その後ライザー部４の
下部へ導かれる。藻体は培養液中に懸濁状態で存在し、
培養槽１で受光して光合成反応は進行する。ライザー部
４に導入された溶液中の溶存酸素はライザー部４のＣＯ
2 混合ガス１１による曝気作用により除去される。 （実験例２）本実験例では、図４の装置を用いて、１日
の受光量（光量子強度）２７Ｅ／m2・日、チューブ内の
培養液線速度２０cm／ｓ、常温で受光時間８時間、初期
の炭酸イオン濃度１６, ０００ppm （ｐＨ９. ２）の条
件で、ラン藻類のSpirulinasp. を培養した。溶存酸素
量は培養槽１上部のチューブ２入口で約１０ppm 、下部
のチューブ２出口で約２０ppm であった。バイオマス生
産量は２５ｇ／m2・日が得られた。
【００１９】図５は、本発明の第５の実施例であるチュ
ーブラ型フォトバイオリアクタの断面図で、気泡ポンプ
３を用いて循環する培養液が、円錐型の培養槽１下部か
ら上部に上昇して流れるものである。ライザー部４で上
昇した培養液は、オーバーフローし、液溜としても作用
する脱気部５ａを経て配管１３ｂから培養槽１の下端部
のチューブ２へと導かれ、チューブ２内を螺旋状に上昇
する。培養槽１の上端部へ上昇した培養液は、光合成反
応により発生した酸素気泡と共に脱気部５を経由し、配
管１３ａを経てライザー部４の下端へ導かれて経路内を
循環する。溶存酸素は、ライザー部４のＣＯ2 混合ガス
１１による曝気作用により除去される。チューブ２内の
線速度はガスの流量により、所定の範囲で設定できる。
また、ライザー部４であるエアリフト管の長さを長くす
ることでさらに高速の循環が可能となる。 （実験例３）本実験例では図５の装置を用いて、１日の
受光量（光量子強度）２７Ｅ／m2・日、チューブ内の培
養液線速度２０cm／ｓ、常温で受光時間８時間、初期の
炭酸イオン濃度１６, ０００ppm （ｐＨ９．２）の条件
で、ラン藻類のSpirulina sp. を培養した。溶存酸素量
は培養槽１下部の入口で約８ppm 、上部出口で約１２pp
m であった。バイオマス生産量は２８ｇ／m2・日であっ
た。
ーブラ型フォトバイオリアクタの断面図で、気泡ポンプ
３を用いて循環する培養液が、円錐型の培養槽１下部か
ら上部に上昇して流れるものである。ライザー部４で上
昇した培養液は、オーバーフローし、液溜としても作用
する脱気部５ａを経て配管１３ｂから培養槽１の下端部
のチューブ２へと導かれ、チューブ２内を螺旋状に上昇
する。培養槽１の上端部へ上昇した培養液は、光合成反
応により発生した酸素気泡と共に脱気部５を経由し、配
管１３ａを経てライザー部４の下端へ導かれて経路内を
循環する。溶存酸素は、ライザー部４のＣＯ2 混合ガス
１１による曝気作用により除去される。チューブ２内の
線速度はガスの流量により、所定の範囲で設定できる。
また、ライザー部４であるエアリフト管の長さを長くす
ることでさらに高速の循環が可能となる。 （実験例３）本実験例では図５の装置を用いて、１日の
受光量（光量子強度）２７Ｅ／m2・日、チューブ内の培
養液線速度２０cm／ｓ、常温で受光時間８時間、初期の
炭酸イオン濃度１６, ０００ppm （ｐＨ９．２）の条件
で、ラン藻類のSpirulina sp. を培養した。溶存酸素量
は培養槽１下部の入口で約８ppm 、上部出口で約１２pp
m であった。バイオマス生産量は２８ｇ／m2・日であっ
た。
【００２０】実験例２で用いた図４の装置では、チュー
ブ２内で光合成反応により発生した酸素気泡はチューブ
２の傾斜に沿って上昇するが、培養槽１の上部から下部
に向かって流れる培養液の流れとは対向することにな
る。そのため、チューブ２内で酸素気泡の滞留時間が長
くなりやすく、藻体に溶存酸素の影響が及ぶ恐れがあっ
たが、実験例３用いた装置では、チューブ２内での培養
液の流れと酸素気泡の流れが同一方向であるためこのよ
うな影響がなく、生産量が多くなる。
ブ２内で光合成反応により発生した酸素気泡はチューブ
２の傾斜に沿って上昇するが、培養槽１の上部から下部
に向かって流れる培養液の流れとは対向することにな
る。そのため、チューブ２内で酸素気泡の滞留時間が長
くなりやすく、藻体に溶存酸素の影響が及ぶ恐れがあっ
たが、実験例３用いた装置では、チューブ２内での培養
液の流れと酸素気泡の流れが同一方向であるためこのよ
うな影響がなく、生産量が多くなる。
【００２１】図６は、本発明の第６の実施例であるチュ
ーブラ型フォトバイオリアクタの断面図である。実施例
５と同様に、気泡ポンプ３を用いて循環する培養液が、
円錐型の培養槽１下部から上部に上昇して流れるもので
ある。ライザー部４と上部からの培養液導入部と下部か
らの培養液抜出部を一体にしたものである。これは直管
構造であるライザー部４に仕切板１０ａ，１０ｂを入れ
る、または３本の直管を組み合わせることによって構成
される。ライザー部４部分で上昇して仕切板１０ａをオ
ーバーフローする培養液は、直管部９ｂを経由し培養槽
１下端部のチューブ２へと導かれ、チューブ２内を螺旋
状に上昇する。培養槽１の上端部へ上昇した培養液は、
光合成反応により発生した酸素気泡と共に脱気部５に至
り、ここで酸素気泡が除去された後、直管部９ａに導入
されて経路内を循環する。溶存酸素は、ライザー部４の
ＣＯ2 混合ガス１１による曝気作用により除去される。
チューブ２内の線速度はガスの流量により、所定の範囲
で設定できるが、ライザー部４で当たるエアリフト管の
長さを長くすることでさらに高速の循環が可能となる。 （実験例４）本実験例では図６の装置を用いて、１日の
受光量（光量子強度）２７Ｅ／m2・日、チューブ内の培
養液線速度２０cm／ｓ、常温で受光時間８時間、初期の
炭酸イオン濃度１６, ０００ppm （ｐＨ９．２）の条件
で、ラン藻類のSpirulina sp. を培養した。溶存酸素量
は培養槽１のチューブ２入口で約８ppm 、チューブ２出
口で約１２ppm であった。バイオマス生産量は３０ｇ／
m2・日であった。
ーブラ型フォトバイオリアクタの断面図である。実施例
５と同様に、気泡ポンプ３を用いて循環する培養液が、
円錐型の培養槽１下部から上部に上昇して流れるもので
ある。ライザー部４と上部からの培養液導入部と下部か
らの培養液抜出部を一体にしたものである。これは直管
構造であるライザー部４に仕切板１０ａ，１０ｂを入れ
る、または３本の直管を組み合わせることによって構成
される。ライザー部４部分で上昇して仕切板１０ａをオ
ーバーフローする培養液は、直管部９ｂを経由し培養槽
１下端部のチューブ２へと導かれ、チューブ２内を螺旋
状に上昇する。培養槽１の上端部へ上昇した培養液は、
光合成反応により発生した酸素気泡と共に脱気部５に至
り、ここで酸素気泡が除去された後、直管部９ａに導入
されて経路内を循環する。溶存酸素は、ライザー部４の
ＣＯ2 混合ガス１１による曝気作用により除去される。
チューブ２内の線速度はガスの流量により、所定の範囲
で設定できるが、ライザー部４で当たるエアリフト管の
長さを長くすることでさらに高速の循環が可能となる。 （実験例４）本実験例では図６の装置を用いて、１日の
受光量（光量子強度）２７Ｅ／m2・日、チューブ内の培
養液線速度２０cm／ｓ、常温で受光時間８時間、初期の
炭酸イオン濃度１６, ０００ppm （ｐＨ９．２）の条件
で、ラン藻類のSpirulina sp. を培養した。溶存酸素量
は培養槽１のチューブ２入口で約８ppm 、チューブ２出
口で約１２ppm であった。バイオマス生産量は３０ｇ／
m2・日であった。
【００２２】図７は、本発明の第７の実施例であるチュ
ーブラ型フォトバイオリアクタの断面図である。実施例
６で示された３本の直管の組み合わせからなる気泡ポン
プ３を円錐型の培養槽１の内部に設置し、気泡ポンプ３
の設置面積を減らしたものである。気泡ポンプ３の構成
は実施例６と同じであるため説明は省略する。 （実験例５）本実験例では図７の装置を用いて、１日の
受光量（光量子強度）２７Ｅ／m2・日、チューブ内の培
養液線速度２０cm／ｓ、常温で受光時間８時間、初期の
炭酸イオン濃度１６, ０００ppm （ｐＨ９．２）の条件
で、ラン藻類のSpirulina sp. を培養した。溶存酸素量
は培養槽１のチューブ２入口で約８ppm 、チューブ２出
口で約１２ppm であった。バイオマス生産量は３２ｇ／
m2・日であった。
ーブラ型フォトバイオリアクタの断面図である。実施例
６で示された３本の直管の組み合わせからなる気泡ポン
プ３を円錐型の培養槽１の内部に設置し、気泡ポンプ３
の設置面積を減らしたものである。気泡ポンプ３の構成
は実施例６と同じであるため説明は省略する。 （実験例５）本実験例では図７の装置を用いて、１日の
受光量（光量子強度）２７Ｅ／m2・日、チューブ内の培
養液線速度２０cm／ｓ、常温で受光時間８時間、初期の
炭酸イオン濃度１６, ０００ppm （ｐＨ９．２）の条件
で、ラン藻類のSpirulina sp. を培養した。溶存酸素量
は培養槽１のチューブ２入口で約８ppm 、チューブ２出
口で約１２ppm であった。バイオマス生産量は３２ｇ／
m2・日であった。
【００２３】第４、５、６、７、の実施例では、気泡ポ
ンプを用いて循環しているので、シアーストレスを回避
できる。さらに、第５、６、７、の実施例によれば、円
錐型の培養槽の下部から上部方向に培養液を流している
ので、培養槽中での酸素の滞留時間が短くなり、溶存酸
素量も少なくなる。また、第７の実施例のように気泡ポ
ンプを培養槽の内部に設置すれば、設置面積を少なくす
ることができる。チューブは１重のみに限らず、２重、
３重の多重に設置したものでもよい。
ンプを用いて循環しているので、シアーストレスを回避
できる。さらに、第５、６、７、の実施例によれば、円
錐型の培養槽の下部から上部方向に培養液を流している
ので、培養槽中での酸素の滞留時間が短くなり、溶存酸
素量も少なくなる。また、第７の実施例のように気泡ポ
ンプを培養槽の内部に設置すれば、設置面積を少なくす
ることができる。チューブは１重のみに限らず、２重、
３重の多重に設置したものでもよい。
【００２４】
【発明の効果】本発明によれば、少ない設置面積で受光
面積を大きくとることができ、しかも光合成反応で発生
する酸素の影響を抑えて、高密度にかつ高増殖率で微細
藻類等を大量培養することができる。
面積を大きくとることができ、しかも光合成反応で発生
する酸素の影響を抑えて、高密度にかつ高増殖率で微細
藻類等を大量培養することができる。
【図１】本発明の第１の実施例であるチューブラ型フォ
トバイオリアクタの培養槽の断面図である。
トバイオリアクタの培養槽の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例であるチューブラ型フォ
トバイオリアクタの培養槽の断面図である。
トバイオリアクタの培養槽の断面図である。
【図３】本発明の第３の実施例であるチューブラ型フォ
トバイオリアクタの断面図である。
トバイオリアクタの断面図である。
【図４】本発明の第４の実施例であるチューブラ型フォ
トバイオリアクタの断面図である。
トバイオリアクタの断面図である。
【図５】本発明の第５の実施例であるチューブラ型フォ
トバイオリアクタの断面図である。
トバイオリアクタの断面図である。
【図６】本発明の第６の実施例であるチューブラ型フォ
トバイオリアクタの断面図である。
トバイオリアクタの断面図である。
【図７】本発明の第７の実施例であるチューブラ型フォ
トバイオリアクタの断面図である。
トバイオリアクタの断面図である。
【図８】円筒型および円錐型の側面での陰の状態を示す
図である。
図である。
【図９】外部循環型気泡ポンプの基本構造と溶液の流れ
を示す図である。
を示す図である。
１：培養槽 ２，２ａ：チュー
ブ ３：気泡ポンプ ４：ライザー部 ５，５ａ：脱気部 ６：円錐体の架台 ７：反射板 ８：スパージャ ９ａ，９ｂ：直管部 １０ａ，１０ｂ：仕
切板 １１：ＣＯ2 混合ガス １１ａ：ガス １２：太陽光線 １３ａ，１３ｂ：
配管 １４：ポンプ １５：流量センサ １６：ｐＨ計 １７：溶存酸素計 １８：温度計 １９：ＣＯ2 吸収
塔 ２０：ダウンカマー部
ブ ３：気泡ポンプ ４：ライザー部 ５，５ａ：脱気部 ６：円錐体の架台 ７：反射板 ８：スパージャ ９ａ，９ｂ：直管部 １０ａ，１０ｂ：仕
切板 １１：ＣＯ2 混合ガス １１ａ：ガス １２：太陽光線 １３ａ，１３ｂ：
配管 １４：ポンプ １５：流量センサ １６：ｐＨ計 １７：溶存酸素計 １８：温度計 １９：ＣＯ2 吸収
塔 ２０：ダウンカマー部
Claims (8)
- 【請求項１】 光透過性のチューブからなる培養槽を用
いて微細藻類等を培養するフォトバイオリアクタにおい
て、前記チューブをチューブ間の間隔を開けながら円錐
体側面に螺旋状に設置したことを特徴とするチューブラ
型フォトバイオリアクタ。 - 【請求項２】 反射板をチューブより内側でかつ該チュ
ーブから離して設け、該チューブは一重または多重に設
置していることを特徴とする請求項１記載のチューブラ
型フォトバイオリアクタ。 - 【請求項３】 培養液を循環するための気泡ポンプを設
置して、該気泡ポンプは気泡の上昇と同一方向に培養液
も上昇するライザー部を有する構造であることを特徴と
する請求項１または請求項２記載のチューブラ型フォト
バイオリアクタ。 - 【請求項４】 気泡ポンプから流出する培養液を培養槽
の下端部のチューブから導入して上端部のチューブから
排出する構造であることを特徴とする請求項３記載のチ
ューブラ型フォトバイオリアクタ。 - 【請求項５】 気泡ポンプのライザー部の上端部と培養
槽の下端部とを配管で接続し、前記ライザー部の下端部
と前記培養槽の上端部とを配管で接続することを特徴と
する請求項４記載のチューブラ型フォトバイオリアク
タ。 - 【請求項６】 気泡ポンプを３本の直管からなる組み合
わせとし、各々の直管を上下交互の流れをする培養液の
導入部、ライザー部、培養液の抜出部とすることを特徴
とする請求項４記載のチューブラ型フォトバイオリアク
タ。 - 【請求項７】 気泡ポンプを円錐型の培養槽のチューブ
より内側に設置したことを特徴とする請求項３、請求項
４、請求項５または請求項６記載のチューブラ型フォト
バイオリアクタ。 - 【請求項８】 培養槽から排出した培養液が気泡ポンプ
に導入される前の部分に脱気手段を設置したことを特徴
とする請求項４、請求項５、請求項６または請求項７記
載のチューブラ型フォトバイオリアクタ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7302334A JP2743316B2 (ja) | 1995-10-27 | 1995-10-27 | チューブラ型フォトバイオリアクタ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7302334A JP2743316B2 (ja) | 1995-10-27 | 1995-10-27 | チューブラ型フォトバイオリアクタ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09121835A true JPH09121835A (ja) | 1997-05-13 |
| JP2743316B2 JP2743316B2 (ja) | 1998-04-22 |
Family
ID=17907692
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7302334A Expired - Fee Related JP2743316B2 (ja) | 1995-10-27 | 1995-10-27 | チューブラ型フォトバイオリアクタ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2743316B2 (ja) |
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