JPWO2005102031A1 - 藻類の促成栽培装置と栽培方法 - Google Patents

Abstract

溶解ガス、光、温度、栄養源、衛生環境の人工環境下で最も藻類の成長に最適な環境制御を行い促成栽培する装置と方法。本発明の装置は、藻類の藻体を種苗として栽培する水槽（１）と、水槽中の培養水に気体を溶解させるガス溶解拡散装置（３−ａ，３−ｂ）と、波長と照度を制御した光を水槽に照射する光照射装置（１０，１１）と、水槽中の培養水の温度を一定範囲に制御する温度制御装置（２０）と、藻類の成長に不可欠な必須栄養源を含んだ栄養液を水槽に添加する栄養塩類添加装置（１７）と、水槽中の培養水の除菌濾過を行う浄化装置（１２）と、各装置の制御用計測装置とから構成されている。

Description

本発明は、藻類の陸上養殖システムに関する。特に、すべての栽培環境を人為的に制御して藻類を促成栽培することを目的とした陸上栽培装置と方法に関する。

異常気象や、開発による棲息環境の破壊、海洋汚染等のため、日本人が昔から食用として利用してきたワカメ、コンブ、ヒジキ、ノリなどの藻類資源は、生産量が不安定となっている。また、河川の環境悪化などにより川ノリは絶滅の危機に瀕している。

その対策として、安定性と安全性の観点から陸上養殖の研究開発が進められている（例えば、下記特許文献１−３参照）。
特開２００２−３２０４２６公報 特開２００２−３１５５６８公報 特開平１０−１１７６２８号公報

特許文献１では、「海藻類及び海水が収容され、光源から前記海藻類への光の照射が行われる海藻類養殖水槽内に、中空状をなし略垂直向きに配置される中空管と、当該中空管内下端側に配置され、空気を吹出す気泡ポンプとよりなるエアレーション装置が設置され、前記気泡ポンプから吹出された気泡により海水を曝気処理し、前記気泡が中空管内の海水と混入されることにより当該海水を中空管内で上昇させて上部の吐出口から吐出させると同時に、中空管の下部の流入口から海水を汲み上げて海藻類養殖水槽内で海水を循環させ、その海水の循環に海藻類をのせて海藻類養殖水槽内に浮遊させることを特徴とする海藻類養殖装置」（同出願請求項１）を開示している。

特許文献２では、「藻類を培養する藻類培養槽へ養殖水槽排水を導き、藻類培養槽内で養殖水槽排水中の窒素、リンを藻類中に栄養分として取り込むことで養殖水槽排水を処理し、藻類培養水を膜分離装置で固液分離して濃縮するとともに、濃縮藻類培養水をプランクトン培養槽へ供給し、プランクトン培養槽内で藻類を栄養分としてプランクトンを培養し、プランクトン培養水を膜分離装置で固液分離して濃縮し、濃縮プランクトン培養水を餌として養殖水槽へ供給するか、あるいは餌製品として系外へ取り出すことを特徴とする培養方法」（同出願請求項１）を開示している。

特許文献３では、「海藻類の増繁殖する海底域に、海藻類養殖盤を布設して、海藻類種子の自然活着を実施したのち、新鮮な海水が供給された陸上水槽内に移設することを特徴とする陸上水槽による海藻類の増養殖方法」（同出願請求項７）を開示している。

太陽光は海水中で拡散され水深が深くなるに従い光が減少する。又、水温も同様に水深が深くなるに従い低下する。更に、海水中に溶解する栄養塩類や、炭酸ガスや酸素などの気体にも影響を及ぼす。そのような深度によって生育に適する藻類が異なり、垂直分布を構成すると言われている。これら垂直分布下の藻類は、それぞれ最適な生育条件が異なり、基本的に、藻類の生育環境条件には水温、光、溶存ガス濃度、栄養塩濃度でそれぞれ至適範囲があり、それらは密接に関連している。したがって、その条件範囲からひとつでも逸脱すると、生育は著しく抑制される。従って陸上で促成栽培をおこなう場合には、これらの環境条件を制御する必要がある。

しかし、前記従来技術においては、これらの点に関する考察がほとんどなされていないか又はきわめて不十分にしかなされていない。例えば、前記従来技術では、自然環境である水温、光の影響を受けるため、異常気象等で温度が低下したり日照時間が減少すると栽培期間が長くなったり、枯死するなどの影響を受ける。また、藻類を陸上養殖するために大量の海水を汲み上げているが、その際、液肥を大量に使用するために海洋の汚染を招いている。さらに、密殖をするために疾病被害を受けやすくなっている。これらの要因のため、従来の陸上養殖は栽培が安定しないという致命的な欠点があった。

上記課題を解決する本発明の藻類の促成栽培装置は、藻類の藻体、胞子体又は配偶子体を種藻として栽培する水槽と、前記水槽中の培養水に気体を溶解させるガス溶解拡散装置と、光質バランスと照度を制御した光を前記水槽に照射する光照射装置と、前記培養水の温度を一定範囲に制御する温度制御装置と、藻類の成長に不可欠な必須栄養素を含んだ栄養塩類を前記培養水に添加する栄養塩添加装置と、前記培養水浄化装置と、前記各装置の制御用計測装置とから構成されていることを特徴とする（請求項１）。

本発明の藻類の促成栽培方法は、藻類の藻体、胞子体又は配偶子体を種藻として水槽中で栽培する方法において、前記水槽中の培養水に気体を溶解させるステップと、光波長と光質バランス及び照度を制御した光源から光を前記水槽に照射するステップと、前記培養水の水温を一定範囲に制御するステップと、藻類の生長に不可欠な必須栄養素を含んだ栄養塩類を前記培養水に添加するステップと、前記培養水の除菌・浄化を行うステップから構成されていることを特徴とする（請求項１１）。

下記する実施例における海ぶどうの栽培を例にとると、本発明によれば、対照区に比べ重量比における生長は対照区の3倍を超えた。又、得られた海ぶどうの品質も良好であった。

このように、本発明によれば、従来の養殖技術では達成困難であった、安全で品質の良い藻類の促成栽培が可能になった。本発明による装置と方法は、藻類の植物工場すなわち水産植物工場と呼べるものである。

本発明が適用可能な藻類は、褐藻綱、緑藻綱、紅藻綱、藍藻綱に属する食用藻類である（請求項１２）。例えば、高級食材として知られるイワヅタ目のクビレヅタ、通称「海ぶどう」を挙げることができる（請求項１３）。

藻類の生長に不可欠な三要素として、光、栄養塩類、水温がある。以下、分説する。

＜光の制御＞
藻類には陸上植物と同様に光反応があり、これが生長や品質に大きな影響を与える。光合成と藻類の形態形成に必要な光の波長として、赤色光（600〜780nm）及び緑色光（500nm〜600ｎｍ）青色光（400〜500nm）を照射すると、クロロフィルやフィトクロム、カロチノイドと呼ばれる光受容体が刺激を受け、光合成や葉や茎などの藻類器官の生長に影響を及ぼす。しかし、藻類の生長を促進し正常に生長させるためには特定の単色光では、藻類器官の形成異常や葉面の色褪せが見られるので、単色の波長の光ではなく、上記三種類の波長の混色光を照射することが好ましい（請求項２）。藻類によって赤色系と青色系と緑色系の光のエネルギー比の特徴がある。緑藻類では概ね赤色系と青色系、緑色系の順にエネルギー比を２±１:３±１:５±1の比率で混合すると好適である。褐藻類の場合は赤色系と青色系、緑色系のエネルギー比をそれぞれ３±１：２±１：５±１の比率で混合すると好適である。これらの光質バランスの光源を藻類に照射する照度は、藻類の生長に必要な照度として、20〜400μmol/m²/sの範囲にあるが、その藻類の棲息環境によって生長に好適な照度は影響を受ける。例えば紅藻類のアマノリであれば140〜200μmol/m²/s、褐藻類のコンブであれば40〜200μmol/m²が、緑藻類クビレヅタであれば100〜120μmol/m²/sが好適な照度である。

これらの光の波長と三色混合光と照度を制御するには、光源として発光ダイオードと半導体レーザ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプが優れている。現状ではメタルハライドランプや高圧ナトリウムランプが安価である。但し、正確な光質バランスを得るためには発光ダイオードが優れている。発光ダイオードが正確な光質バランスを得る事ができるで、藻類の促成栽培用には水槽の上面（例えば天井面）にそれぞれの波長を発する光ダイオードを埋め込み、光源とすることが適切である（請求項２）。それにより、各波長域の三種類の発光ダイオードをインバーターで制御でき、照度もコントロールすることができる。

このように制御された光を藻類に照射する場合、光を連続照射すると光合成の能力が低下する場合もある。すなわち、植物の生理代謝機能が異常となり光障害が発生する。従って、連続光ではなく、明暗周期で行うのが好ましい。明期には、炭酸ガスを吸収して光合成を行い、炭水化物を合成貯蔵し、暗期には、藻類の体内で代謝が活発におこなわれる。水中から酸素を吸収し体内で酸素と炭水化物を燃焼させ、エネルギーを生産し二酸化炭素を排出する。その明暗周期は藻類によって異なるが１日の明記積算時間は５時間から２４時間、特に１２時間〜２４時間が適切である（請求項３）。

＜ガス濃度の制御＞
藻類も陸上植物と同様に明期では光照射、光合成並びに炭酸ガスを吸収し、暗期では酸素を吸収する呼吸代謝を繰り返して、生長する。そのため、明暗周期に必要な炭酸ガス濃度と酸素濃度を明と暗で変化させることにより植物の生育は最適となる。

本発明ではこれらの気体の内、炭酸ガスは、市販の液化炭酸ガスボンべを使用するか、化石燃料やバイオマスの燃焼によって得ることができる。化石燃料の燃焼によって炭酸ガスを発生する炭酸ガス発生装置は市販のものもある。酸素は、空気中の酸素をガス分離膜で濃縮するタイプの酸素発生装置を使用して濃縮酸素として得ることができる（請求項４，５）。

これらのガスは散気管に導入して微細気泡として水中に溶解拡散させる。又、ポンプを利用して水流を作りだしガスを拡散させる。このときのガス濃度は市販の炭酸ガス濃度計と溶存ガス濃度計で計測し、出力信号で、各気体の配管の電磁バルブを制御する（請求項１０）。光の明暗周期が明期の溶解炭酸ガス濃度は100〜500ppm、好ましくは150〜300ppmとし、逆に暗期は炭酸ガスを停止し、酸素を含む空気を通気する。酸素濃度は5ppm〜20ppmになるように制御する（請求項５，６）。

＜栄養塩の補給＞
光とガス濃度の制御以外に、培養水の栄養塩類の濃度を制御し、藻類の要求する栄養塩類を補給する必要がある。

通常、藻類は葉面から、水中の栄養塩類を吸収する。海藻類の場合、本発明のような藻類の栽培装置の場合、人工海水か濾過海水で、培養水として用いるため、海藻が水中の微量ミネラルを吸収しつくせば、生育が低下する。それを解決するためには、外部から海水を補給するか、必要な栄養塩類を培養水に補給する必要がある。藻類の生長に必要な栄養塩類を混合溶解した液を本文では「栄養液」と称する。

藻類の生長に不可欠な必須栄養素は陸上植物と同様に窒素とリンとカリである。これらは、既に、陸上植物用並びに海藻用として市販されている。又、新規に調製するには、窒素源としてアンモニウム塩（硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、等）、リン源としてリン酸塩（過リン酸石灰、トーマスリン酸、等）、カリ源としてカリウム塩（硫酸カリウム、塩化カリウム、硝酸カリウム、等）を、藻類の生体Ｎ、Ｐ、Ｋ元素構成比に従い各ミネラルを混合溶解する。例えば、「海ぶどう」の場合はＮ：Ｐ：Ｋの比率は４：２：３で、この比率にしたがい、窒素、リン、カリウムを、それぞれ濾過海水又は清澄な水に溶解して栄養液を調製する。又、海藻用培地として明らかなＰＥＳ培地や屋島培地を参考にして栄養液を調整してもよい。

他に、前記栄養液にビタミン類や生長ホルモンなどを添加調整してもよい。

この栄養液を藻類培養水に滴下する制御は、培養液中の窒素、リンやカリウムの内、ひとつを指標として前もって培養水中の窒素、リン、カリの内、そのひとつを測定し、藻類が生長によって吸収する栄養塩類の不足を補給する為に栄養液を定量的に滴下する（請求項８）。

＜除菌濾過＞
通常、藻類栽培水槽には、栽培しようとする目的の藻類以外に珪藻類等の微細藻類や、細菌類が繁殖する状況にあり、付着藻類、微細藻類や原生動物、細菌類と栽培水槽内で競合して目的の藻類の生長を妨げ、又、密集栽培であるために細菌由来の藻類の病気の発生があると、栽培が困難になる。その対策として、この培養水を除菌濾過する。

除菌濾過はＭＦ膜（精密濾過膜）かＵＦ膜（限外濾過膜）を含む濾過装置を使用するのが好ましい（請求項９）。膜の濾過できる粒子は0.1ミクロン以下で、この膜を使用すると、ウイルスも除去できる。本膜を使用して、栽培水量が２日に１回以上６時間に１回以内の頻度で入れ替わる量を濾過する。本濾過頻度は培養水の循環濾過及び掛け流しでも適用される。ＭＦ又はＵＦ膜の耐用期間を延ばす目的でＭＦ又はＵＦ膜濾過装置の前に砂濾過装置や5〜10ミクロンの濾過膜などの前処理装置を取り付ける。

＜温度制御＞
本発明では、温度制御は、水温を上げる為に加温ヒーターの熱源として蒸気または、電気及び加温用地下水並びにボイラー又は太陽熱利用型温水製造装置と蓄熱水槽と、水温を下げるため冷却用の地下水又はチラー装置で構成するのが好ましい。それぞれ熱源と冷却源を利用して培養水を熱交換する熱交換器で構成され、培養水温が５℃以上３５℃以下の範囲となるように制御するのが好ましい（請求項７）。

＜各装置の自動制御＞
溶存ガス濃度計、温度計、照度計、栄養液の指標物質の濃度を測定する計測器からの信号を入力し、通気量及び水温、照度、を自動制御する回路を組み立てるのが好ましい（請求項１０）。それぞれの計測装置とその自動制御装置はそれ自体公知のものを使用することができる。

以下、添付の図面に基づき、本発明の実施例を説明する。

本発明の実施例に係る藻類の促成栽培装置の概略図である。 海ぶどうの平均重量で示す生長速度のグラフである。

栽培する藻類はイワヅタ目のクビレヅタ、通称「海ぶどう」と呼ばれる沖縄以南に棲息する食用海藻である。

栽培水槽1（栽培内寸：縦150cm×横100cm×高さ30cm水槽容積450リットル）内で、水深15cmの部分に100cm×100cmの母藻マット2を固定した。母藻マット2は、8mm開口部の養殖網（合成繊維製）を張った枠2-aに、母藻2-bを1.5kg/m²敷き詰め、同じ２枚の養殖網でサンドイッチ状に母藻を挟み込み、四方の網枠が開かないように器具で固定した。この母藻を挟み込んだサンドイッチ構造の隙間の間隔は２cmである。この母藻を挟み込んだ網と枠を本文では「母藻マット2」と呼ぶ。

栽培水槽1の底部には、空気を水中に通気する空気散気管3-aと炭酸ガスを通気する炭酸ガス散気管3-bが固定されている。これらの散気管は樹脂製で直径6cm×長さ20cmを三本直列に繋いだ構造である。空気散気管3-aは水中に空気中の酸素を溶解させることと水の攪拌を行うことが目的である。一方、炭酸ガス散気管３-bは水中に炭酸ガスを溶解することが目的である。この実施例では、炭酸ガスの供給は、炭酸ガスボンベ4を使用した。空気散気管3-aに供給する空気はブロワー装置5から得た。各々のガス濃度は、空気流量計6-aと炭酸ガス流量計6-bの供給流量を調整することにより調整した。空気流量計6-aは、水槽内の液の溶存酸素濃度が5〜10ppmになるようにバルブ7-aで調整し、炭酸ガス流量計6-bは、水槽中の溶存炭酸ガス濃度が150〜200ppmになるようにバルブ7-bで調整した。空気バイパス電磁弁8-aと8-bにおいては、光源の明暗周期の制御に従って、明時には炭酸ガス電磁弁8-bが開き、空気電磁弁8-aが閉じる。暗時には、空気電磁弁8-aが開き、炭酸ガス電磁弁8-bが閉じるように、ガス制御装置9で制御した。

水槽内の水温は、加温ヒーター17で加温を行った。海ぶどうの栽培は水温26〜30℃が好適である。実施例では温度計18で水温を測定し、温度制御装置19で加温ヒーター17を制御し水温を28±1℃で制御した。

栽培水槽1天上部に設置する光源10は、赤色、緑色及び青色の発光ダイオードを三列並列にした構造とした。光源10を設置し光源制御装置11で各光源のエネルギー比を赤色系２：青色系３：緑色系５になるように制御し、光源の照度は水面下15cmで140μmol/m²/sとなるように制御し、明暗周期は明期20時間、暗期４時間になるように制御した。

海水の浄化はＵＦ膜濾過装置12を使用した。ポンプ13を動かし、濾過流量を0.6リットル/分になるように流量計14をバルブ15で調整した。ＵＦ膜の濾過能力は0.01ミクロンであるので、細菌類やウイルスの濾過が可能である。

栽培水槽に滴下する栄養液は、濾過海水に、窒素（Ｎ）源として硝酸アンモニウム及びリン酸アンモニウムを、リン（Ｐ）源としてリン酸カルシウムを、カリウム（Ｋ）源として塩化カリウムを、それぞれＮ4%：Ｐ2％：Ｋ3%になるように添加し栄養液を調整した。栄養液は栄養液タンク20に貯留した。滴下する栄養液の量は、栄養液で判っている任意の栄養源である溶存態全窒素（ＴＮ）を指標として測定を行い、溶存態全窒素（ＴＮ）濃度で、培養水の溶存態全窒素（ＴＮ）の基準値を設定して、培養水の栄養塩類が常に一定のＮ：Ｐ：Ｋ比になるように培養水中の溶存態全窒素（ＴＮ）濃度を、栄養塩類滴下装置16で制御した。この実施例では溶存態全窒素（ＴＮ）濃度が常に1.0ppm〜3.0ppmになるように調整した。培養水の交換は１日１回おこなった。

上記栽培装置を使用して20日間栽培を行った。別に、対照区として、同様の栽培水槽に、ヒーターとＵＦ膜濾過装置及び攪拌用の空気散気管を取り付け、新鮮海水の交換を毎日行い、光源は自然光を利用し、海水から栄養源を吸収する自然な環境で、水温とＵＦ膜の条件だけは、実施例で示した栽培装置と同一条件で海ぶどうの栽培を行った。

成長を観察するために、海ぶどうの重量を毎日測定した。海ぶどうの平均重量を図-2に示す。対照区における海ぶどうの栽培では重量は20日間で2.6倍に増加した。本発明の上記実施例に従い栽培を行うと7.9倍に増加し、対照区に比べ重量比における成長は対照区の3.1倍となった。又、海ぶどうの品質も良好であった。収穫最適日は直立茎長部の生長が5cm〜10cmの間で5cm以上であれば収穫最適日であり、発明になる栽培装置は、対照区に比べ14日前後で収穫最適日に到達した。

本発明によれば、従来の養殖技術では達成困難であった安全で品質の良い藻類の短期間での栽培が可能になる。

Claims (13)

1. 藻類の藻体、胞子体又は配偶子体を種藻として栽培する水槽（１）と、前記水槽中の培養水に気体を溶解させるガス溶解拡散装置（３-ａ．３-ｂ）と、波長と照度を制御した光を前記水槽に照射する光照射装置（１０，１１）と、前記培養水の温度を一定範囲に制御する温度制御装置（２０）と、藻類の生長に不可欠な必須栄養素を含んだ栄養塩類を前記培養水に添加する栄養塩類添加装置（１７）と、前記培養水の除菌濾過を行う浄化装置（１２）と、前記各装置の制御用計測装置とから構成されていることを特徴とする藻類の促成栽培装置。
2. 前記光照射装置（１０，１１）が、赤色光系（600〜780nm）と緑色光系（500〜600ｎｍ）青色光系（400〜500ｎｍ）の３波長の特定波長を発生する発光ダイオード又は半導体レーザ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプを使用してなる請求項１記載の装置。
3. 前記光照射装置（１０，１１）において、藻類の葉面に達する照度が、20〜400μmol/m²/sであり、その照度と明暗周期が調整可能で尚かつ1日あたりの積算照射時間が5時間〜24時間以下である請求項２記載の装置。
4. 前記ガス溶解拡散装置が、酸素を含む空気又は窒素ガス分離膜で濃縮された酸素を含む空気の溶解拡散装置（３-ａ）並びに水流を利用してガスを拡散する拡散装置も含む溶解拡散装置であって、前記光照射装置の明暗周期で制御される請求項３記載の装置。
5. 前記ガス溶解拡散装置が、酸素を含む空気又は窒素ガス分離膜で濃縮された酸素を含む空気と炭酸ガスの溶解拡散装置（３-ａ．３-ｂ）並びに水流を利用して各ガスを拡散する拡散装置も含む溶解拡散装置であって、前記光照射装置の明暗周期で制御され、光照射時は炭酸ガス濃度を上昇させ、暗時は炭酸ガスを停止し濃縮された酸素を含む空気を溶解させる請求項４記載の装置。
6. 培養水の二酸化炭素濃度と酸素濃度が、光周期明期の培養水溶解炭酸ガス濃度が100〜500ppmで、暗期の溶存酸素濃度が1ppm〜20ppmである請求項5記載の装置
7. 前記温度制御装置（２０）は、温度を上げる為の加温ヒーター（１８）又は加温用地下水及び太陽熱利用型温水製造装置と蓄熱水槽と、温度を下げるため冷却用地下水又はチラー装置で構成され、それぞれ熱源と冷却源を利用して培養水を熱交換する熱交換器で構成され、培養水の温度が５℃以上３５℃以下の範囲で一定に制御可能な請求項１に記載の装置。
8. 前記栄養塩類添加装置が藻類の生長を促進する為に、栄養塩類を溶解し藻類培養水に定量的に添加するものである請求項１記載の装置。
9. 前記培養水浄化装置がＭＦ膜（精密濾過膜）及びＵＦ膜（限外濾過膜）を含む濾過装置（１２）である請求項1記載の装置。
10. 前記制御用計測装置が、溶解炭酸ガス及び酸素を測定する溶存ガス濃度計と、温度計（１９）、照度計で構成され、それぞれの濃度計からの信号を入力し、炭酸ガス並びに酸素量及び温度、照度を自動制御する回路で構成された請求項１ないし７のいずれかに記載の装置。
11. 藻類の藻体、胞子体又は配偶体を種藻として水槽（１）中で栽培する方法において、前記水槽中の培養水に気体を溶解させるステップと、各々の青色、赤色、緑色光の光質バランスと照度を制御した光源から、前記水槽に光を照射するステップと、前記培養水の温度を一定範囲に制御するステップと、藻類の生長に不可欠な栄養塩類を含んだ栄養液を前記培養水に添加するステップと、前記培養水の浄化を行うステップから構成されていることを特徴とする藻類の促成栽培方法。
12. 藻類は、褐藻綱、緑藻綱、紅藻綱、藍藻綱に属する食用藻類である請求項１１に記載の方法。
13. 藻類が海ぶどう（イワヅタ目のクビレヅタ）である請求項１２記載の方法。