WO2011065445A1 - 微細藻類培養装置 - Google Patents

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WO2011065445A1
WO2011065445A1 PCT/JP2010/071059 JP2010071059W WO2011065445A1 WO 2011065445 A1 WO2011065445 A1 WO 2011065445A1 JP 2010071059 W JP2010071059 W JP 2010071059W WO 2011065445 A1 WO2011065445 A1 WO 2011065445A1
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WO
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optical waveguide
light
culture
microalgae
optical
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Application number
PCT/JP2010/071059
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English (en)
French (fr)
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孝昭 前川
誠子 赤松
正毅 中田
康成 杉山
昇 横山
Original Assignee
株式会社筑波バイオテック研究所
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Publication date
Application filed by 株式会社筑波バイオテック研究所 filed Critical 株式会社筑波バイオテック研究所
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G33/00—Cultivation of seaweed or algae
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • 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
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02—Photobioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • 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
    • C12M31/00—Means for providing, directing, scattering or concentrating light
    • C12M31/08—Means for providing, directing, scattering or concentrating light by conducting or reflecting elements located inside the reactor or in its structure
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A40/00—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production
    • Y02A40/80—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production in fisheries management

Definitions

  • the present invention relates to a microalgae culture apparatus, and more particularly, to a microalgae culture apparatus that can efficiently supply light necessary for algae photosynthesis to a culture tank.
  • the light conversion efficiency of the light source is poor, and most of the input energy is transferred to the liquid as heat, and cooling energy is used to keep the liquid temperature constant. use.
  • the light quality having a green or yellow wavelength in the converted light energy is hardly involved in photosynthesis. For this reason, there is a drawback that the electric power of the light emitter placed in the bioreactor cannot be made smaller than the liquid volume. For this reason, since the stirring intensity
  • a microalgae culture apparatus has been invented (see Patent Documents 1 and 2) that uses a cold cathode tube (CCL) or a light emitting diode (LED) as a light source and immerses the light source in a nutrient salt solution while suppressing power consumption.
  • CCL cold cathode tube
  • LED light emitting diode
  • the wiring portion becomes complicated, and a structure in which leakage due to an accident in which the nutrient solution soaks into the light source is likely to occur is a problem.
  • an object of the present invention is to provide a microalgae culture apparatus that can uniformly and efficiently supply the light quality and photons necessary for the photoreaction system in the photosynthesis of algae into the culture apparatus.
  • the present inventors can solve the above problems by installing an optical waveguide to which a light oscillation device that emits light of a specific wavelength is attached in an algal culture tank. As a result, the present invention has been completed.
  • the microalgae culture apparatus of the present invention is a microalgae culture apparatus provided with an optical waveguide as a light supply means to the algal culture tank, wherein the optical waveguide is 675 to 685 nm, 695 to 705 nm, and 425 to 435 nm.
  • an optical oscillation device comprising a light emitting diode and / or a laser oscillation diode that emit light in the wavelength range of 450 to 660 nm, respectively, are attached to one end face of the optical waveguide, and a light reflecting material or aluminum foil is attached to the outer edge or inner periphery of the optical waveguide
  • the optical waveguide is formed so that light is emitted in a direction perpendicular to the central axis of the optical waveguide.
  • a light oscillation device comprising a plurality of the light emitting diodes and / or laser oscillation diodes is attached to an end portion of one optical waveguide.
  • the microalgae culture apparatus of the present invention is preferably installed at a position where the optical waveguide is in contact with the algal nutrient solution, and is installed at a position where the optical oscillation device is not in contact with the algal nutrient solution.
  • the microalgae culture apparatus of the present invention is attached with the optical oscillation device so that the traveling angle of light emitted from the optical oscillation device can be adjusted within a range of 70 to 90 degrees with respect to the end face of the optical waveguide. Preferably it is.
  • the microalgae culture device of the present invention preferably includes a temperature control mechanism capable of keeping the temperature of the light oscillation device at 24.5 to 25.5 ° C.
  • the end surface opposite to the end surface of the optical waveguide to which the light oscillation device is attached is coated with a light reflecting material or aluminum foil.
  • the optical waveguide preferably has a joint
  • the culture tank is rectangular or cylindrical
  • the optical waveguide is disposed on the wall of the culture tank. Is preferred.
  • the culture tank is rectangular or cylindrical, and the optical waveguide is disposed on the bottom surface of the culture tank.
  • the microalgae culture apparatus of the present invention has a stirrer provided with a stirring blade that rotates about a shaft in the culture tank, and the inner or outer edge of the shaft is parallel to the shaft.
  • An optical waveguide is preferably provided.
  • the light oscillation devices that emit light of the four types of wavelengths are respectively attached to the support radially extending from the rotating shaft of the stirrer provided with a rotating mechanism centered on the shaft. It is preferable that the culture tank has a stirrer in which four optical waveguides are fixed in parallel to the rotation axis.
  • a supply device for algae nutrient source and / or nutrient salt solution is provided in the stirrer, and a carbon dioxide supply device is provided in the stirrer. It is preferable that
  • the microalgae culture device of the present invention preferably further includes a pH detection device and / or a pH adjustment mechanism, and has a structure in which sunlight is supplied to the culture tank, and is capable of photosynthetic effective radiation (PAR). It is preferable to provide a control device for the optical oscillation device that operates the optical oscillation device when is less than 200 ⁇ E / S / m 2 .
  • the microalgae culture apparatus of the present invention preferably includes means for separating the algae from the nutrient solution and then supplying the nutrient solution again to the culture vessel, and the culture vessel is installed underground. It is preferable.
  • An optical oscillation device comprising a light emitting diode and / or a laser oscillation diode that emits light in the wavelength ranges of 675 to 685 nm, 695 to 705 nm, 425 to 435 nm, and 450 to 660 nm, respectively, is attached to one end face of the optical waveguide.
  • a culture vessel (B) having an optical waveguide formed so that light is emitted in a direction perpendicular to the central axis of the optical waveguide by providing a light reflecting material or an aluminum foil at the outer edge or inner periphery;
  • An algae culture apparatus comprising: It has the structure where the nutrient solution of a culture tank (A) is supplied to a culture tank (B).
  • the microalgae culture device of the present invention includes a light oscillation device comprising a light emitting diode and / or a laser oscillation diode that emits light in the wavelength ranges of 675 to 685 nm, 695 to 705 nm, 425 to 435 nm, and 450 to 660 nm, respectively.
  • An optical waveguide that is attached to one end face of the optical waveguide and is provided with a light reflecting material or aluminum foil on the outer edge or inner periphery of the optical waveguide so that light is emitted in a direction perpendicular to the central axis of the optical waveguide.
  • the photon intensity ratio of the central wavelengths of 675 nm and 445 nm is 4 with the two-wavelength wavelength intensities of central wavelengths 445 nm (425 to 500 nm) and 675 nm (550 to 850 nm)
  • the LEDs constituting 10 to 10 are accommodated in a transparent tube or a rectangular transparent basket and disposed in a gas and / or a liquid, so that the culture pattern of the microalgae culture apparatus can be enriched.
  • the optical waveguide in the microalgae culture apparatus of the present invention has an integrated structure using a reflective material that partially reflects, so that the culture can be performed even when the optical waveguide is bent away from the optical oscillation apparatus or the optical waveguide is bent. It became possible to supply light to the tank. Therefore, it is possible to allow light to reach the bottom of the culture tank even if the culture tank is deepened. As a result, the light quality and photons generated by light oscillation can be used efficiently for photosynthesis of microalgae. Moreover, the photosynthesis of algae can be efficiently accelerated
  • the light quality necessary for photosynthesis is supplied to the culture tank, the green gap that is a problem with artificial light is avoided, and the production of carotenoids produced by solar energy even under artificial light is produced in microalgal cells. Made possible.
  • the optical waveguide when the optical waveguide is installed at a position where the optical waveguide is in contact with the algal nutrient solution, and the light oscillation device is installed at a position where the optical oscillator is not in contact with the algal nutrient solution, heat from the light conversion is transferred to the nutrient solution. Therefore, the temperature stability of the nutrient solution can be ensured as compared with the conventional invention, and surplus heat can be utilized more effectively. For this reason, it has become possible to increase the growth rate of algae as much as possible and increase the growth density of algae 10 to 50 times that of the conventional method.
  • FIG. 1 is a schematic view of a composite optical waveguide body having four optical oscillation devices of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view of a stirrer provided with the optical waveguide of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic view of a microalgae culture apparatus equipped with a solar / artificial light combined culture tank.
  • FIG. 4 is a schematic view of the stirrer provided with the optical waveguide of the present invention as viewed from above.
  • FIG. 5 is a schematic view from the side of a culture vessel provided with the optical waveguide of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic view of a culture apparatus that combines a sunlight / artificial light combined type culture apparatus and an artificial light-only culture apparatus equipped with the optical waveguide of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic view of a composite optical waveguide body having four optical oscillation devices of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view of a stirrer provided with the optical waveguide of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic view of a container type culture apparatus provided with the optical waveguide of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic view of a culture apparatus provided with the optical waveguide of the present invention on the bottom surface.
  • FIG. 9 is a schematic view of a microalgae culture apparatus equipped with an underground culture tank equipped with the optical waveguide of the present invention and a solar / artificial light combined culture tank.
  • FIG. 10 is a graph showing the transition of the pH of the nutrient salt solution and the transition of the dry matter amount of Euglena in Example 3.
  • FIG. 11 is a three-dimensional schematic diagram of the microalgae culture apparatus using the LED illuminant and the optical waveguide in Example 10 together.
  • FIG. 12 is a three-dimensional schematic diagram of the microalgae culture apparatus using the LED illuminant and the optical waveguide in Example 11 together.
  • FIG. 13 is a schematic view of a completely sealed solar / artificial light combined type microalgae culture apparatus in Example 12.
  • the light quality required for the photoreaction system in the photosynthesis of microalgae is 700 nm, 680 nm, 430 nm, and 450 to 660 nm.
  • an LED or a laser oscillation diode that transmits light of these wavelengths is used as a light source. LEDs are inferior in straightness and consume more power than laser oscillation diodes, but are excellent in temperature stability, and are therefore suitable as light sources for solar combined photobioreactors that receive sunlight.
  • the laser oscillation type diode since the laser oscillation type diode has excellent straightness and low power, it is suitable for a deep microalgae culture tank such as an underground culture tank.
  • the power supply power line of the laser oscillation diode only needs to be attached to the upper part of the stirrer, and therefore, as described in US Application Publication No. 2009029445 and US Application Publication No. 2009017677. Since the power supply line is not inserted into the stirring blade as in the invention, the structure is simple and the photon density can be increased 50 to 1000 times efficiently.
  • the ratio (Y) of the light reflecting portion to the peripheral length in the length (L) of the optical waveguide to which the LED or the laser oscillation diode is attached can be expressed by the following equation from the relationship with the light transmittance (b) of the optical waveguide.
  • the optical waveguide of the present invention can be made of glass, acrylic resin, polypropylene, polycarbonate, polystyrene or the like having excellent light transmittance. Further, a light reflecting material or an aluminum foil is attached to the outer edge or inner periphery of the optical waveguide so as to occupy 10 to 75% of the circumference when the optical waveguide is regarded as a cylindrical structure.
  • the attachment method is not particularly limited, and can be performed by adhesion or the like.
  • examples of the material of the light reflecting material include a fluorine resin such as a fluorine-based polymer (trade name: Teflon (registered trademark)).
  • a light oscillation device comprising the above light emitting diode and / or laser oscillation diode is attached to each end face of the optical waveguide, and preferably a light reflecting material is adhered to another end face to reflect the laser light straight wave.
  • the optical waveguide of the composite optical waveguide body configured as described above can send the necessary light quality and photons to the wall and bottom of the microalgae culture tank, so that the stirrer can be used as an auxiliary, and the power required for culture has been This can be reduced to 10 to 1/100 that of the present invention, and the reduced power can be applied to the supply of photons, and high concentration culture can be achieved in a short time.
  • the optical waveguide can be bent and can be arranged along the shape of the wall or bottom of the culture tank.
  • FIG. 1 Even if one type of optical oscillation device is attached to each optical waveguide, a combination of optical oscillation devices that emit light of a plurality of wavelengths as shown in FIG. 1 is attached to the optical oscillation device fixing portion 1, and this is optically oscillated. You may attach to the one optical waveguide 3 via the apparatus and the optical waveguide fixing
  • FIG. A, B, C, and D in FIG. 1 each represent an optical oscillation device. As can be seen from the cross-sectional view of the optical waveguide 3, a light reflecting material 4 is disposed in the longitudinal direction.
  • the surface of the optical waveguide 3 tends to adhere to algae, a photo-oxidation catalyst is applied, and in addition to preventing this adhesion, a soft resin that slides on the surface of the optical waveguide is disposed and moved periodically. Thereby, adhesion of the micro algae on the surface of the optical waveguide 3 can be reliably prevented.
  • the optical waveguide 25 is in direct contact with the microalgal nutrient solution, that is, the optical waveguide 25 is in contact with the algal nutrient solution. It is preferable that the light oscillation device 27 is installed at a position where it does not contact the algal nutrient solution.
  • the optical waveguide 25 used in the present invention may have a joint portion 26 in the middle. It is preferable that both ends of the optical waveguide 25 are mirror-finished and the contact surfaces thereof are bonded with the same material as the material constituting the optical waveguide 25. Moreover, it is preferable to cover the joint portion 26 with a non-permeable material such as a synthetic resin for waterproofing so that the algal nutrient solution does not penetrate into the connection surface.
  • a non-permeable material such as a synthetic resin for waterproofing so that the algal nutrient solution does not penetrate into the connection surface.
  • the stirrer used in the culture apparatus of the present invention can be provided with the optical waveguide on its shaft or stirring blade.
  • the optical waveguide may be rotated instead of the stirring blade.
  • An example of such a stirrer structure is shown in FIG.
  • an optical waveguide 7 serving as a stirring blade is fixed to a support body (support disk) 6 extending from a rotating shaft (hollow shaft) 5 of the stirrer so as to be parallel to the shaft 5.
  • a light oscillation device (light source) is attached to the upper end surface of the light source, and a power line and a cathode are further attached.
  • a carbon dioxide supply unit is provided at the top of the stirrer, carbon dioxide is passed through the hollow shaft, and dissolved in the gas-liquid mixing mixer 9 that is rotatably connected via the composite ball bearing 16.
  • a check valve 19 is provided in the hollow shaft 5 to prevent the back flow of carbon dioxide.
  • the gas-liquid mixing mixer 9 includes, for example, a gas-liquid mixing mixer motor 15, a fine bubble discharge impeller 17, and a rotor 18, and has a nutrient solution supply unit.
  • a pH sensor 10 may be provided in the vicinity of the gas-liquid mixing mixer 9.
  • the optical waveguide 7 also serving as a stirring blade is rotated by a motor 14 for rotating the stirrer, thereby stirring the nutrient solution and supplying light necessary for algae photosynthesis to the culture tank.
  • the stirrer blade and the rotating shaft 5 of the stirrer are immersed in the bioreactor, and the sliding power transmission unit (slip ring 8 for power supply) for supplying power to the light source power source is disposed on the upper part of the stirrer.
  • a certain amount of light energy can be supplied into the reactor.
  • the composite waveguide 7 may be individually fixed to a support member to which an optical oscillation device that emits light of four types of wavelengths is attached, or may be fixed together as shown in FIG. In FIG. 4, the optical waveguide 25 is fixed so that the side on which the light reflecting material or the aluminum foil is attached faces the four centers. Further, an optical waveguide may be disposed inside the hollow rotary shaft.
  • the microalgal culture apparatus of the present invention preferably includes a CO 2 supply mechanism.
  • a CO 2 supply mechanism can be attached to the upper or lower portion of the rotating shaft of the agitator.
  • a CO 2 discharge port is provided at the lower part of the shaft of the stirrer, and CO 2 is supplied from the outside by a CO 2 supply compressor or pump. 2 is supplied.
  • an alkali liquid or alkaline ion water supply port in the vicinity of the CO 2 discharge port and dissolve it in water using a gas-liquid mixing mixer while neutralizing the decrease in pH due to carbon dioxide by neutralization.
  • the gas-liquid mixing mixer makes the CO 2 bubbles finer and reduces the rising speed of the bubbles, so that more CO 2 can be dissolved. Furthermore, the dissolution of CO 2 is also promoted by neutralization. Specifically, for example, the rotational speed of the rotating body of the gas-liquid mixing mixer is adjusted to 1000 to 3000 rpm, and the CO 2 bubbles are reduced to 0.5 to 0.5 in the gap between the rotating body and the stationary body contained in the cylinder.
  • microbubbles it is preferable to subdivide into 40 ⁇ m and supply as so-called microbubbles.
  • a sufficient amount of light and CO 2 required for algae photosynthesis can be supplied by using the above-mentioned optical waveguide in combination with a stirrer having such a CO 2 microbubble generator at the lower part of the axis of rotation. Therefore, the rate of increase of algae can be further increased.
  • the microbubble generator in addition to the one using the gas-liquid shearing method as described above, one using a pressure / decompression method can also be used.
  • the installation position of the CO 2 discharge port, the alkali liquid or alkaline ion water supply port, and the gas-liquid mixing mixer 9 is not limited to the axis of the stirrer, and can be installed at the bottom of the culture tank, for example. .
  • the microalgal culture apparatus of the present invention preferably includes a pH sensor and / or a pH adjustment mechanism. Any commercially available pH sensor can be used as the pH sensor.
  • the pH of the nutrient solution is measured by a pH sensor, and when the nutrient solution is inclined to the acidic side, neutralization is performed by a pH adjusting mechanism to keep the pH of the nutrient solution constant. By doing so, the optimum pH of the algae can be maintained.
  • the pH adjustment mechanism is, for example, an alkaline solution supply device. Thereby, it is possible to neutralize the nutrient salt solution inclined to the acidic side due to the large-scale dissolution of CO 2 .
  • the optimum pH needs to be maintained in the range of 7.2 to 9.0. Then, control is performed so as not to lower the pH to 7.2 or less. Further, as shown in FIG. 2, the signal detected by the pH sensor 10 can be sent to the solenoid control valve 13 via the amplifier 12 and the signal line 11 to control the injection amount of CO 2 .
  • the culture tank in the microalgae culture apparatus of the present invention has a structure in which sunlight is supplied to the inside of the culture tank, and can also be a combined type of sunlight and artificial light by the optical waveguide.
  • Examples of the structure in which sunlight is supplied into the culture tank include a structure in which the ceiling of the culture tank is made of a transparent material.
  • weak light for example, photosynthesis effective radiation (PAR) is 200 ⁇ E / S / so that artificial light can be supplied to the culture tank only when sunlight is weak.
  • PAR photosynthesis effective radiation
  • Sunlight / artificial light combined type microalgae culture apparatus is warmed by the incidence of infrared, infrared and far-infrared photons contained in daylight sunlight, and the water temperature reaches 35-40 ° C. when heat exchange is not performed.
  • This liquid temperature may interfere with the cell division of algae, and cell death occurs under high-temperature water, so algae culture using a combination of sunlight and artificial light using a heat pump or heat pipe that circulates the heat medium.
  • the culture tank of the culture apparatus of the present invention can be installed underground.
  • the temperature can be stabilized by geothermal heat, so the energy cost required to maintain the temperature can be reduced.
  • a culture tank 47 installed underground and a sunlight / artificial light combined type culture tank (comprising optical waveguide 7 and stirrer 48 with optical waveguide) installed on the ground are combined with heat pump 49, heat pipe and nutrition. It is also preferable to connect with a pipe for transporting the salt solution.
  • FIG. 3 An example of the culture apparatus having such a structure that the nutrient solution can be separated and reused is an apparatus as shown in FIG.
  • a nutrient solution containing algae is taken out from the sunlight / artificial light combined type culture tank 20 with a pump, and solid-liquid separation processing is performed with a fluid cyclone 21.
  • the concentrated nutrient solution containing algae is extracted from the concentrated solution extraction unit 23, and the other nutrient solution is supplied to a gas-liquid mixing mixer 22 of a stirrer installed in another culture tank.
  • the nutrient solution was put in the above culture apparatus instead of the well water to culture the microalga Seddesmus.
  • the 70 L raceway sunlight-use microalgae culture tank 29 and the artificial light microalgae culture vessel were connected by a pipe, and a nutrient solution circulation pump 37 was attached so that the nutrient solution could be transferred between the two culture vessels. That is, a system was constructed in which the supernatant of the 70 L raceway sunlight-utilizing microalgae culture tank 29 was flowed to the 100 L artificial light microalgae culture vessel at 5 L / min and returned to the 100 L artificial light microalgae culture vessel.
  • a water wheel 35 was attached to the 70 L raceway sunlight-utilizing microalgae culture tank 29.
  • 99.5% carbon dioxide 180g / d was blown into the solar microalgae culture device 28 three times during the day, and 90g / d carbon dioxide was divided into the artificial light microalgae culture vessel twice at night.
  • the concentration of the microalga Senedesmus puffed reached 8.5 g / L in 4 days from a concentration of 4.3 g / L.
  • the pH changed from 7.3 to 7.9 and was stable. Thereafter, semi-continuous culture was performed, and 42.5 L / d was withdrawn from the culture tank, and the operation of adding 42.5 L / d of the new nutrient solution was continued for 12 days.
  • Example 2 As shown in FIG. 7, the four types of laser oscillation diodes are divided into two chambers in the longitudinal direction in the box-shaped 69.1L (240 ⁇ 240 ⁇ 1200) culture tank so that the nutrient solution flows in the plug flow on the downstream side. 7 units (430 nm, 680 nm, 700 nm, 450 to 660 nm, all 5 mW light output) attached with 4 sets of agitators 38 (same structure as the agitator shown in FIG. 2) in the culture tank as shown in the plan view of FIG. Arranged. Further, as shown in FIGS.
  • FIG. 7 (A) and 7 (B) four types of kamaboko type composite optical waveguides, which are provided with a light reflecting material on a flat surface, are bundled vertically along the wall of the culture tank.
  • One set was arranged such that the upstream side into which the nutrient solution entered was rough, and the downstream side was densely arranged.
  • FIG. 7C an optical waveguide to which a laser oscillation diode (430 nm, 680 nm, 700 nm, 450 to 660 nm) of a composite optical waveguide is attached is disposed in a transparent acrylic cylinder (100 ⁇ ), and FIG.
  • the light reflection part of the optical waveguide was provided so as to be perpendicular to the incidence of sunlight, thereby producing a pipe-shaped solar / artificial light combined culture part.
  • this pipe is installed above the box-shaped 69.1L culture tank and joined to the pump at the bottom of the box-shaped 69.1L culture tank so that the nutrient solution is in the form of a pipe. Circulation was performed between the culture section and the box culture tank.
  • the nutrient salt solution is introduced from the outside, high concentration carbon dioxide is injected from the lower part of the stirrer 38, HRT (hydraulic average residence time) is set to 8 days at a solution temperature of 25 ° C., and the nutrient salts shown in Table 1 above. Then, the cells were continuously cultured for 20 days. In the liquid, the light intensity in the liquid was 0.8 ⁇ E / S / m 2 on the inlet side, and the light intensity on the outlet side was 3.5 ⁇ E / S / m 2 , and the microalga Senedesmus was cultured. Carbon dioxide was supplied at 40 to 200 g / d in 4-20 times by time control.
  • the operation time of the solenoid valve was controlled so as not to cause a rapid pH drop.
  • a logic circuit is provided for determining whether to stop the supply of carbon dioxide from a pH meter installed in the culture tank when the pH is lower than the set pH.
  • the pH drop due to the injected carbon dioxide was within 0.5. Otherwise, the pH drop is about 1-2.
  • Concentrations of microalga Seddesmus reached a maximum dry matter concentration of 10-13 g / L, and it was optimal to recover microalgae between 5-11 g / L dry matter concentration in continuous culture.
  • Example 3 As shown in FIG. 8, a microalgae culture apparatus equipped with a solar / artificial light combined culture tank 39 provided with a solar battery system 46 was prepared, and Euglena was cultured.
  • the culture tank was a rectangular (rectangular) rectangular culture tank 39 having a vertical length of 500 mm and a liquid depth of 400 mm, and the upper surface of the container was transparent so that sunlight could enter.
  • incident sunlight was reflected at the bottom, and a long wave was returned into the liquid.
  • a pressure control relief valve (pressure control valve 45) with a reverse support valve was installed in the upper part of the culture tank 39 so as to operate in a pressure range of 0.005 MPa to 0.025 MPa. This corresponds to oxygen generated by photosynthesis when irradiated with sunlight and gas expansion due to the influence of solar heat.
  • Nozzles for circulating the liquid in the container were attached to both sides of the side surface perpendicular to the longitudinal direction of the rectangular body, and the circulation pump 43 was disposed via a pipe or a hose.
  • a gas-liquid mixing mixer 41 was attached to the discharge side of the circulation pump 43, and the required amount of carbon dioxide separated and concentrated from the stored CO 2 40 was introduced to the suction side of the gas-liquid mixer.
  • optical waveguides 44 with four laser diodes (430 nm, 680 nm, 700 nm, 450 to 660 nm, 20 mW each) are provided at the bottom of the culture tank at intervals of 500 mm, and supplemented for 12 hours at night.
  • the dry matter concentration changed from 1.5 g / L to 3.6 g / L at HRT for 5 days.
  • Example 4 Into a 5 L glass container equipped with a stirrer / liquid mixer shown in FIG. 2, 20 mL of spirulina having a concentration of 2 ⁇ 10 7 cells / mL used as a seed is added to the 4 L standard nutrient solution shown in Table 1. 100% concentration of CO 2 was supplied to the stirrer / liquid mixer at 0.5 ml / min for 3 minutes.
  • This stirrer was provided with a circular stirrer blade in which an optical waveguide composed of a glass tube in which three LEDs each having a wavelength of 430 nm, 680 nm, and 700 nm were disposed.
  • an LED having a wavelength of 450 nm to 660 nm and an optical waveguide having 7 mW attached thereto were attached to the outside of the wall of the glass container.
  • a photobioreactor with an R / B ratio of 10 and an effective irradiation power of 30 mW was constructed and cultured at 45 rpm for 24 hours. Then, discard the first nutrient solution was filtered spirulina, alter the formulation of Table 1, about 2 times the liquid 4L solution to a concentration, put the whole amount Spirulina was filtered again, the CO 2 supply amount 1.
  • Example 5 Make standard nutrient solution 4L solutions shown in Table 1 in a glass container of 5L, lyophilized chlorella was 0.1g turned of CO 2 concentration of 100% 2.0 ml / min to 16 hours per day to a timer Then, it was divided into 6 times and supplied to the stirrer / liquid mixer shown in FIG.
  • This stirrer was provided with a circular stirrer blade in which an optical waveguide composed of a glass tube in which three LEDs each having a wavelength of 430 nm, 680 nm, and 700 nm were disposed. Furthermore, an LED having a wavelength of 450 nm to 660 nm and an optical waveguide having 7 mW attached thereto were attached to the outside of the wall of the glass container.
  • a photocatalyst in which platinum was supported on titanium oxide was mixed with a special oil-based adhesive on the glass surface of the stirring blade, and applied to the inside of the glass wall of the photobioreactor.
  • the culture operation was performed at a temperature of 25 ° C. and a rotation rate of 45 rotations per minute for 24 hours, and then the nutrient solution shown in Table 1 was divided into 4 times per day for 240 minutes at 5.0 ml / min with a metering pump.
  • Semi-continuous culture was carried out for 30 days by supplying semi-continuously and switching to semi-continuous culture with a hydraulic mean residence time (HRT) of 3.3L / day withdrawn at a liquid volume of 1.2 L / day.
  • HRT hydraulic mean residence time
  • Example 6 A standard nutrient salt solution 4L solution shown in Table 1 was prepared in a 5 L glass container, 1 g of chlorella was added thereto, and 100% concentration of CO 2 was supplied to the stirrer shown in FIG. 2 at 20.0 ml / min.
  • This stirrer was provided with a circular stirring blade having three glass tubes in which three LEDs each having a wavelength of 430 nm, 680 nm, and 700 nm (total light output of 30 mW) were arranged.
  • a light reflecting material was applied to the inside of the glass tube. Further, an LED having a wavelength of 450 nm to 660 nm, 7 mW, was attached outside the glass container.
  • Example 7 Irradiation of LED (total output of 90 mW, about 3 times that of Example 4 in light output) through a sliding power transmission unit that supplies power to the light source power source to the stirrer part above the photobioreactor mounted with LED used in Example 4 4 L of nutrient salt solution was placed in a 5 L photobioreactor with a built-in stirrer, and charged into a gas-liquid mixing mixer (FIG. 2) installed at the bottom of the photobioreactor at a pH 9 to 10 alkaline ionized water at 10.0 ml / min.
  • a gas-liquid mixing mixer FIG. 2
  • the sample was operated at a rotational speed of 5 to 20 revolutions per minute for 15 minutes with a pressure of 0.05 MPa and a 100% CO 2 flow rate of 0.5 ml / min.
  • the pH of the liquid was measured, the pH of the gap between the carbon dioxide outlets at the bottom of the stirrer was within 7.5 to 8.0.
  • Example 8 In Example 4 above, 1.0 l / min of an alkaline ion solution having a pH of 9 to 10 was supplied from the center of the bearing portion installed at the lower part of the photobioreactor, the rotation was performed at 10 revolutions per minute, and a pressure of 0. cultures were initiated in microalgae in a state of 05MPa, was supplied 100% of the CO 2 flow rate of 40 ml / min. In this experiment, it was set as the state of the mechanism with bad conditions given so that the function of the non-return valve installed in the lower part of the stirrer could not be demonstrated. This was performed multiple times. As a result, pH changed with weak alkali.
  • the dry matter concentration of Spirulina was 6 g / L. This shows that the supply of artificial light at night is effective because the dry matter concentration obtained by the conventional raceway solar cell culture device is about 1.5 g / L.
  • FIG. 11 shows an optical waveguide 51 in which a laser oscillation diode having four wavelength ranges (660 to 450 nm, 680 nm, 700 nm, and 430 nm) of the composite optical waveguide body shown in FIG.
  • the three-dimensional structure of the microalgae culture apparatus 50 is used together with a light emitter by an LED group (wavelength range of 430 to 700 nm with 6 w power consumption) housed in the transparent tube 52 and the square transparent basket 53.
  • the flow is rectified by a rectifying plate 57 while a single vertical stirrer 54 having six rotating disc blades is driven by a motor 55 to circulate the culture solution around the central partition wall 56. Can do.
  • a thermal insulation jacket 58 that adjusts the temperature of the culture solution with hot water or cold water is disposed below the culture apparatus 50.
  • the maximum dry matter concentration per day was 0 with the water temperature maintained at 20-25 ° C. Around 5 g / L became possible.
  • the optical wavelength intensity ratio between the center wavelengths of 675 nm and 445 nm is 4 to 10, with the center wavelengths of 445 nm (425 to 500 nm) and 675 nm (550 to 850 nm).
  • Example 11 similarly to the microalgae culture apparatus 50 shown in FIG. 11 in Example 10, a heat retaining jacket 68 for adjusting the temperature of the culture solution is disposed at the lower portion thereof, and the foot 61 and the connecting portion 62 are disposed at the bottom thereof.
  • the microalgal culture apparatus 60 which has is shown.
  • This culturing device 60 also includes the same optical waveguide 51 as in Example 10 and a light emitter by the LED group housed in the transparent tube 52. In this culturing device 60, sunlight, the optical waveguide 63 and the transparent tube 64 are provided. It is possible to use together with the artificial light irradiation by the light emitter by the LED group housed in the.
  • Such artificial irradiation is performed at night from above the lower part of the culture apparatus 60 and depends on sunlight irradiation during the day, so that the depth of the culture solution is limited to a range of 60 to 75 cm.
  • the microalgae culture device 60 can perform artificial light irradiation during the daytime in cloudy weather, and can maintain the water temperature at 20 to 25 ° C. even in the snowy and mountainous regions in the winter and early spring.
  • a growth rate of at least about 0.75 g / L / d can be obtained at a maximum daily dry matter concentration.
  • the center wavelength of 445 nm (425 to 500 nm) and 675 nm (550 to 850 nm) has a two-peak wavelength intensity, and the photon intensity ratio between the center wavelengths of 675 nm and 445 nm is 4 to 10.
  • FIG. 13 shows a completely sealed microalgae culture device 70 using both sunlight and artificial light on the rooftop of a building or in a building with insufficient floor strength.
  • the culture solution reservoir can be circulated by the culture solution supply pump 73 located in the lower part thereof.
  • CO 2 mixer 71 which is operated by the CO 2 which is supplied from the outside through the CO 2 supply solenoid valve 72 is also possible to place the outside.
  • Nutrient salts and the like can be supplied via a nutrient salt circulation pipe 77 by a nutrient salt supply pump 74.
  • the sunlight intake port for taking sunlight into the inside of the microalgae culture apparatus 70 is provided with a transparent inclined plate 78 and an openable / closable transparent protective plate 81, and the openable / closable transparent protective plate 81 has upper and lower openable / closable transparent protection plates. It is held by the plate holder 80.
  • a culture fluid overflow dispersion rod 79 is arranged on the upper part of the transparent inclined plate 78, and the culture fluid overflowing from this is stored in the culture solution reservoir by the culture fluid overflow leakage gap 82 at the lower part of the transparent inclined plate 78. Circulated. Further, a CO 2 gas leakage prevention plate 83 is disposed in the culture fluid overflow leakage gap 82.
  • a light emitter 75 (power fed from an external power source 76) that uses the same optical waveguide as in Example 10 and a transparent tube containing an LED group is arranged on the inner surface of the transparent inclined plate 78.
  • a triangular ceiling is formed between the light emitter 75 and the culture apparatus outer frame 84.
  • An internal pressure adjusting valve 85 that adjusts the pressure in the culture apparatus 70 is provided at the top of the ceiling.
  • the culture apparatus 70 has a function of projecting photons corresponding to the wavelength of light having a photosynthesis component of sunlight in the daytime to the culture solution by mirror-finishing the wall surface on which the internal sunlight hits.
  • the optical wavelength intensity ratio between the center wavelengths of 675 nm and 445 nm is 4 to 4 with the two-peak wavelength intensities of the center wavelengths of 445 nm (425 to 500 nm) and 675 nm (550 to 850 nm).
  • the microalgae culture apparatus of the present invention enables the production of algae at a very low cost.
  • the unit is several hundred to several thousand times that of corn and sugarcane harvested from the field. Allows production of starch, lipids and proteins per area.
  • it absorbs approximately 2.0 times the mass of carbon dioxide compared to the dry matter density of algae, so it can be regarded as a carbon dioxide absorber that is extremely effective in preventing global warming and regenerates like a forest. Since carbon dioxide is not absorbed over several decades until it can be used, but it is absorbed in several days, it can be positioned as a device that constantly absorbs carbon dioxide regardless of location.
  • the dry matter of algae produced by the present invention is useful as it is as a livestock feed or food material, and the lipid contained in the dry matter can be used as fuel oil.
  • the lipid contained in the dry matter can be used as fuel oil.
  • a light / artificial light combined type microalgae culture apparatus can be provided.
  • an artificial light microalgae culture device that has an artificial light type microalgae culture device with a diameter of several meters and a depth of several tens to several hundreds of meters, Japan and Southeast Asia have high population density. Mass cultivation is possible in places where the land area is limited.

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Abstract

　藻類の光合成に必要な光質と光量子を培養装置内に均一に、効率良く供給できる微細藻類培養装置を提供する。　藻類の培養槽への光供給手段として、光導波路を備えた微細藻類培養装置であって、前記光導波路が、６７５～６８５ｎｍ、６９５～７０５ｎｍ、４２５～４３５ｎｍおよび４５０～６６０ｎｍの波長範囲の光をそれぞれ発する光発光ダイオード等からなる光発振装置を光導波路の一方の端面に取り付け、光導波路の外縁もしくは内周に光反射物質等を備えることにより、光導波路の中心軸に対して直角方向に光が放出されるように形成された光導波路であることを特徴とする微細藻類培養装置、および、前記光導波路を備え、かつ、回転軸を中心に攪拌翼が回転することにより培養槽内の栄養塩液を攪拌する攪拌機であって、回転軸の軸方向下部にＣＯ２のマイクロバブルを発生させる装置を有する攪拌機を備えたことを特徴とする微細藻類培養装置である。

Description

微細藻類培養装置
　本発明は微細藻類培養装置に関し、詳しくは、藻類の光合成に必要な光を培養槽に効率良く供給することのできる微細藻類培養装置に関する。
　藻類の光合成能力を活用して、クロレラやスピルリナを太陽光のもとで深さ３０ｃｍ程度の広い面積でドーナッツ型の浅い池を用いて、大量に製造する方式が普及している。この場合夜間太陽照射のないときには藻類に昼間に蓄えた光合成産物を消費するために藻類の乾物生産性が低い欠点がある。この欠点を少しでも補うためにフォトバイオリアクタを用いて太陽光線に変わる人工光源をバイオリアクタ内部に照射しながら藻類の生産性を向上させる発明（特許文献１～３参照）がある。
　また、太陽光の水による減衰を防ぐために、光ファイバを用いて液部分を壁体の表面に薄く流す薄層液に太陽光や人工光を照射する方式（特許文献４参照）の発明がある。光合成を行う液体内部の太陽光の吸収により特に可視光のうち青色は減衰し、赤色光の減衰は避けられても、光合成の光反応システムの機能を弱めるために微細藻類の生産性は高くならない。
　その欠点を補う方法として太陽光に近い光源をバイオリアクタ内部に導入して、光合成システムを強化する発明がある。バイオリアクタ内部に平板状発光体を回転可能な枠に取り付け、中の液体が均質に分散する角度に調整可能なバイオリアクタ内部の光照射の均一化の壁体と攪拌機の間に設置する方式（特許文献５参照）の発明がある。これら２つの発明はバイオリアクタ内の光照射の均一化を図るために光源の制御及び攪拌による液体流れに対する光照射位置の制御を考えたものである。光源をバイオリアクタ内部に光源を入れる場合に、光源となる光変換の効率が悪く、投入エネルギーの大部分が熱となって液体に伝熱され、液体の温度を一定に保つために冷却エネルギーを使用する。また、変換された光エネルギーのうち緑や黄色の波長を持つ光質は光合成にほとんど関与しない。このためにバイオリアクタ内に置かれる発光体の電力を液体体積に比べ小さくできない欠点がある。このために、液体の攪拌強度を上げてしまうので、液体内部で微細藻類の細胞分裂を維持するための攪拌強度を低下できない欠点がある。
　また、光源を冷陰極管（ＣＣＬ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いて、電力消費を抑えながら栄養塩液に光源を浸漬する微細藻類培養装置が発明（特許文献１および２参照）されているが、光源を液面以下に配置するために配線部が複雑になり光源に栄養塩液が浸み込む事故による漏電が発生しやすい構造が問題になっている。
米国出願公開２００９０２９４４５号公報 米国出願公開２００９０１７６７７号公報 特許第３２８３９８２号公報 特許第３０４９１８３号公報 特許第２８８２６２２号公報
　そこで本発明の目的は、藻類の光合成における光反応システムに必要な光質と光量子を培養装置内に均一に、効率良く供給することのできる微細藻類培養装置を提供することにある。
　本発明者らは、前記課題を解決するために、鋭意検討した結果、特定の波長の光を発する光発振装置が取り付けられた光導波路を藻類の培養槽に設置することで上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
　すなわち本発明の微細藻類培養装置は、藻類の培養槽への光供給手段として、光導波路を備えた微細藻類培養装置であって、前記光導波路が、６７５～６８５ｎｍ、６９５～７０５ｎｍ、４２５～４３５ｎｍおよび４５０～６６０ｎｍの波長範囲の光をそれぞれ発する光発光ダイオードおよび／またはレーザー発振ダイオードからなる光発振装置を光導波路の一方の端面に取り付け、光導波路の外縁もしくは内周に光反射物質またはアルミ箔を備えることにより、光導波路の中心軸に対して直角方向に光が放出されるように形成された光導波路であることを特徴とするものである。
　本発明の微細藻類培養装置においては、複数の前記光発光ダイオードおよび／またはレーザー発振ダイオードからなる光発振装置が一本の光導波路の端部に取り付けられていることが好ましい。
　また、本発明の微細藻類培養装置は、前記光導波路が藻類の栄養塩液に接触する位置に設置され、前記光発振装置が藻類の栄養塩液に接触しない位置に設置されることが好ましい。
　さらに、本発明の微細藻類培養装置は、前記光発振装置から発せられる光の進行角度が光導波路の端面に対して７０～９０度の範囲に調節できるように、前記光発振装置が取り付けられていることが好ましい。
　さらにまた、本発明の微細藻類培養装置は、前記光発振装置の温度を２４．５～２５．５℃に保温することのできる温度制御機構を備えていることが好ましい。
　また、本発明の微細藻類培養装置は、前記光発振装置が取り付けられた光導波路の端面の反対側の端面が光反射物質またはアルミ箔で被覆してあることが好ましい。
　さらに、本発明の微細藻類培養装置は、前記光導波路が、接合部を有することが好ましく、前記培養槽が矩形または円筒型であり、培養槽の壁面に前記光導波路が配設されていることが好ましい。
　また、本発明の微細藻類培養装置は、前記培養槽が矩形または円筒型であり、培養槽の底面に前記光導波路が配設されていることが好ましい。
　さらにまた、本発明の微細藻類培養装置は、前記培養槽内に、軸を中心に回転する攪拌翼を備えた攪拌機を有し、前記軸の内部または外縁部に、軸に対して平行に前記光導波路が配設されていることが好ましい。
　また、本発明の微細藻類培養装置は、軸を中心とした回転機構を備えた攪拌機の回転軸から放射状に延伸した支持体に、前記４種の波長の光を発する光発振装置をそれぞれ取り付けた４本の光導波路が、回転軸に対して平行に固定されてなる攪拌機を前記培養槽内に有することが好ましい。
　また、本発明の微細藻類培養装置は、前記攪拌機に、藻類の栄養源および／または栄養塩液の供給装置が配設されていることが好ましく、前記攪拌機に、二酸化炭素の供給装置が配設されていることが好ましい。
　また、本発明の微細藻類培養装置は、さらにｐＨ検出装置および／またはｐＨ調節機構を備えていることが好ましく、太陽光が前記培養槽へ供給される構造を有し、光合成有効放射（ＰＡＲ）が２００μＥ／Ｓ／ｍ２以下のときに前記光発振装置を作動させる光発振装置の制御装置を備えていることが好ましい。
　さらに、本発明の微細藻類培養装置は、栄養塩液から藻類を分離した後、栄養塩液を再び培養槽に供給する手段を備えていることが好ましく、前記培養槽が地下に設置されていることが好ましい。
　また、本発明の微細藻類培養装置は、地上および地下にそれぞれ熱交換器を備えた培養槽が設置され、それぞれの培養槽が、熱媒体を用いたヒートポンプまたはヒートパイプを介して連結されていることが好ましい。
　また、本発明の微細藻類培養装置は、
　太陽光が供給される構造を有する培養槽（Ａ）と、
　６７５～６８５ｎｍ、６９５～７０５ｎｍ、４２５～４３５ｎｍおよび４５０～６６０ｎｍの波長範囲の光をそれぞれ発する光発光ダイオードおよび／またはレーザー発振ダイオードからなる光発振装置を光導波路の一方の端面に取り付け、光導波路の外縁もしくは内周に光反射物質またはアルミ箔を備えることにより、光導波路の中心軸に対して直角方向に光が放出されるように形成された光導波路を備えた培養槽（Ｂ）と、を有する藻類の培養装置であって、
　培養槽（Ａ）の栄養塩液が培養槽（Ｂ）へ供給される構造を有することを特徴とするものである。
　さらにまた、本発明の微細藻類培養装置は、６７５～６８５ｎｍ、６９５～７０５ｎｍ、４２５～４３５ｎｍおよび４５０～６６０ｎｍの波長範囲の光をそれぞれ発する光発光ダイオードおよび／またはレーザー発振ダイオードからなる光発振装置を光導波路の一方の端面に取り付け、光導波路の外縁もしくは内周に光反射物質またはアルミ箔を備えることにより、光導波路の中心軸に対して直角方向に光が放出されるように形成された光導波路を備え、かつ、
　回転軸を中心に攪拌翼が回転することにより培養槽内の栄養塩液を攪拌する攪拌機であって、回転軸に対して垂直方向に、回転中心から放射状に延伸した支持体に固定された複数の攪拌翼を有し、回転軸の軸方向下部に二酸化炭素のマイクロバブルを発生させる装置を有する攪拌機を培養槽内に備えたことを特徴とするものである。
　本発明の微細藻類培養装置においては、上記光導波路とともに、中心波長４４５ｎｍ（４２５～５００ｎｍ）および６７５ｎｍ（５５０～８５０ｎｍ）の２山形波長強度をもち且つ６７５ｎｍと４４５ｎｍの中心波長の光量子強度比が４～１０を構成するＬＥＤを透明管または角型透明框内に収納し、気体中および／または液体中に配設することで、微細藻類培養装置の培養パターンを豊富にすることができる。
　本発明の微細藻類培養装置における光導波路は一部反射を行う反射物質を用いた一体構造とすることで、光発振装置から、距離が遠くなっても、また、光導波路を曲げても、培養槽に光を供給することが可能となった。従って、培養槽を深くしても培養槽の底部まで光を到達させことが可能になった。これによって光発振した光質と光量子を微細藻類の光合成に効率よく利用できるようになった。また、特定の波長の光を培養槽に供給することで、藻類の光合成を効率良く促進することができる。つまり、本発明では、光合成に必要な光質を培養槽に供給し、人工光では問題になるグリーンギャップを回避し、人工光下でも太陽エネルギーで生産されるカロテノイドの微細藻類細胞内での生産を可能にした。
　また、前記光導波路が藻類の栄養塩液に接触する位置に設置され、前記光発振装置が藻類の栄養塩液に接触しない位置に設置される場合、光変換による温熱を栄養塩液に伝熱しないので、栄養塩液の温度安定性を従来の発明よりも確保でき、余剰熱もさらに有功に活用できる。このため、藻類の増殖速度を可能な限り高め、藻類の生育密度を従来法の１０～５０倍に高めることが可能になった。
　さらに、太陽光および光導波路により光が供給される培養槽と、光導波路により光が供給される培養槽を組み合わせた場合、人工光微細藻類栄養塩液の二酸化炭素供給によるｐＨの極端な低下を回避し、供給した二酸化炭素を微細藻類が確実に資化できる環境を整えることが可能になる。
図１は本発明の光発振装置を４つ備えた複合光導波路体の概略図である。 図２は本発明の光導波路を備えた攪拌機の概略図である。 図３は太陽光／人工光併用型培養槽を備えた微細藻類培養装置の概略図である。 図４は本発明の光導波路を備えた攪拌機を上から見た概略図である。 図５は本発明の光導波路を備えた培養槽の側面からの概略図である。 図６は本発明の光導波路を備えた、太陽光／人工光併用型の培養装置と人工光のみの培養装置を組み合わせた培養装置の概略図である。 図７は本発明の光導波路を備えた、コンテナ型の培養装置の概略図である。 図８は本発明の光導波路を底面に備えた培養装置の概略図である。 図９は本発明の光導波路を備えた地下設置型の培養槽と太陽光／人工光併用型培養槽を備えた微細藻類培養装置の概略図である。 図１０は、実施例３における栄養塩液のｐＨ推移およびユーグレナの乾物量の推移を表したグラフである。 図１１は、実施例１０におけるＬＥＤ発光体と光導波路とを併用した微細藻類培養装置の立体概略図である。 図１２は、実施例１１におけるＬＥＤ発光体と光導波路とを併用した微細藻類培養装置の立体概略図である。 図１３は、実施例１２における完全密閉型太陽光・人工光併用型微細藻類培養装置の概略図である。
　微細藻類の光合成における光反応システムに必要な光質は７００ｎｍ、６８０ｎｍ、４３０ｎｍおよび４５０～６６０ｎｍである。これらの波長の光をはっするＬＥＤやレーザー発振ダイオードを本発明では光源として活用する。ＬＥＤはレーザー発振ダイオードに比べ直進性に劣り電力消費が多いが、温度安定性にすぐれているので、太陽光を受ける太陽光併用型フォトバイオリアクタの光源に適している。一方、レーザー発振型ダイオードは直進性に優れかつ低電力であるので、地下設置培養槽など、深い微細藻類培養槽に適している。また、培養槽内に設置した攪拌機に光導波路を備え付ける場合、レーザー発振ダイオードの電力供給電源線は攪拌機の上部に取り付けるだけでよいので、米国出願公開２００９０２９４４５号公報や米国出願公開２００９０１７６７７号公報記載の発明のように攪拌翼内に電源線を挿入しないので構造がシンプルで、かつ効率よく光量子の密度を５０～１０００倍高めることができる。
　ＬＥＤやレーザー発振ダイオードを取り付けた光導波路の長さ（Ｌ）における周辺長に対する光反射部の割合（Ｙ）は、光導波路の光透過率（ｂ）との関係から、次式で表現できる。
　　Ｙ＝ａ・ＥＸＰ（ｂ・Ｌ）・・・・・・・・・・・・・・（１）
　また、光導波路の長さが２ｍ以内の短い長さであれば、ティラー近似により、
　　Ｙ＝ｂ・Ｌ＋Ｃ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
の直線近似でよい。
　特にＬＥＤを光源に使う場合には光放射角度がレーザー発振ダイオードに比較して広いために（２）式が適応される。
　本発明の光導波路は、光透過性に優れたガラスやアクリル樹脂、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレン等を材料として用いることができる。また光導波路の外縁または内周に、光導波路を円柱構造と見立てた場合の周長の１０～７５％を占めるように、光反射物質またはアルミ箔を取り付ける。取り付け方法は特に限定無く、接着などによることができる。また、光反射物質の材質として例えば、フッ素系ポリマー（商品名：テフロン（登録商標））などのフッ素樹脂などを挙げることが出来る。これにより、光導波路の中心軸に対して直角方向に少なくとも一部の光が放出されるようになる。この光導波路の端面の各々に上記光発光ダイオードおよび／またはレーザー発振ダイオードからなる光発振装置を取り付け、好ましくは、別の端面に光反射物質を接着して、レーザー光直進波を反射させる。上記のように構成された複合光導波路体の光導波路は、微細藻類培養槽壁面や底面まで必要な光質と光量子を送ることができるので攪拌機を補助的に利用でき、培養に要する電力を従来の発明よりも１０～１００分の１に低下でき、その低下させた電力分を光量子の供給に当てることが可能になり、高濃度培養を短時間で達成できる。また上記光導波路は曲げることが可能であり、培養槽の壁面や底部の形に沿って配設することができる。
　光発振装置は、各光導波路につき、１種類を取り付けても、図１に示すように複数の波長の光を発する光発振装置を組み合わせて、光発振装置固定部１に取り付け、これを光発振装置・光導波路固定部２を介して１本の光導波路３に取り付けてもよい。図１のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄはそれぞれ光発振装置を表す。この光導波路３には、その断面図から分かるように光反射物質４が長手方向に配設されている。また、前記光発振装置から発せられる光の進行角度が光導波路３の端面に対して７０～９０度の範囲に調節できるように、前記光発振装置が取り付けられていることが好ましい。これにより光導波路周縁への光量子の浸み出しを平均化することができる。
　光導波路３の表面は藻類が付着しやすいので、光酸化触媒を塗布し、この付着を防止することに加えこの光導波路表面を摺動させる軟質の樹脂を配設し、これを定期的に動かすことで、光導波路３の表面の微細藻類の付着を確実に防止できる。
　上記のように構成された複合光導波路体３のうち、図５で示すように光導波路２５だけが微細藻類栄養塩液に直接接触する構造、すなわち、光導波路２５が藻類の栄養塩液に接触する位置に設置され、光発振装置２７が藻類の栄養塩液に接触しない位置に設置されることが好ましい。
　本発明の微細藻類培養装置は、光発振装置の温度を２４．５～２５．５℃に保温することのできる温度制御機構を備えていることが好ましい。この温度制御機構は、いかなる構造のものも採用することができるが、コスト面、装置の小型化の面から、気流を用いた温度制御機構が好ましい。そのような温度制御機構として、例えば冷却ファンなどが挙げられる。光源の寿命は光源温度を常温に保つことができれば、光源寿命を長期化することが可能である。そのために光源を取り付けている基盤を冷却や保温で恒温化することによって、その寿命の低下を理論値の１５％未満に維持でき、これによって陰極間発光体の寿命より５～１０倍の光源交換時間を長くできる。また、光熱費の大幅なコスト及び維持コストの削減が可能になる。
　図５で示すように、本発明で用いる光導波路２５は途中で接合部２６を有していてもよい。接合部２６は、光導波路２５の両端面が鏡面仕上げされ、かつ、その接触面が、光導波路２５を構成する材料と同じ材料で接着されていることが好ましい。また、接続面に藻類の栄養塩液が浸み込まないように、防水のために接合部２６を合成樹脂などの非透水性の材料で覆うようにすることが好ましい。
　本発明の培養装置は、培養槽内に攪拌機を備えることができる。複合光導波路体の光導波路は、微細藻類培養槽壁面や底面まで必要な光質と光量子を送ることができるので攪拌機を補助的に利用でき、培養に要する電力を従来の発明よりも１０～１００分の１に低下でき、その低下させた電力分を光量子の供給に当てることが可能になり、高濃度培養を短時間で達成できる。
　本発明の培養装置に用いる攪拌機は、その軸もしくは攪拌翼に上記光導波路を備え付けることができる。攪拌翼の代わりに光導波路を回転させてもよい。そのような攪拌機の構造として、例えば図２に示すようなものが挙げられる。図２の攪拌機においては、攪拌翼をかねた光導波路７が攪拌機の回転軸（中空軸）５から延伸した支持体（支持円盤）６に軸５に平行になるように固定され、光導波路７の上部端面に、例えば図１のように光発振装置（光源）が取り付けられ、さらに電源線、陰極が取り付けられている。また、攪拌機の上部に二酸化炭素供給部を設けて中空軸中を二酸化炭素を通し、複合ボールベアリング１６を介して回転自在に接続された気液混合ミキサ９において溶解させる。中空軸５中には、逆止弁１９を設けて、二酸化炭素の逆流を防止する。気液混合ミキサ９は、例えば、気液混合ミキサ用モータ１５、微細気泡放出インペラ１７、ローター１８からなり、栄養塩液の供給部を有する。また、気液混合ミキサ９の近傍に、ｐＨセンサ１０を設けてもよい。攪拌翼をかねた光導波路７は攪拌機回転用モータ１４により回転することで、栄養塩液を攪拌し、かつ、藻類の光合成に必要な光を培養槽に供給する。攪拌機の攪拌翼および回転軸５はバイオリアクタ内に浸漬されており、攪拌機の上部に光源電源に電力を供給させる摺動式電力伝達部（電力供給用スリップリング８）を配設することでバイオリアクタ内に一定量の光エネルギーを供給することができる。複合導波路７は、４種の波長の光を発する光発振装置が取り付けられたものをそれぞれ個別に支持体に固定してもよく、図４に示すように、まとめて固定してもよい。図４では、光反射物質またはアルミ箔を取り付けた側が４本の中心に向くように光導波路２５が固定されている。また、中空回転軸の内部に光導波路を配してもよい。
　光合成に必要なＣＯ２の供給が藻類の光合成の生産速度を律速するので、本発明の微細藻類培養装置は、ＣＯ２の供給機構を備えることが好ましい。例えば、そのようなＣＯ２の供給機構は上記攪拌機の回転軸の上部または下部に取り付けることができる。単位体積あたりのＣＯ２の大量供給速度を保持し、かつ攪拌強度に影響をきたさないために攪拌機の軸の下部にＣＯ２の吐出口を設けて、外部からＣＯ２供給用コンプレッサーまたはポンプによってＣＯ２を供給する。また、アルカリ液またはアルカリイオン水の供給口をＣＯ２の吐出口の近傍に設けて、気液混合ミキサを用いて二酸化炭素によるｐＨの低下を中和により緩和しながら水へ溶解することが好ましい。気液混合ミキサによって、ＣＯ２の気泡が細かくなり、気泡の上昇速度が低下するので、より多くのＣＯ２を溶解させることができる。さらに中和によってもＣＯ２の溶解が促進される。具体的には、例えば、気液混合ミキサの回転体の回転数を１０００～３０００ｒｐｍに調節し、シリンダ内に内包した回転体と固定体との間隙の中でＣＯ２の気泡を０．５～４０μｍに細分化して、いわゆるマイクロバブルとして供給することが好ましい。そのようなＣＯ２のマイクロバブル発生装置を回転軸の軸方向下部に有する攪拌機と、上記の光導波路を併用することで、藻類の光合成に必要な光とＣＯ２を十分量供給することが可能になり、藻類の増加速度をより一層高めることができる。マイクロバブル発生装置としては上記のような気液せん断法を利用したもの以外に、加圧減圧法を利用したものを使用することもできる。ＣＯ２の吐出口、アルカリ液またはアルカリイオン水の供給口および気液混合ミキサ９の設置位置は、攪拌機の軸に限定されることはなく、例えば、培養槽底部などにも設置することができる。
　本発明の微細藻類培養装置は、ｐＨセンサおよび／またはｐＨ調節機構を備えていることが好ましい。ｐＨセンサは市販のｐＨ検出装置であればいずれも使用可能である。ｐＨセンサにより、栄養塩液のｐＨを測り、栄養塩液が酸性側に傾いたら、ｐＨ調節機構により中和をし、栄養塩液のｐＨを一定に保つ。このようにすることで藻類の最適ｐＨを保つことができる。ｐＨ調節機構とは、例えば、アルカリ液の供給装置である。これによりＣＯ２の大量溶解により酸性側に傾いた栄養塩液を中和することができる。具体的には、微細藻類の対数増殖を最大に保つためには、最適ｐＨは７．２～９．０の範囲に維持する必要があるので、二酸化炭素の注入に対してはｐＨを検出してｐＨの低下を７．２以下にしない制御を行う。また、図２に示すように、ｐＨセンサ１０により検出した信号をアンプ１２および信号線１１を介してソレノイド制御弁１３に送り、ＣＯ２の注入量を制御することができる。
　本発明の微細藻類培養装置中の培養槽は、太陽光が培養槽内部へ供給される構造を有し、太陽光と、前記光導波路による人工光の併用型とすることもできる。太陽光が培養槽内部へ供給される構造とは、例えば培養槽の天井部が透明な材料で構成されている構造などが挙げられる。また、太陽光／人工光併用型培養槽とする場合、太陽光が弱いときにのみ、人工光を培養槽に供給できるように、弱光、例えば、光合成有効放射（ＰＡＲ）が２００μＥ／Ｓ／ｍ２以下のときに前記光発振装置を作動させる光発振装置の制御装置を備えていることが好ましい。このような構成とすることで、晴天下など十分な光が培養槽に届くときは光発振装置の電気使用量を抑えることができる。
　また、太陽光／人工光併用型の培養槽と人工光のみの培養槽を併用することも可能である。太陽光／人工光併用型の微細藻類培養装置は昼間太陽光に含まれる赤外ならびに赤外線や遠赤外線の光量子の入射によって温まり、熱交換しない場合は、その水温は３５～４０℃に達する。この液温は藻類の細胞分裂に支障をきたすことがあり、また、高温水下では細胞死が起こるので、熱媒体を循環させるヒートポンプやヒートパイプを用いて太陽光／人工光併用型の藻類培養槽と人工光のみ利用する培養槽を接続し、各々に熱交換器を置くことが好ましい。このような構成とすることにより、それぞれの水温を２５～２８℃並びに２０～２５℃に保持することができる。
　また、本発明の培養装置の培養槽は、地下に設置することもできる。地下に設置した場合、地熱により温度の安定化が図れるため、温度維持に要するエネルギーコストを削減することが可能になる。図９に示すように、地下に設置した培養槽４７と地上に設置した太陽光／人工光併用型（光導波路７および光導波路付き攪拌機４８を具備）の培養槽をヒートポンプ４９やヒートパイプおよび栄養塩液を輸送するパイプにより連結することも好ましい。
　本発明の微細藻類培養装置は、太陽光が供給される構造を有する培養槽（Ａ）、即ち太陽光／人工光併用型の培養槽と、上記の光導波路を備えた人工光のみの培養槽（Ｂ）を併用する場合、（Ａ）内の栄養塩液を液体サイクロン等で固液分離後、この分離液を培養槽（Ｂ）に送液するなどして、栄養塩液を再利用できるような構成を有することが好ましい。特に、太陽光／人工光併用型の培養槽（Ａ）から分離した分離液のｐＨは人工光だけの培養槽（Ｂ）由来の藻類栄養塩液よりｐＨが０．５～１．５ほどアルカリにシフトしているので、これを前記気液混合ミキサに供給することでＣＯ２を多量に供給した際の中和液として利用することが出来る。そのような、栄養塩液を分離して再利用できるような構成を有する培養装置の例として、図３に示すような装置が挙げられる。図３の装置では、太陽光／人工光併用型培養槽２０からポンプで藻類を含む栄養塩液を取り出し、流体サイクロン２１で固液分離処理をする。藻類を含む濃縮栄養塩液は濃縮液引き抜き部２３から引き抜かれ、それ以外の栄養塩液は別の培養槽内に設置された攪拌機の気液混合ミキサ２２に供給される。また、別の培養槽から太陽光／人工光併用型培養槽２０へ向けて栄養塩液を供給する場合も、流体サイクロン２１で上記と同様に固液分離して栄養塩液だけを太陽光／人工光併用型培養槽２０に供給することができる。図３において、光導波路を備えた攪拌機である攪拌機複合光導波路２４および気液混合ミキサ２２は、図２で示した攪拌機と同様のものである。
　以下、実施例及び比較例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
　各実施例で使用する藻類の栄養塩液の組成を下記表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 ※１：組成は下記表２記載の通り。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　（実施例１）
　（井戸水での仮運転による温度変化の観察）
　図６に示すとおり、プラスチックハウス３０内の７０Ｌレースウェイ太陽光利用型微細藻類培養槽２９に合計３０ｍＷのＬＥＤ（４３０ｎｍ、６８０ｎｍ、７００ｎｍ、４５０～６６０ｎｍ）を光源とする光導波路付き攪拌機３４を１基を設け、冷陰極管ランプ２．５Ｗ／本（４３０ｎｍ，６６０ｎｍ，７００ｎｍ，５０～６６０ｎｍ、図では符号３６）を円筒型容器の内壁に４本取り付けた１００Ｌ人工光微細藻類培養容器に水温１５℃前後の井戸水をいれ、双方にヒートポンプ３３を介して熱交換器３１、３２を設置して井戸水の水温上昇を見た。この結果、太陽日射が４００～１０００μＥ／Ｓ／ｍ２のときに、ヒートポンプ３３を作動させなかった場合７０Ｌレースウェイ太陽光利用型微細藻類培養槽内２９の水温は３２℃に達した。翌日の快晴時に、水温を２７～３０℃の間でｏｎ－ｏｆｆ制御するヒートポンプ３３を作動させた。日中のレースウェイでの温熱を井戸水へ、冷熱をレースウェイ太陽光利用型微細藻類培養槽に供給する運転を行った。この結果、人工光微細藻類培養容器内の井戸水の水温は上昇し、１８～２５℃になった。夜間は冷陰極管（ＣＣＬ）の照射によって、１８～２０℃の温度範囲であった。
　（微細藻類セネデスムスの培養）
　次に上記の培養装置に、井戸水の代わりに栄養塩液を入れて微細藻類セネデスムスの培養を行った。７０Ｌレースウェイ太陽光利用型微細藻類培養槽２９と人工光微細藻類培養容器をパイプで連結し、栄養塩液循環ポンプ３７を取り付けて、両培養槽間で栄養塩液が行き来できるようにした。すなわち、７０Ｌレースウェイ太陽光利用型微細藻類培養槽２９の上澄み液を１００Ｌ人工光微細藻類培養容器へ５Ｌ／ｍｉｎで流し、１００Ｌ人工光微細藻類培養容器へ返送するシステムを構成した。また、７０Ｌレースウェイ太陽光利用型微細藻類培養槽２９には水車３５を取り付けた。９９．５％二酸化炭素１８０ｇ／ｄを太陽光利用型微細藻類培養装置２８に日中３回に分けて吹き込み、人工光微細藻類培養容器には９０ｇ／ｄの二酸化炭素を夜間二回に分けて吹き込み、微細藻類セネデスムスの濃度は、４．３ｇ／Ｌの濃度から４日間で８．５ｇ／Ｌに達した。ｐＨは７．３～７．９を推移し、安定していた。その後、半連続培養を行い、培養槽から４２．５Ｌ／ｄを引き抜き、新規栄養塩液を４２．５Ｌ／ｄ投入する運転を１２日間続けた。平均１．５ｇ／Ｌ／ｄの濃度差を得た。日中の太陽光の光強度が約１５０～２００μＥ／ｍ２／Ｓの範囲であれば、ｐＨは７．４～８．８で安定的に推移し、夜間人工光による補光によって、微細藻類の高濃度培養が可能となる培養が実現できた。
　（実施例２）
　図７に示すように、箱型６９．１Ｌ（２４０×２４０×１２００）の培養槽を栄養塩液がプラグフローで流れるように長尺方向に２部屋にわけ下流側に４種のレーザー発振ダイオード（４３０ｎｍ、６８０ｎｍ、７００ｎｍ、４５０～６６０ｎｍ、いずれも５ｍＷ光出力）を４セット取り付けた攪拌機３８（図２に示す攪拌機と同様の構造）を図７の平面図に示すとおり培養槽内に７基配設した。さらに図７（Ａ）、（Ｂ）に示すとおり、培養槽の壁体に沿って垂直に、かまぼこ型の複合光導波路で、平面部に光反射物質を備えたものを４種束ねたものを１組とし、栄養塩液が入ってくる上流側を粗になるように配設し、下流側を密に配設した。また、図７（Ｃ）に示すとおり、複合光導波路体のレーザー発振ダイオード（４３０ｎｍ、６８０ｎｍ、７００ｎｍ、４５０～６６０ｎｍ）を取り付けた光導波路を透明アクリル円筒（１００φ）内に配し、図７（Ｄ）のように光導波路の光反射部を太陽光の入射に対して直角になるように設けて、パイプ状の太陽光／人工光併用型培養部を作製した。図７（Ａ）に示すように、このパイプを箱型６９．１Ｌ培養槽の上方に設置し、箱型６９．１Ｌ培養槽の底部においたポンプに接合させて、栄養塩液がパイプ状の培養部と箱形培養槽の間を循環するようにした。栄養塩液は外部から入れ、攪拌機３８の下部から高濃度の二酸化炭素を注入し、液温２５℃でＨＲＴ（水理学的平均滞留時間）を８日間に設定し、上記表１に示す栄養塩で、２０日間連続培養した。液中内の光強度は入り口側が、０．８μＥ／Ｓ／ｍ２で出口側の光強度を３．５μＥ／Ｓ／ｍ２として、微細藻類のセネデスムスを培養した。二酸化炭素は４０～２００ｇ／ｄを時間制御で、４～２０回に分けて供給した。急激なｐＨの低下をきたさないように電磁弁の作動時間を制御する方法とした。また、設定ｐＨ以下のときには培養槽内に設置したｐＨ計から二酸化炭素の供給の停止を判断する論理回路を設けた。培養の結果、太陽の日射が十分なとき、注入した二酸化炭素によるｐＨの低下は０．５以内に収まった。そうでない時のｐＨの低下は約１～２となる。微細藻類のセネデスムスの濃度は、最大乾物濃度は１０～１３ｇ／Ｌに達し、連続培養では５～１１ｇ／Ｌの乾物濃度の間で微細藻類を回収することが最適であった。
　（実施例３）
　図８に示すような、ソーラー電池ソーラー電池システム４６を設けた太陽光／人工光併用型培養槽３９を備えた微細藻類培養装置を作製し、ユーグレナの培養を行った。培養槽は、垂直方向長さは５００ｍｍ、液深が４００ｍｍの矩形状（長方形）の矩形培養槽３９とし、容器の上面は透明にして太陽光が入るようにした。この太陽光／人工光併用型培養槽の底面にはアルミ箔４２を蒸着することによって、入射太陽光を底部で反射し、液内に長波を戻すようにした。この培養槽３９の上部には逆支弁つきの圧力制御用リリーフバルブ（圧力制御弁４５）を設置し、０．００５ＭＰａ～０．０２５ＭＰａの圧力範囲で作動するようにした。これは太陽光が照射されたときに光合成によって発生した酸素及びこれが太陽熱の影響でガス膨張することに対応したものである。この矩形体の長尺方向に対して直角の側面の両側に容器内液体を循環するためのノズルを取り付け、パイプ又はホースを介して循環ポンプ４３を配設した。この循環ポンプ４３の吐出側に気液混合ミキサ４１を取り付け、気液ミキサの吸込み側には貯蔵ＣＯ２４０より分離濃縮した二酸化炭素を必要量投入した。この量の決定は内部の液の乾物濃度及びｐＨによって決定した。４８Ｌのポリビニール製容器に３０ＷＤＣモータ駆動のインペラを備えた気液混合ミキサ４１により、１日１０～２０分間１００％濃度の二酸化炭素を２回に分けて培養槽へ供給し、ＨＲＴを８日間に設定した連続培養を太陽光強度２００～４００μＥ／ｍ２／Ｓの遮光下で行った。その結果、２．５ｇ／Ｌの乾物濃度でユーグレナを回収できた。
　さらに、この培養槽の底部に５００ｍｍ間隔で４つのレーザー発振ダイオード（４３０ｎｍ、６８０ｎｍ、７００ｎｍ、４５０～６６０ｎｍ、各々２０ｍＷ）を取り付けた光導波路４４を８本を備え付けて、夜間１２時間補光を加えたところ、図１０のグラフで示すように５日間のＨＲＴで１．５ｇ／Ｌ～３．６ｇ／Ｌの乾物濃度で推移する連続培養運転が可能になった。
（実施例４）
　図２に示す攪拌機兼液混合ミキサを容器内に備えた５Ｌのガラス容器内に表１に示す標準栄養塩液４Ｌ液に種となる２×１０７ｃｅｌｌ／ｍＬ濃度のスピルリナ２０ｍＬを投入し、１００％濃度のＣＯ２を０．５ｍｌ／ｍｉｎで３分間、攪拌機兼液混合ミキサに供給した。この攪拌機には４３０ｎｍ、６８０ｎｍ、７００ｎｍの波長を持つＬＥＤをそれぞれ３個ずつ配設したガラス管からなる光導波路を先止めした円形攪拌翼を持たせた。さらにガラス容器の壁面の外側に４５０ｎｍ～６６０ｎｍの波長をもつＬＥＤ、７ｍＷを取り付けた光導波路を取り付けた。Ｒ／Ｂ比１０、有効照射電力３０ｍＷのフォトバイオリアクタを構築して、回転数毎分４５回転で、２４時間培養した。その後、スピルリナをろ過して最初の栄養塩液を捨て、表１の処方を改変し、約２倍の液濃度にした４Ｌ液に、再度ろ過したスピルリナを全量入れ、ＣＯ２供給量を１．５ｍｌ／ｍｉｎに増加して１６時間をタイマーで６回に分けて供給し、２４時間培養した結果、乾物濃度は３．０ｇ／Ｌに達した。その後、表１の処方を３倍にし、同様な方法でろ過したスピルリナ全量を入れ、ＣＯ２供給量を３０ｍｌ／ｍｉｎで、１日あたり４時間を４回に分けて供給し、７２時間で１６ｇ／Ｌを得た。
（実施例５）
　５Ｌのガラス容器内に表１に示す標準栄養塩液４Ｌ液を作り、これに凍結乾燥クロレラを０．１ｇ投入し、１００％濃度のＣＯ２を２．０ｍｌ／ｍｉｎを１日当り１６時間、タイマーで６回に分けて、図２に示す攪拌機兼液混合ミキサに供給した。この攪拌機には４３０ｎｍ、６８０ｎｍ、７００ｎｍの波長を持つＬＥＤをそれぞれ３個ずつ配設したガラス管からなる光導波路を先止めした円形攪拌翼を持たせた。さらにガラス容器の壁面の外側に４５０ｎｍ～６６０ｎｍの波長をもつＬＥＤ、７ｍＷを取り付けた光導波路を取り付けた。攪拌翼のガラス表面に酸化チタンに白金を担持した光触媒を特殊な油性接着剤に混じて塗布し、さらにフォトバイオリアクタのガラス製壁体の内側にも塗布した。培養運転条件は温度２５℃、回転数毎分４５回転で、２４時間培養し、その後表１に示す栄養塩液を定量ポンプで５．０ｍｌ／ｍｉｎで２４０分間を一日あたり４回に分けた半連続的に供給し，液量１．２Ｌ／日で引き抜く水理学的平均滞留時間（ＨＲＴ）を３．３３日とする半連続培養に切り替え、３０日間連続運転した。その後、攪拌翼ガラス面表面及びバイオリアクタ内部のガラス壁の内側の藻類の付着を調べたところまったく藻類の壁面の付着は見られなかった。長期間の運転では藻類の付着が懸念されるので壁面や光導波路表面に軟質合成樹脂製摺動装置を取り付けて定期的に付着藻類を手動で除去する仕組みを導入した。この結果、３～４週間おきに軟質合成樹脂製摺動装置を操作することで藻類の付着を防止できた。
　その後、攪拌翼及び内壁部分に塗布した酸化チタンに白金を担持した光触媒を溶剤で洗い落とし同様の連続培養を実施したところ、培養開始後６日ごろより、攪拌翼への藻類の付着が見られ、壁体側も同じく藻類の付着が顕著になった。この結果から攪拌翼及び内壁部分に塗布した酸化チタンに白金を担持した光触媒の塗布は藻類の付着防止に極めて有効であることが分かった。
（実施例６）
　５Ｌのガラス容器内に表１に示す標準栄養塩液４Ｌ液を作り、これにクロレラを１ｇ投入し、１００％濃度のＣＯ２を２０．０ｍｌ／ｍｉｎ、図２に示す攪拌機に供給した。この攪拌機には４３０ｎｍ、６８０ｎｍ、７００ｎｍの波長を持つＬＥＤ（合計光出力３０ｍＷ）をそれぞれ３個ずつ配設したガラス管を先止めした３個有する円形攪拌翼を持たせた。また、このガラス管の内側に光反射材料を前面塗布した。さらにガラス容器の外に４５０ｎｍ～６６０ｎｍの波長をもつＬＥＤ、７ｍＷを取り付けた。また、バイオリアクタ外部に３対のＬＥＤを固定した放射盤を２枚設置しＬＥＤ内の青の個数を高め赤と青の光源放射強度比５になるように調整した光環境を作り出した。さらに攪拌翼のガラス表面に酸化チタンに白金を担持した光触媒を特殊な接着剤に混じて塗布し、加えてフォトバイオリアクタのガラス製壁体の内側に塗布した。回転数毎分４５回転で、２４時間培養し、その後表１に示す栄養塩液を定量ポンプで５．０ｍｌ／ｍｉｎを２００分間を一日あたり４回に分けて供給し，液量１．０Ｌ／日で引き抜く、即ちＨＲＴが４．０日とする半連続培養に切り替え、２０日間連続運転した。その結果、培養開始後６日以降の乾物濃度は１０ｇ／Ｌで安定した生産ができた。同様に電源をパルス波に変え、０．２ｓｅｃ周期で５０％デユーティ比の光環境で１０日間の生産を行ったが、乾物濃度はほとんど変わらなかった。この結果、リアクタ外壁からの光照射は藻類生産に有効であり、パルス波照射によっても収穫量の減少は見られなかったことから、電源の省エネルギーにつながることが明確になった。
（実施例７）
　実施例４において用いたＬＥＤ搭載のフォトバイオリアクタ上部の攪拌機部分に光源電源に電力を供給させる摺動式電力伝達部を介してＬＥＤ（光出力で実施例４の約３倍の合計９０ｍＷ）照射を行う攪拌機を内蔵する５Ｌのフォトバイオリアクタ内に栄養塩液４Ｌを入れ、フォトバイオリアクタ下部に設置した気液混合ミキサ（図２）にｐＨ９～１０のアルカリイオン水１０．０ｍｌ／ｍｉｎで．供給し、攪拌機上部から圧力０．０５ＭＰａ、１００％のＣＯ２流量０．５ｍｌ／ｍｉｎを供給した状態で、回転数を毎分５～２０回転で１５分運転した。液のｐＨを測定したところ、攪拌機下部の二酸化炭素の吹き出し口の間隙のｐＨは７．５～８．０に収まっていた。
（実施例８）
　上記実施例４において、フォトバイオリアクタ下部に設置した軸受け部中心からｐＨ９～１０のアルカリイオン溶液を１．０ｌ／ｍｉｎ供給し、回転数を毎分１０回転で運転し、攪拌機上部から圧力０．０５ＭＰａ、１００％のＣＯ２流量４０ｍｌ／ｍｉｎを供給した状態で微細藻類の培養を開始した。この実験では、攪拌機下部に設置した逆止弁の機能を発揮できないように施した条件の悪い仕組みの状態とした。これを複数回実施した。その結果、ｐＨは弱アルカリで推移した。
（実施例９）
　フォトバイオリアクタ上部の攪拌機部分に光源電源に電力を供給させる摺動式電力伝達部をもつ上記実施例４に示すＬＥＤを搭載した気液混合ミキサ付帯の攪拌機を、２００Ｌの深さ１８ｃｍレースウェイ方式太陽光型培養装置に一基設置し、攪拌機下部に設置した気液混合ミキサにｐＨ９～１０のアルカリイオン水を１．０ｌ／ｍｉｎ供給し、攪拌機上部から圧力０．０５ＭＰａ、１００％のＣＯ２の流量４０ｍｌ／ｍｉｎで一日当たりの運転時間を２０分間として時間タイマーで１０回に分けて供給した状態で、攪拌機の回転数を毎分５～２０回転で運転し、５日間夜間だけ光源を点灯し、昼間は太陽エネルギーを直接利用する運転をした結果、スピルリナの乾物濃度で６ｇ／Ｌを得た。これは従来型のレースウェイ式太陽光型培養装置の得られる乾物濃度が１．５ｇ／Ｌ程度なので、夜間の人工光の供給が有効であることが分かる。
　（実施例１０）
　図１１は、実施例２において図７（Ｃ）に示す複合光導波路体の４種の波長域（６６０～４５０ｎｍ，６８０ｎｍ，７００ｎｍ，４３０ｎｍ）のレーザー発振ダイオードを取り付けた光導波路５１を光発光体として使用するとともに、透明管５２および角型透明框５３に収納したＬＥＤ群（６ｗ消費電力で波長域４３０～７００ｎｍ）による光発光体を併用した微細藻類培養装置５０の立体構造を示す。この装置５０においては、回転円板６枚羽を備える１台の竪型配置攪拌機５４をモーター５５により駆動させて中央の隔壁５６の周囲に培養液を回流させつつ、整流板５７により整流することができる。また、この培養装置５０の下部には培養液温度を温水または冷水で調節する保温ジャケット５８を配設した。この微細藻類培養装置５０を用いて実施例２と同様の条件で人工光照射専用による微細藻類の培養を行なった結果、水温を２０～２５℃に維持した状態で、１日当り最大乾物濃度は０．５ｇ／Ｌ前後が可能となった。この実施例１０においては、光導波路５１とともに、中心波長４４５ｎｍ（４２５～５００ｎｍ）および６７５ｎｍ（５５０～８５０ｎｍ）の２山形波長強度をもち且つ６７５ｎｍと４４５ｎｍの中心波長の光量子強度比が４～１０を構成するＬＥＤを透明管５２および角型透明框５３内に収納することで、微細藻類培養装置の培養パターンを豊富にすることができた。
（実施例１１）
　図１２は、実施例１０における図１１に示す微細藻類培養装置５０と同様に、その下部に、培養液温度を調節する保温ジャケット６８が配設され、されにその底部に足６１と接続部６２とを有する微細藻類培養装置６０を示す。この培養装置６０も実施例１０と同様の光導波路５１と、透明管５２に収納したＬＥＤ群による光発光体とを備えるが、この培養装置６０では、太陽光と、光導波路６３および透明管６４に収納したＬＥＤ群による光発光体による人工光照射とを併用することが可能である。かかる人工照射は、夜間、培養装置６０の下部より上方に照射し、昼間は太陽光照射に頼るので、培養液の深さは６０～７５ｃｍの範囲に制限される。なお、この微細藻類培養装置６０は、曇天時の昼間は人工光照射を行うことができ、また積雪地帯や山間部においての冬季や春季初期でも水温を２０～２５℃に維持可能であれば、最低でも１日当り最大乾物濃度は０．７５ｇ／Ｌ／ｄ前後の増殖速度を得ることができる。この実施例１１においても、光導波路６３とともに、中心波長４４５ｎｍ（４２５～５００ｎｍ）および６７５ｎｍ（５５０～８５０ｎｍ）の２山形波長強度をもち且つ６７５ｎｍと４４５ｎｍの中心波長の光量子強度比が４～１０を構成するＬＥＤを透明管６４内に収納することで、微細藻類培養装置の培養パターンを豊富にすることができた。
（実施例１２）
　図１３は、建物の屋上や床強度の不足する建築物内で、太陽光と人工光を併用した完全密閉型の微細藻類の培養装置７０を示す。この培養装置７０では、その下部にある培養液送液ポンプ７３にて培養液だめの培養液を循環させることができる。また、培養液だめの水深を調節することで、建築物内の床強度に対応させることが可能である。ＣＯ２供給用電磁弁７２を介して外部より供給されるＣＯ２により稼動されるＣＯ２ミキサ７１は、外部に置くことも可能である。栄養塩などは栄養塩供給ポンプ７４により栄養塩循環管７７を介して供給することができる。微細藻類培養装置７０の内部に太陽光を取り入れる太陽光取り入れ口には、透明傾斜板７８と開閉式透明保護板８１とを備えており、この開閉式透明保護板８１は上下の開閉式透明保護板保持部８０により保持されている。透明傾斜板７８の上部には培養液溢流分散桶７９が配置されており、ここから溢流された培養液は透明傾斜板７８の下部にある培養液溢流漏洩間隙８２により培養液だめに循環される。また、この培養液溢流漏洩間隙８２にはＣＯ２ガス漏洩防止板８３が配置されている。この培養装置７０においても、実施例１０と同様の光導波路と、ＬＥＤ群を収納した透明管とを併用した光発光体７５（外部電源７６より給電）が、透明傾斜板７８の内面上に配列さており、この光発光体７５と培養装置外枠８４との間で３角形の天井を形成している。この天井の頂部には培養装置７０内の圧力を調節する内部圧調整弁８５が設けられている。この培養装置７０では、内部の太陽光が当る壁面を鏡面仕上げすることにより昼間の太陽光の光合成成分を持つ光の波長に対応する光量子を培養液に投射する機能を持たせてある。なお、図示はしないが、透明傾斜板７８の表面を水平方向にかまぼこ上に凹凸をつけることによって傾斜板上の培養液の滞留時間を増加させ、光合成の効率を高めることが可能となる。この微細藻類培養装置７０を用いて実施例１１と同様の条件で太陽光と人工光照射による微細藻類の培養を行なった結果、水温を２０～２５℃に維持した状態で、１日当り最大乾物濃度は２～３ｇ／Ｌを維持することができた。また、この実施例１２においても、光導波路６１とともに、中心波長４４５ｎｍ（４２５～５００ｎｍ）および６７５ｎｍ（５５０～８５０ｎｍ）の２山形波長強度をもち且つ６７５ｎｍと４４５ｎｍの中心波長の光量子強度比が４～１０を構成するＬＥＤを透明管６２内に収納することで、微細藻類培養装置の培養パターンを豊富にすることができた。
　本発明の微細藻類培養装置によって極めて低コストの藻類の生産が可能になり、これらの藻類を乾燥することによって、畑から収穫されるとうもろこしやサトウキビと比較して数百倍～数千倍の単位面積当たりのでんぷん、脂質やたんぱく質の生産が可能になる。さらに藻類の乾物密度に対してほぼ２．０倍の質量の二酸化炭素を吸収したことになるので、地球温暖化防止に極めて効果のある二酸化炭素吸収装置としてみなすことができ、森林のように再生利用できるまで数十年かけて二酸化炭素を吸収するのではなく数日で吸収がなされるので、場所を選ばず常時二酸化炭素を吸収する装置として位置づけることが可能である。また、本発明によって生産される藻類の乾物は、そのまま、家畜の飼料又は食品原料としても有用であり、その乾物に含有する脂質を燃料油として使うことも可能である。また、従来のレースウェイ方式より４～５倍深い池や水路でも複合光導波路体を使用することで昼間は太陽光を利用し、夜間や日射量の少ない時間帯での人工光を使用した太陽光／人工光併用型微細藻類培養装置とすることも可能になる。さらにこれと直径数ｍ、深さ数十ｍから数百ｍの人工光型微細藻類培養装置を地下に設置する人工光微細藻類培養装置とを組み合わせることによって、日本や東南アジアの人口密度の高い国での土地面積に限りのある場所での大量培養が可能となる。
１　光発振装置固定部
２　光発振装置・光導波路固定部
３　光導波路
４　光反射物質
５　攪拌機中空軸
６　光導波路の支持体
７　光導波路
８　電力供給用スリップリング
９　気液混合ミキサ
１０　ｐＨセンサ
１１　信号線
１２　アンプ
１３　ソレノイド制御弁
１４　攪拌機回転用モータ
１５　気液混合ミキサ用モータ
１６　複合ボールベアリング
１７　微細気泡放出インペラ
１８　ローター
１９　逆止弁
２０　太陽光／人工光併用型培養槽
２１　流体サイクロン
２２　気液混合ミキサ
２３　濃縮栄養塩液引き抜き部
２４　複合光導波路付き攪拌機
２５　光導波路
２６　接合部
２７　光発振装置
２８　太陽光利用レースウェイ培養装置
２９　レースウェイ太陽利用型微細藻類培養槽
３０　プラスチックハウス
３１　熱交換器
３２　熱交換器
３３　ヒートポンプ
３４　光導波路付き攪拌機
３５　水車
３６　冷陰極管ランプ（ＣＣＬ）
３７　栄養塩液循環ポンプ
３８　光導波路を備えた攪拌機
３９　矩形培養槽
４０　貯蔵ＣＯ２
４１　気液混合ミキサ
４２　アルミ箔
４３　循環ポンプ
４４　光導波路
４５　逆止弁および圧力制御弁
４６　ソーラー電池システム（蓄電池及び１２Ｖまたは２４Ｖ出力部）
４７　培養槽
４８　光導波路を備えた攪拌機
４９　ヒートパイプ
５０　微細藻類培養装置
５１　光導波路
５２　透明管
５３　角型透明框
５４　堅型配置撹拌機
５５　モーター
５６　隔壁
５７　整流板
５８　保温ジャケット
６０　微細藻類培養装置
６１　足
６２　接続部
６３　光導波路
６４　透明管
６８　保温ジャケット
７０　微細藻類培養装置
７１　ＣＯ２ミキサ
７２　供給用電磁弁
７３　培養液送液ポンプ
７４　栄養塩供給ポンプ
７５　光発光体
７６　外部電源
７７　栄養塩循環管
７８　透明傾斜板
７９　培養液溢流分散桶
８０　開閉式透明保護板保持部
８１　開閉式透明保護板
８２　培養液溢流漏洩間隙
８３　ＣＯ２ガス漏洩防止板
８４　培養装置外枠
８５　内部圧調整弁

Claims (20)

  1. 　藻類の培養槽への光供給手段として、光導波路を備えた微細藻類培養装置であって、前記光導波路が、６７５～６８５ｎｍ、６９５～７０５ｎｍ、４２５～４３５ｎｍおよび４５０～６６０ｎｍの波長範囲の光をそれぞれ発する光発光ダイオードおよび／またはレーザー発振ダイオードからなる光発振装置を光導波路の一方の端面に取り付け、光導波路の外縁もしくは内周に光反射物質またはアルミ箔を備えることにより、光導波路の中心軸に対して直角方向に光が放出されるように形成された光導波路であることを特徴とする微細藻類培養装置。
  2. 　複数の前記光発光ダイオードおよび／またはレーザー発振ダイオードからなる光発振装置が一本の光導波路の端部に取り付けられている請求項１記載の微細藻類培養装置。
  3. 　前記光導波路が藻類の栄養塩液に接触する位置に設置され、前記光発振装置が藻類の栄養塩液に接触しない位置に設置される請求項１または２記載の微細藻類培養装置。
  4. 　前記光発振装置から発せられる光の進行角度が光導波路の端面に対して７０～９０度の範囲に調節できるように、前記光発振装置が取り付けられている請求項１～３のうちいずれか一項記載の微細藻類培養装置。
  5. 　さらに、前記光発振装置の温度を２４．５～２５．５℃に保温することのできる温度制御機構を備えた請求項１～４のうちいずれか一項記載の微細藻類培養装置
  6. 　前記光発振装置が取り付けられた光導波路の端面の反対側の端面を光反射物質またはアルミ箔で被覆した請求項１～５のうちいずれか一項記載の微細藻類培養装置。
  7. 　前記光導波路が、接合部を有する請求項１～６のうちいずれか一項記載の微細藻類培養装置。
  8. 　前記培養槽が矩形または円筒型であり、培養槽の壁面に前記光導波路を配設した請求項１～７のうちいずれか一項記載の微細藻類培養装置。
  9. 　前記培養槽が矩形または円筒型であり、培養槽の底面に前記光導波路を配設した請求項１～８のうちいずれか一項記載の微細藻類培養装置。
  10. 　前記培養槽内に、軸を中心に回転する攪拌翼を備えた攪拌機を有し、前記軸の内部または外縁部に、軸に対して平行に前記光導波路を配設した請求項１～９のうちいずれか一項記載の微細藻類培養装置。
  11. 　軸を中心とした回転機構を備えた攪拌機の回転軸から放射状に延伸した支持体に、前記４種の波長の光を発する光発振装置をそれぞれ取り付けた４本の光導波路が、回転軸に対して平行に固定されてなる攪拌機を前記培養槽内に有する請求項１～１０のうちいずれか一項記載の微細藻類培養装置。
  12. 　前記攪拌機に、藻類の栄養源および／または栄養塩液の供給装置が配設された請求項１０または１１記載の微細藻類培養装置。
  13. 　前記攪拌機に、二酸化炭素の供給装置が配設された請求項１０～１２のうちいずれか一項記載の微細藻類培養装置。
  14. 　さらにｐＨ検出装置および／またはｐＨ調節機構を備えた請求項１～１３のうちいずれか一項記載の微細藻類培養装置。
  15. 　太陽光が前記培養槽へ供給される構造を有し、光合成有効放射（ＰＡＲ）が２００μＥ／Ｓ／ｍ２以下のときに前記光発振装置を作動させる光発振装置の制御装置を備えた請求項１～１４のうちいずれか一項記載の微細藻類培養装置。
  16. 　栄養塩液から藻類を分離した後、栄養塩液を再び培養槽に供給する手段を備えた請求項１～１５のうちいずれか一項記載の微細藻類培養装置。
  17. 　前記培養槽を地下に設置した請求項１～１６のうちいずれか一項記載の微細藻類培養装置。
  18. 　地上および地下にそれぞれ熱交換器を備えた培養槽を設置し、それぞれの培養槽を、熱媒体を用いたヒートポンプまたはヒートパイプを介して連結した請求項１７記載の微細藻類培養装置。
  19. 　太陽光が供給される構造を有する培養槽（Ａ）と、
    　６７５～６８５ｎｍ、６９５～７０５ｎｍ、４２５～４３５ｎｍおよび４５０～６６０ｎｍの波長範囲の光をそれぞれ発する光発光ダイオードおよび／またはレーザー発振ダイオードからなる光発振装置を光導波路の一方の端面に取り付け、光導波路の外縁もしくは内周に光反射物質またはアルミ箔を備えることにより、光導波路の中心軸に対して直角方向に光が放出されるように形成された光導波路を備えた培養槽（Ｂ）と、を有する藻類の培養装置であって、
    　培養槽（Ａ）の栄養塩液が培養槽（Ｂ）へ供給される構造を有することを特徴とする微細藻類培養装置。
  20. 　６７５～６８５ｎｍ、６９５～７０５ｎｍ、４２５～４３５ｎｍおよび４５０～６６０ｎｍの波長範囲の光をそれぞれ発する光発光ダイオードおよび／またはレーザー発振ダイオードからなる光発振装置を光導波路の一方の端面に取り付け、光導波路の外縁もしくは内周に光反射物質またはアルミ箔を備えることにより、光導波路の中心軸に対して直角方向に光が放出されるように形成された光導波路を備え、かつ、
    　回転軸を中心に攪拌翼が回転することにより培養槽内の栄養塩液を攪拌する攪拌機であって、回転軸に対して垂直方向に、回転中心から放射状に延伸した支持体に固定された複数の攪拌翼を有し、回転軸の軸方向下部に二酸化炭素のマイクロバブルを発生させる装置を有する攪拌機を培養槽内に備えたことを特徴とする微細藻類培養装置。
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