WO2020213632A1 - 培養装置、担体支持装置、および培養対象の製造方法 - Google Patents

培養装置、担体支持装置、および培養対象の製造方法 Download PDF

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WO2020213632A1
WO2020213632A1 PCT/JP2020/016536 JP2020016536W WO2020213632A1 WO 2020213632 A1 WO2020213632 A1 WO 2020213632A1 JP 2020016536 W JP2020016536 W JP 2020016536W WO 2020213632 A1 WO2020213632 A1 WO 2020213632A1
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WO
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culture
carrier
unit
culture solution
light
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/016536
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English (en)
French (fr)
Inventor
幹夫 都筑
万里 岩越
Original Assignee
日本曹達株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • 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
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/12—Unicellular algae; Culture media therefor

Definitions

  • the present invention relates to a culture device, a carrier support device, and a method for producing a culture target.
  • Microalgae such as chlorella and microorganisms such as photosynthetic bacteria are highly promising as resources capable of producing energy without emitting CO 2 and other industrially usable resources, and can be utilized and efficiently at the commercial level. There are high expectations for such production.
  • microalgae In order to use microalgae for energy resources and other industrial uses, it is required to produce them at the lowest possible cost.
  • a culture system for microalgae a system for culturing a large amount of microalgae in water using a large-scale pool or tank is known.
  • oil is produced by absorbing light, taking in carbon dioxide, and performing photosynthesis as photosynthetic microalgae in a culture tank (or culture pond) containing a mixed solution of photosynthetic microalgae and a culture solution.
  • Photosynthetic microalgae that have produced oil are collected in a floating state by means of recovery means, and as a result, the amount of culture solution associated with the cultured photosynthetic microalgae is significantly reduced.
  • a photosynthetic microalgae culture apparatus is disclosed.
  • an object of the present invention is to provide a culturing device capable of improving the efficiency of culturing as compared with the case where a culturing target is cultivated using only a pool or a tank, for example.
  • the techniques disclosed herein receive a carrier in which the culture broth containing the culture target flows down the surface and / or inside, and the culture broth flowing down from the carrier, and light directed toward the culture broth.
  • a culture section for culturing a culture target a first supply section for supplying the culture solution flowing out of the culture section to the carrier, and a culture section for flowing out the culture solution from the culture section.
  • the techniques disclosed herein include a carrier through which the culture broth containing the culture target flows down the surface and / or inside, an irradiation unit that irradiates the carrier with light, and a flow down from the carrier.
  • It is a culture apparatus provided with a supply unit for supplying the culture solution stored in the above carrier.
  • a gas supply unit that supplies gas to the culture solution.
  • the gas supply unit may supply carbon dioxide gas toward the carrier.
  • the culture unit has a storage tank in which the upper part is open and the culture solution to be stored can come into contact with the outside air. Further, in the storage tank, the maximum width of the stored culture solution at the liquid level is preferably larger than the maximum depth of the stored culture solution. Further, it is preferable that the carrier has a flat plate portion which is a flat plate-like portion, and has a through hole which penetrates in the flat plate portion in the thickness direction of the flat plate portion and has a size through which the culture target can pass.
  • the carrier may include a member capable of transmitting light irradiated by the irradiation unit.
  • the carrier may be a net body formed by combining a plurality of resin thread-like members.
  • a plurality of the carriers are provided, and a plurality of containers for accommodating any of the carriers are provided therein.
  • the carrier has a first facing portion and a second facing portion provided so as to face each other, and the gas supply portion is in a space sandwiched between the first facing portion and the second facing portion of the carrier. It is preferable that the supply port is located in the space and the gas is supplied to the space from the supply port.
  • the carrier has a continuous portion that is continuous between the first facing portion and the second facing portion, and the supply portion has another supply port located above the continuous portion in the carrier. It is advisable to drop the culture solution from the other supply port onto the continuous portion.
  • the techniques disclosed herein include a support portion that supports a carrier through which the culture solution containing the culture target flows down on the surface and / or inside, and an irradiation portion that irradiates the carrier with light.
  • a carrier support device including a supply unit for supplying the culture solution stored in the culture unit to the carrier.
  • the techniques disclosed herein include the step of irradiating a carrier in which the culture medium containing the culture object flows down on the surface and / or inside with light, and storing the culture medium flowing down from the carrier.
  • a culture object including a step of passing light toward the culture solution, stirring the culture solution, and culturing the culture target, and a step of supplying the culture solution stored in the culture unit to the carrier. It is a manufacturing method of.
  • a culturing device capable of improving the efficiency of culturing as compared with the case where the cultivated object is cultivated using only a pool or a tank, for example. ..
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a culture system 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 1 a schematic configuration of the culture system 1 to which the present embodiment is applied will be described.
  • the culture system 1 which is an example of the culture apparatus is a culture in which a carrier unit 10 to which a culture solution containing microorganisms is supplied, a culture unit 30 for culturing microorganisms, and a culture solution containing microorganisms are circulated.
  • Each configuration includes a liquid circulation unit 50, a gas supply unit 60 that supplies gas to the carrier unit 10, a carrier irradiation unit 70 that irradiates the carrier unit 10 with light, and a culture irradiation unit 80 that irradiates the culture unit 30 with light. It has a control unit 90 that controls the members.
  • the vertical direction of the culture system 1 shown in FIG. 1 may be simply referred to as the vertical direction.
  • the width direction of the culture system 1 may be simply referred to as the width direction.
  • the direction intersecting the vertical direction and the width direction in the culture system 1 may be simply referred to as the depth direction.
  • the carrier unit 10 has a carrier 12 to which a culture solution containing microorganisms is supplied, a cover 15 that covers the outer periphery of the carrier 12, and a support 17 that supports the carrier 12 and the cover 15.
  • a plurality (two) of carriers 12 housed in the cover 15 are provided side by side in the depth direction.
  • the culture solution containing the microorganisms flows down along the carrier 12, and is irradiated with light and supplied with carbon dioxide gas. Details of the carrier unit 10 will be described later.
  • the culture unit 30, which is an example of the culture unit, includes a culture tank 31 in which the culture solution is stored and the microorganisms are cultured, a stirrer 35 for stirring the culture solution in the culture tank 31, and filtration for filtering the cultured microorganisms. It has a vessel 37.
  • the culture tank 31 is a container in which the upper side in the vertical direction is open. In the culture tank 31, the stored culture solution can come into contact with the outside air. That is, the culture tank 31 has an opening for taking in the outside air.
  • the culture tank 31 is made of a resin, glass, or the like that is transparent to the light emitted by the culture irradiation unit 80. That is, the side surface of the culture tank 31 functions as a passage region for passing light toward the culture solution.
  • the stirrer 35 which is an example of the stirring unit, stirs the culture solution in the culture tank 31 by rotating a rotor (not shown) provided in the culture tank 31.
  • the stirrer 35 is not limited to the configuration using a rotor as long as it is possible to stir the culture solution in the culture tank 31.
  • the culture solution may be agitated by supplying a gas such as carbon dioxide gas or a liquid such as a culture solution into the culture tank 31.
  • the culture solution may be agitated by vibrating the culture tank 31 by, for example, ultrasonic waves.
  • the filter 37 receives the cultured microorganisms from the culture tank 31 together with the culture solution. Then, the filter 37 recovers the microorganisms by separating the microorganisms from the culture solution by filtration.
  • the culture solution from which the microorganisms have been separated by the filter 37, that is, the filtrate may be discarded, or may be supplied to the culture tank 31 and used again for culturing the microorganisms.
  • the culture solution circulation unit 50 which is an example of the supply unit, receives the culture solution from the first pipe 51 that supplies the culture solution to the carrier unit 10, the second pipe 53 that collects the culture solution from the carrier unit 10, and the culture tank 31. It has a third pipe 57 for circulation and a pump 59 as a driving source for circulating the culture solution.
  • the culture solution circulation unit 50 supplies the microorganisms and the culture solution from the culture tank 31 to the carrier unit 10 by the pump 59, and repeatedly collects the microorganisms together with the culture solution from the carrier unit 10 to the culture tank 31, thereby forming the microorganisms and the culture solution. Circulate the culture medium.
  • the illustrated culture unit 30 is arranged at a position deviated from the lower side in the vertical direction of the carrier unit 10. That is, the culture unit 30 is provided at a different point from the carrier unit 10.
  • the carrier unit 10 and the culture unit 30 provided at different points and separated from each other are connected to each other by the first pipe 51, the second pipe 53, and the third pipe 57.
  • the gas supply unit 60 which is an example of the gas supply unit, has a gas cylinder 61 for compressing and accommodating carbon dioxide gas, and a gas pipe 63 for supplying carbon dioxide gas supplied from the gas cylinder 61 to the carrier unit 10.
  • the carrier irradiation unit 70 which is an example of the irradiation unit, has a first irradiation panel 71 and a second irradiation panel 73 that irradiate the carrier unit 10 with light from both sides in the depth direction with the carrier unit 10 interposed therebetween.
  • the first irradiation panel 71 and the second irradiation panel 73 have a substantially plate-like shape that is arranged to face the carrier unit 10.
  • the first irradiation panel 71 and the second irradiation panel 73 for example, have a fluorescent lamp, an organic EL, an LED, or the like arranged as a light source, and are configured to irradiate light having a wavelength and a light amount suitable for the growth of microorganisms. There is.
  • the wavelength of the light emitted by the first irradiation panel 71 and the second irradiation panel 73 is, for example, in the range of 380 to 780 nm. Further, it is preferable that the first irradiation panel 71 and the second irradiation panel 73 can irradiate only red light, for example, with respect to microorganisms capable of growing only with red light.
  • the culture irradiation unit 80 which is an example of another irradiation unit, has a first irradiation panel 81 and a second irradiation panel 83 that irradiate light toward the carrier unit 10 from both sides in the depth direction across the culture tank 31.
  • the first irradiation panel 81 and the second irradiation panel 83 are configured in the same manner as the first irradiation panel 71 and the second irradiation panel 73.
  • the first irradiation panel 81 and the second irradiation panel 83 have a fluorescent lamp, an organic EL, an LED, or the like arranged as a light source, and irradiate light having a wavelength and a light amount suitable for the growth of microorganisms. It is configured as follows.
  • the wavelength of the light emitted by the first irradiation panel 81 and the second irradiation panel 83 is, for example, in the range of 380 to 780 nm. Further, it is preferable that the first irradiation panel 81 and the second irradiation panel 83 can irradiate only red light, for example, to microorganisms capable of growing only with red light.
  • the first irradiation panel 81 and the second irradiation panel 83 have a substantially plate-like shape that is arranged so as to face the carrier unit 10, but if the culture tank 31 can be irradiated with light, for example, in the vertical direction.
  • the structure is not particularly limited, such as irradiating only from the upper side.
  • the control unit 90 is configured by a computer or the like and controls the constituent members of the culture system 1. For example, the control unit 90 controls the operation timing of the culture solution circulation unit 50.
  • microorganisms are cultivated in the culture unit 30. Then, while the culture solution containing the microorganism is circulated by the culture solution circulation unit 50, the carrier unit 10 supplies carbon dioxide gas to the microorganism and the culture solution and irradiates the culture solution with light. That is, in the carrier unit 10, carbon dioxide gas and light energy necessary for microorganisms to perform photosynthesis are supplied. Then, the microorganism and the culture solution are guided to the culture unit 30 again, and the microorganism is cultured in the culture unit 30. Further, in the culture unit 30, the culture of microorganisms is promoted by irradiating the culture irradiation unit 80 with light.
  • the time required for the culture solution to pass through the culture unit 30 is longer than the time required for the culture solution to pass through the carrier unit 10.
  • the time for the culture solution to be stored in the culture tank 31 is longer than the time for the culture solution to flow down the carrier 12.
  • the amount of the culture solution stored in the culture tank 31 is larger than the amount of the culture solution existing in the cover 15.
  • the microorganism to be cultured is, for example, a photosynthetic microorganism such as a photosynthetic bacterium or a photosynthetic microalgae.
  • the culture system 1 does not have to include the carrier irradiation unit 70 and the culture irradiation unit 80.
  • the culture solution is not particularly limited as long as it is a diluted solution of a medium capable of culturing microalgae by a usual method to increase the concentration of microorganisms.
  • a general inorganic medium such as CHU medium, JM medium, or MDM medium can be used.
  • diluted solutions of various media such as Gambog B5 medium, BG11 medium, and HSM medium are preferable.
  • antibiotics and the like that do not affect the growth of microalgae may be added to the medium.
  • the pH of the medium is preferably 4-10.
  • wastewater discharged from various industries may be used.
  • FIG. 2 is a perspective view of the carrier 12.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the carrier unit 10.
  • the carrier unit 10 has a carrier 12, a cover 15, and a support 17.
  • each configuration will be described.
  • the carrier 12 is a plate-shaped member through which a culture solution containing microorganisms passes.
  • the illustrated carrier 12 is a cloth member having a substantially rectangular front view. More specifically, the carrier 12 is composed of a flexible member, more specifically, a resin fiber such as polyester. Further, the illustrated carrier 12 is formed of a filamentous member that transmits at least a part of the light emitted from the first irradiation panel 71 and the second irradiation panel 73.
  • the material of the carrier 12 is not particularly limited, and cotton, silk, hair, acrylic, or the like may be used.
  • the carrier 12 has a warp 126 arranged along the longitudinal direction of the carrier 12 and a plurality of weft threads 127 arranged along a direction (width direction) intersecting the longitudinal direction of the carrier 12.
  • a plurality of warp threads 126 are provided at predetermined intervals in the width direction.
  • a plurality of weft threads 127 are provided at predetermined intervals in the longitudinal direction. Therefore, the carrier 12 can be regarded as a net body formed in a mesh shape.
  • a plurality of openings 128 are formed in the carrier 12. The details will be described later, but the opening 128 has a size that allows microorganisms to pass through. Further, the opening 128 can be regarded as a through hole penetrating in the thickness direction of the carrier 12. Further, at least one of the warp 126 and the weft 127 may be a so-called wavy fiber member having a plurality of curved portions.
  • the carrier 12 is provided in the carrier unit 10 by being bent in two at substantially the center in the longitudinal direction (see FIG. 1).
  • the size of the carrier 12 is not particularly limited, but is formed large in order to culture the microorganism more efficiently.
  • the carrier 12 is abbreviated in the longitudinal direction so as to have a vertical dimension of about 1.25 m by using a cloth member having a length of 2.5 m in the longitudinal direction and a length of 1 m in the width direction when unfolded. Folded in the center.
  • irregularities and pores may be provided on the surface of the carrier 12.
  • the “loading amount of microorganisms per 1 m 2 of carrier” means the loaded amount of microorganisms per 1 m 2 of surface area assuming that the surface of the carrier is a smooth flat surface, and forms irregularities and pores. It does not mean the actual surface area in consideration of the increase in surface area due to the above.
  • the cover 15 As shown in FIG. 1, the cover 15 is formed by bending the center of the flexible sheet member in the longitudinal direction.
  • the cover 15 is made of a material that transmits light emitted from the carrier irradiation unit 70.
  • the cover 15 is made of a synthetic resin such as vinyl chloride, polyethylene, polyester, polypropylene, or PET.
  • the cover 15 is formed in a flat bag shape capable of accommodating the carrier 12 inside. Further explaining, the cover 15 is formed so that the inside can be sealed except for a part. Specifically, the cover 15 shown in FIG. 3 has an outlet 154 for leading out the culture solution, an introduction port 156 for introducing the culture solution, and a gas port 157 for introducing carbon dioxide gas.
  • the outlet 154 is provided at the lower end portion 152, which is the lower end portion in the vertical direction of the cover 15.
  • the second pipe 53 can be attached to and detached from the outlet 154.
  • the introduction port 156 is provided on the upper side of the cover 15 in the vertical direction.
  • the end portion of the cover support 171 described later penetrates through the introduction port 156.
  • the gas port 157 is provided at the central portion in the vertical direction of the cover 15. The end of the gas supply pipe 177, which will be described later, penetrates the gas port 157.
  • the support 17 as an example of the support portion includes a cover support 171 that supports the cover 15, a carrier support 173 that supports the carrier 12, and a gas supply pipe 177 that supplies carbon dioxide gas. , A cover support 171, a carrier support 173, and a frame 179 that supports the gas supply pipe 177.
  • the support 17 is formed of a material such as aluminum that does not interfere with the culture of microorganisms.
  • the cover support 171 is a cylindrical member extending in the width direction.
  • the cover 15 is hung on the cover support 171.
  • the cover support 171 is formed with culture solution discharge holes 175 at predetermined intervals in the width direction.
  • the culture solution discharge hole 175 is formed on the lower surface of the cover support 171 in the vertical direction.
  • the culture solution discharge hole 175 discharges the culture solution from the inside of the cover support 171.
  • one end of the cover support 171 protrudes from the introduction port 156 and is connected to the first pipe 51.
  • the other end of the cover support 171 is connected to a pipe (not shown). This pipe guides the culture solution that was not supplied to the carrier 12 to the culture tank 31.
  • the carrier support 173 is a columnar member extending in the width direction.
  • the carrier support 173 is provided so as to be suspended from the cover support 171 on the lower side in the vertical direction with respect to the cover support 171.
  • the carrier support 173 is a portion on which the bent carrier 12 is hung.
  • the carrier support 173 in the illustrated example has a smaller dimension (outer diameter) in the depth direction than the cover support 171 (see FIG. 4 described later).
  • the gas supply pipe 177 is a cylindrical member extending in the width direction.
  • a plurality of gas discharge holes 178 are formed on the outer periphery of the gas supply pipe 177.
  • the gas discharge hole 178 which is an example of the supply port, is open toward both sides in the vertical direction and both sides in the width direction.
  • the gas discharge hole 178 discharges carbon dioxide gas from the inside of the gas supply pipe 177.
  • the end of the gas supply pipe 177 protrudes from the gas port 157 and is connected to the gas pipe 63.
  • the gas supply pipe 177 in the illustrated example has a smaller dimension (outer diameter) in the depth direction than the carrier support 173 (see FIG. 4 described later).
  • the portion of the culture system 1 other than the carrier 12 can be regarded as a carrier support device.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV of FIG.
  • FIG. 5 is an enlarged view in the region V of FIG.
  • FIGS. 3 to 5 the structure around the carrier 12 in the carrier unit 10 will be described with reference to FIGS. 3 to 5.
  • the cover 15 is hung on the cover support 171 and arranged.
  • the cover 15 has a first portion 151 and a second portion 153 located across a bent portion 155, which is an example of a continuous portion.
  • the first part 151 and the second part 153 are respectively provided upright in the vertical direction.
  • the carrier 12 is hung on the carrier support 173 and arranged.
  • the carrier 12 has a shape having a first portion 121 and a second portion 123, which are examples of a flat plate portion, with a bent portion 125, which is a bent and curved portion, interposed therebetween.
  • the first part 121 and the second part 123 are provided upright in the vertical direction, respectively.
  • the first part 121 and the second part 123 are arranged apart from each other.
  • the first part 121 and the second part 123 are arranged apart from the cover 15.
  • the first part 121 and the second part 123 are examples of the first facing portion and the second facing portion.
  • the culture solution discharge hole 175 of the cover support 171 is located on the upper side of the bent portion 125 of the carrier 12 in the vertical direction. That is, the culture solution discharge hole 175, which is an example of another supply port, opens toward the bent portion 125. Further, a gas supply pipe 177 is arranged between the first part 121 and the second part 123 of the carrier 12. The gas discharge hole 178 of the gas supply pipe 177 opens toward the space sandwiched by the first part 121 and the second part 123.
  • the culture solution discharged from the culture solution discharge hole 175 is supplied to the bent portion 125 of the carrier 12 (see arrow A1 in the figure).
  • the culture solution supplied to the bent portion 125 branches into the first portion 121 and the second portion 123 and flows down (see arrows A3 and A5 in the figure).
  • the carbon dioxide gas discharged from the gas discharge hole 178 is supplied into the space sandwiched by the first part 121 and the second part 123 of the carrier 12 (see arrows B1 to B4 in the figure). At this time, a part of the carbon dioxide gas flows in the vertical direction (see arrows B1 and B2 in the figure), and a part of the carbon dioxide gas flows in the depth direction, that is, toward the first part 121 and the second part 123 (arrows B3 and B2 in the figure). See B4).
  • the flow of the culture solution and the like in the carrier 12 will be described in detail with reference to FIG.
  • the culture solution flows from the upper side to the lower side in the vertical direction (see arrow A7 in the figure).
  • carbon dioxide gas passes through Part 1 121 along the depth direction (see arrow B5 in the figure). This flow of carbon dioxide gas intersects with the flow of the culture solution (see arrow A7 in the figure). Further, carbon dioxide gas flows from the lower side in the vertical direction to the upper side (see arrow B6 in the figure). The flow of this carbon dioxide gas is in the opposite direction to the culture solution, that is, in the direction facing the culture solution. In this way, the amount of carbon dioxide gas supplied to the culture solution can be increased by flowing the carbon dioxide gas in the direction intersecting the culture solution and in the direction opposite to the culture solution.
  • the light emitted from the second irradiation panel 73 passes through the first part 121 along the depth direction (see arrow C1 in the figure).
  • the traveling direction of this light is the direction intersecting with the culture solution. As a result, the amount of light received by the microorganisms contained in the culture solution can be increased.
  • the microorganisms flow down together with the culture solution from the upper side in the vertical direction to the lower side. That is, in the initial stage of starting the flow of the culture solution, the microorganisms fall along the warp 126.
  • the microorganisms that fall along the warp 126 change their flow direction when they hit the weft 127 (arrows A11, A13, A15, A17 in the figure). That is, the microorganisms fall while swinging in the depth direction. More specifically, the microorganisms fall while passing through the opening 128 of the carrier 12. This prolongs the time that the microorganisms come into contact with the gas, and as a result, the gas exchange efficiency of the microorganisms increases.
  • the weft threads 127 are molded in a wavy shape, and the weft threads 127 are arranged so as to be displaced from each other in the depth direction. This further promotes the fluctuation of microorganisms in the depth direction. As a result, the growth of microorganisms on the carrier is promoted.
  • FIG. 13 showing the results of Example 2 is a growth curve of chlorella cells on a cloth (corresponding to the carrier 12 of the present invention).
  • the left figure (a) shows the amount of microorganisms on the vertical axis on a logarithmic scale
  • the right figure (b) shows the amount on a linear scale.
  • the straight part in the left figure represents exponential growth (logarithmic growth phase), and the straight part in the right figure represents the linear growth phase. Therefore, even on the carrier 12 in the production of the photosynthetic microorganism using the microbial culture system of the present invention, first logarithmic growth, then linear growth, and gradual growth approaching saturation, basically in a liquid medium. Take a growth curve similar to the suspension culture in.
  • the cells adhering to or staying on the carrier 12 hardly move, so that the cells located on the surface continue to receive light. Therefore, it is composed of a cell group having a different environment from the inner cell group located between the surface cell group that continues to receive light and the carrier 12 and located behind the surface cell group. That is, the cells of the cell group on the surface layer are cells that retain the proliferative ability of logarithmic growth. This point is different from the cells in liquid culture in which the cell concentration has increased and the cells have entered the linear growth phase.
  • the microbial culture system of the present invention to photosynthetic microorganisms, even when the amount of cells attached to the carrier 12 is increased, the cells of the cell group on the surface layer have the ability to proliferate in logarithmic growth. Can be retained. Therefore, when the expected production amount per day (dry weight gDW) is P (gDW / m 2 ) and the daily proliferative capacity of cells during logarithmic growth (expressed as a magnification per unit period) is ⁇ times.
  • the initial cell mass C 0 (gDW / m 2 ) of the day is P ⁇ C 0 ⁇ ( ⁇ -1), the following formula (1) C 0 ⁇ P / ( ⁇ -1) ⁇ ⁇ ⁇ (1) ( ⁇ is the specific growth rate, sometimes expressed per hour).
  • P is, for example, 5 g / m 2 or more, 6 g / m 2 or more, 7 g / m 2 or more, 8 g / m 2 or more, 9 g / m 2 or more, 10 g / m 2 or more, 15 g / m 2 or more
  • the initial cell mass C 0 can be set to be 20 g / m 2 or more.
  • the upper limit of P is not particularly limited, in order to ensure a sufficient quantity for superficial cells of the carrier 12, is preferably 300 g / m 2 or less, more preferably 100 g / m 2 or less, is 50 g / m 2 or less More preferred.
  • FIG. 6 (a) to 6 (d) are diagrams for explaining the conditions of Experiments 1 to 4.
  • FIG. 7 is a table showing the yields in Experiments 1 to 4.
  • Spirulina was cultivated using the culture system 1 as shown in FIG.
  • the carrier 12 a nylon mesh material, a so-called nylon towel (manufactured by Lifelex), was used.
  • the dimensions of the carrier 12 were 18 cm in width and 100 cm in length.
  • the carrier 12 was measured using two pieces hung in half.
  • the cover 15 used two vinyl chloride sheets having a thickness of 0.45 mm and each accommodated the carrier 12.
  • the culture solution discharge holes 175 of the cover support 171 had a diameter of 0.9 mm, and were provided at nine locations every 2 cm along the longitudinal direction of the cover support 171.
  • the first irradiation panel 71, the second irradiation panel 73, the first irradiation panel 81, and the second irradiation panel 83 were irradiated with light using a red LED (manufactured by Effect). Light intensity was 20 ⁇ mol / m 2 / sec at the end of the carrier 12 50 ⁇ mol / m 2 / sec, in the center of the carrier 12.
  • the Eheim amphibious pump 1048 was used as the pump 59.
  • a silicon hose (10 ⁇ 13 mm) was used for the first pipe 51, the second pipe 53, and the third pipe 57.
  • a Y-shaped connector AS ONE, 1-7377-18
  • a flow path branching to the two cover supports 171 was secured in the first pipe 51.
  • the culture tank 31 was made of polypropylene and had dimensions of 30 cm in width, 15 cm in depth, and 30 cm in height.
  • the culture medium is as shown in Table 1.
  • Experiments 1 to 4 were performed while changing the light irradiation conditions for the carrier unit 10 and the culture unit 30. Specifically, each of the carrier unit 10 and the culture unit 30 was switched between a case of irradiating light and a case of shielding light so as not to be irradiated. Further explaining, the light shielding of the carrier unit 10 was performed by covering the cover 15 of the carrier unit 10 with an aluminum foil. In addition, by blocking the light from the carrier unit 10, the light does not reach the carrier 12 of the carrier unit 10. Further, the light shielding of the culture unit 30 was performed by covering the culture tank 31 of the culture unit 30 with aluminum foil. In addition, by shading the culture unit 30, light does not reach the inside of the culture tank 31 of the culture unit 30.
  • both the carrier unit 10 and the culture unit 30 were shielded from light.
  • the carrier unit 10 was irradiated with light, and the culture unit 30 was shielded from light.
  • the carrier unit 10 was shielded from light and the culture unit 30 was irradiated with light.
  • both the carrier unit 10 and the culture unit 30 were irradiated with light.
  • the culture targets to be cultivated by the culture system 1 are not only non-motile or poor photosynthetic microorganisms such as chlorella, cinecoquistis and spirulina, but also planktonic euglena, chlamydomonas and preurocrisis that move in water with flagella. Is also included.
  • the microorganisms to be cultured in the culture system 1 are extremely diverse. Examples of the main microorganism groups to be cultured in the culture system 1 include the following classes A, B, and C.
  • prokaryotic eubacteria and archaea can be mentioned.
  • the eubacteria include non-oxygenated photosynthetic bacteria, cyanobacteria that perform oxygen-generating photosynthesis, facultative anaerobic and non-fermentative bacteria that utilize organic substances, and inorganic vegetative bacteria, actinomycetes, and corine bacteria.
  • Umm spore-forming bacteria can be mentioned.
  • Photosynthetic bacteria include Rhodobacter, Rhodospirillum, Chlorobium, and Chloroflexi.
  • Cyanobacteria include Synechococcus, Synechococcus, Spirulina, Arsulospira, Nostock, Anabaena, Osilatoria, Lyngbya, Nostoc commune, Suizenji nori.
  • facultative anaerobic fermenting bacteria include Escherichia coli and lactic acid bacteria.
  • Pseudomonas is an example of a non-fermentative bacterium.
  • Examples of inorganic vegetative bacteria include hydrogen bacteria. Streptomyces is an actinomycete, and Bacillus subtilis is an spore-forming bacterium.
  • Archaea include thermophiles and halophilic bacteria.
  • Thermophiles include Thermococcus and Haloarchaea include Haloarchaea.
  • Other examples include glutamic acid-producing bacteria, lysine-producing bacteria, and cellulose-producing bacteria.
  • microalgae which are eukaryotic photosynthetic microorganisms can be mentioned.
  • Microalgae include green algae, treboxia algae, red algae, diatoms, haptophytes, true eye spot algae, Euglena, and brown algae.
  • Green algae include Chlorella, Senedesmus, Chlamydomonas, Botryococcus, Hematococcus, Nannochloris, and Pseudocolycystis
  • Treboxia algae include Parachlorella and Cocomixa.
  • Red algae include Cyanidioschyzon, Cyanidium, Gardieria, and Porphyridium, and diatoms include Nitzschia, Feodactylum, Chaetoceros, Tarashioshira, Skelettonema, and Fitzlifera.
  • Haptophytes include preurocrisis, gefirocapsa, emiliania, isochrysidales and pavlova.
  • Euglena is a true eye alga
  • Euglena is a euglena.
  • symbiodinium is mentioned as a zooxanthellae which is a symbiotic alga of coral.
  • Fungi include yeast and Aspergillus.
  • hyphal culture of basidiomycetes is a culture target.
  • Labyrinthula an aquatic fungus (currently a protist), can also be applied.
  • Labyrinthulomy includes Aurantiochytrium.
  • green algae such as sea lettuce and green laver
  • red algae such as Pyropia tenera, Pyropia yezoensis, Pyropia yezoensis, and other edible seaweed are also targeted for cultivation.
  • mosses which are green plants, are also targeted for culture.
  • lichens which are symbiotic organisms, are also targeted for culture.
  • microalgae can be regarded as containing cyanobacteria.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating the operation of the method for producing a microorganism in the culture system 1.
  • the method of culturing a microorganism executed in the culture system 1 as described above can be regarded as a method for producing a microorganism.
  • a method for producing a microorganism executed in the culture system 1 will be described with reference to FIG.
  • the carrier 12 of the carrier unit 10 is irradiated with light by the carrier irradiation unit 70 (S801). Further, in the carrier 12, carbon dioxide gas is supplied to the carrier by the gas supply unit 60 (S802).
  • the culture irradiation unit 80 irradiates the culture solution containing the microorganism with light (S803). Further, in the culture tank 31 of the culture unit 30, the culture solution is stirred by the stirrer 35 (S804).
  • the control unit 90 determines whether it is the timing to harvest the microorganisms in the predetermined culture tank 31 (S805).
  • the microorganisms are harvested by filtering the microorganisms from the culture solution by the filter 37 (S806).
  • the microorganism and the culture solution are sent to the carrier unit 10 by the culture solution circulation unit 50, so that the microorganism and the culture solution are circulated (S807).
  • ⁇ Modification example> 9 to 11 are views for explaining a modification of the present embodiment. Next, a modification of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 9 to 11. In the following description, the same parts as those described in the above embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
  • the culture solution that has passed through the carrier unit 10 is collected in the culture unit 30 via the second pipe 53, but the culture solution that has passed through the carrier unit 10 is collected in the culture tank 31.
  • the configuration is not particularly limited as long as it is recovered to.
  • the culture unit 300 may be provided on the lower side in the vertical direction of the carrier unit 10.
  • the culture unit 300 has a culture tank 310 that receives the culture solution and microorganisms that are discharged from the carrier unit 10 and fall.
  • the culture tank 310 is a substantially cylindrical container.
  • a plurality of irradiation bodies 85 of the culture irradiation unit 80 are arranged side by side on the outer periphery of the culture tank 310.
  • the culture solution dropped from the carrier unit 10 is stored in the culture tank 310, and the microorganisms are cultured in the culture tank 310 by being irradiated with light from the irradiator 85.
  • the culture irradiation unit 80 irradiates the culture unit 30 with light, but the configuration is not particularly limited as long as the culture unit 30 is irradiated with light.
  • the culture unit 350 may be provided outdoors. That is, the culture tank 351 may be configured to receive sunlight and may not be provided with the culture irradiation unit 80. Further, unlike the drawing, it may be configured to receive sunlight and further to include a culture irradiation unit 80.
  • the migratory pond method (pound method) is known as one of the culturing methods for microorganisms different from the present embodiment and the modified example.
  • this migratory pond method since it can be expanded in the depth direction only within the reach of sunlight (water depth of about 30 cm), it is necessary to acquire a vast land in the horizontal direction.
  • the culture system 103 since the microorganisms and the culture solution are irradiated with light in the carrier unit 10, the water depth of the culture tank 351 can be made deeper than the range where sunlight can reach.
  • the culture tank 351 in the illustrated example is partially buried underground to secure the dimensions of the culture tank 351 in the depth direction. Further, the illustrated culture tank 351 is formed so that the maximum width of the stored culture solution on the liquid surface is larger than the maximum depth of the stored culture solution.
  • the culture system 103 can be regarded as a hybrid culture system that combines the culture of the microorganism by the carrier method in the carrier unit 10 and the culture of the culture by the circulation pond method in the culture unit 305.
  • a hybrid type microbial culture system that combines a carrier method and a culturing method for microorganisms other than the migratory pond may be used.
  • it may be a hybrid type culturing system of microorganisms in which the culturing of microorganisms by the carrier method in the carrier unit 10 and the culturing of microorganisms by the so-called tank method are combined.
  • the microorganism and the culture solution were irradiated with light and the carbon dioxide gas was supplied, but the microorganism and the culture solution were irradiated with light and carbon dioxide.
  • the configuration is not particularly limited as long as the gas supply is performed.
  • a tank 110 that stores the culture solution and executes light irradiation and carbon dioxide gas supply may be provided.
  • an irradiation panel 75 as a light emitting source and a gas supply unit 65 for supplying carbon dioxide gas are provided.
  • the microorganisms and the culture solution that have been irradiated with light and supplied with carbon dioxide in the carrier unit 10 are guided to the tank 110. Then, microorganisms are cultivated in this tank 110.
  • the tank 110 is provided with the gas supply unit 65, but the tank 110 may not be provided with the gas supply unit 65.
  • the cover 15 of the carrier unit 10 is provided for each carrier 12, but the present invention is not limited to this.
  • a plurality of carriers 12 may be provided in one cover 15.
  • the cover 15 for each carrier 12 it becomes easy to control the carbon dioxide gas supplied to each of the carriers 12.
  • the culture system 1 may have a configuration in which the carrier unit 10 is not provided with the cover 15.
  • the carrier 12 is bent in two and the bent portion 125 is hung on the support 17, but the present invention is not limited to this.
  • the carrier 12 may be provided by suspending it in a flat plate shape.
  • the carrier 12 may be formed in a shape other than a flat plate such as a cylinder or a square cylinder.
  • the carrier 12 is a cloth member formed of fibers, but the material and shape are not limited to this.
  • the carrier 12 may be a plate-shaped member having a plurality of through holes having a size that allows microorganisms to pass through.
  • the culture unit 30 is irradiated with light, but the culture unit 30 may not be irradiated with light. Further explaining, for example, the culture tank 31 as a whole is provided underground or indoors without opening the upper part of the culture tank 31, and is not received by the carrier irradiation unit 70 or sunlight. May be good.
  • the cover support 171 supplied the culture solution to the bent portion 125, but the present invention is not limited to this as long as the culture solution can be supplied to the carrier 12.
  • a spray unit (not shown) which is configured as a separate body from the cover support 171 and sprays the culture solution is provided at a position facing each of the first part 121 and the second part 123, and is provided through the spray part.
  • the culture solution may be supplied to the carrier 12.
  • the gas supply pipe 177 is provided between the first part 121 and the second part 123, but if carbon dioxide gas is supplied to the carrier 12, it will be provided. Not limited.
  • the gas supply pipe 177 may be provided at a position facing each of the first part 121 and the second part 123, and may be configured to blow carbon dioxide gas.
  • the carrier 12 may be configured not to supply carbon dioxide gas.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating another modification of the present embodiment. Next, another modification of the present embodiment will be described with reference to FIG. In the following description, the same parts as those described in the above-described embodiments and modifications will be designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
  • the culture solution that has passed through the carrier unit 10 is collected in the culture tank 31 of the culture unit 30, but the configuration is not particularly limited.
  • the carrier unit 100, the lower tank 400 provided on the lower side in the vertical direction of the carrier unit 100, and the culture solution circulation unit 500 for circulating the culture solution containing microorganisms are provided. It may be a configuration.
  • the culture irradiation unit 80 as described above is not provided, and the microorganisms are cultured when the carrier unit 100 and the lower tank 400 receive sunlight.
  • the carrier unit 100 has a plurality (five) carriers 12 provided side by side in the depth direction. Further explaining, the carriers 12 are arranged at a predetermined interval (for example, about 30 cm). As a result, the amount of sunlight received by each carrier 12 increases.
  • the carrier unit 100 has a cover body 150 that covers the carrier 12 and the lower tank 400.
  • the cover body 150 houses the carrier 12 and the lower tank 400 inside and isolates them from the outside air.
  • the cover body 150 functions as a windshield for the carrier 12 and the like when the culture system 107 is provided outdoors.
  • the cover body 150 suppresses foreign substances such as mold spores from being mixed into the culture solution or the like.
  • the cover body 150 makes it possible to maintain the carbon dioxide gas concentration inside the cover body 150 within a predetermined range (for example, about 1000 ppm).
  • the material of the cover body 150 is not particularly limited as long as it is made of a member capable of transmitting sunlight.
  • the cover body 150 is formed of, for example, a film-like member (for example, a resin film such as vinyl chloride).
  • the lower tank 400 which is an example of the culture unit, is a box member on a substantially rectangular parallelepiped with the upper side open in the vertical direction.
  • the lower tank 400 has a substantially rectangular shape when viewed from the upper side in the vertical direction, and is arranged along the width direction in the longitudinal direction.
  • the lower tank 400 is formed of a resin plate such as vinyl chloride, but the material thereof is not particularly limited.
  • the lower tank 400 receives the culture solution that falls from the carrier unit 100. Further, the culture solution in the lower tank 400 flows in one direction (width direction). Further, as described above, the upper side of the lower tank 400 is open, and the sunlight passing through the open region (passing region) irradiates the culture solution in the lower tank 400.
  • the culture solution circulation unit 500 includes a first pipe 511 that supplies the culture solution to the carrier unit 100, which is an example of the first supply unit, a second pipe 531 through which the culture solution flowing out of the lower tank 400 flows, and a second supply unit. It has a third pipe 515 that supplies the culture solution to the lower tank 400, which is an example, and a pump 590 that is a drive source for circulating the culture solution.
  • the microorganism and the culture solution are supplied to the carrier unit 100 and the lower tank 400 by the pump 590.
  • the pump 590 collects the culture solution and microorganisms from the lower tank 400. By repeating this, the microorganism and the culture solution are circulated.
  • the culture solution drops from the carrier 12 toward the lower tank 400 (see arrow D11 in the figure). Further, in the culture system 107, the culture solution is supplied to the lower tank 400 via the third pipe 515, and after the culture solution flows in the lower tank 400 (see arrow D13 in the figure), the culture solution is passed through the second pipe 531. The culture solution is discharged. Further explaining, the culture solution supplied from the third pipe 515 is forcibly flowed in the lower tank 400 along the width direction. Then, the culture solution flowing along the width direction flows out from the lower tank 400 via the second pipe 531.
  • the illustrated culture system 107 does not have a gas supply unit 60 (see FIG. 1) that supplies gas to the carrier 12, but may have a gas supply unit 60.
  • the gas supply unit 60 may be provided so as to bubbling the culture solution flowing through the first pipe 511 with carbon dioxide gas.
  • the illustrated culture system 107 has described that a plurality of carriers 12 bent in two at substantially the center in the longitudinal direction are provided side by side, but the arrangement of the carriers 12 is not limited to this.
  • the carriers 12 provided side by side may be arranged in different directions from each other.
  • the carriers 12 are formed in a so-called bellows shape in which the long sides of the carriers 12 formed in a substantially rectangular plate shape in a plan view are connected to each other and the adjacent carriers 12 are alternately oriented in different directions. Good.
  • a culture curve of green algae mounted on a carrier was created.
  • a carrier made of cotton cloth is equipped with the green alga Chlorella quesleri 11h (formerly called IAM C-531 and now renamed to Parachlorella quesleri NIES-2160) so that the dry weight is 1 g per 1 m 2. did.
  • Such a carrier was placed in 0.2x Gambog B5 medium (manufactured by Nihon Pharmaceutical Co., Ltd.) so as to spread vertically.
  • FIG. 13 When the vertical axis is the logarithmic axis as shown in FIG. 13 (a), a culture curve similar to that of suspension culture in a liquid medium can be obtained in the culture of green algae mounted on a carrier, but FIG. 13 When the vertical axis was the linear axis as shown in (b), it was found that the cell mass increased by an equal amount. This result suggests that when culturing on a carrier, the surface green algae can always obtain sufficient light and retain the growth ability of logarithmic growth.
  • the photosynthetic microorganism can be continuously produced as long as a sufficient amount of light can be supplied to the surface of the carrier, and it is clarified that the microorganism culture system of the present invention can be suitably used for the production of the photosynthetic microorganism. It was.

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Abstract

本発明は、例えばプールやタンクのみを用いて培養対象を培養する場合と比較して、培養の効率を向上させることが可能な培養装置などを提供することを課題とする。　本発明の培養装置は、培養対象を含む培養液が表面および／または内部を流下する担体と、担体に光を照射する照射部と、担体から流下する培養液を貯留するとともに、培養液に向かう光が通過する通過領域を有し、培養対象を培養する培養部と、培養部に貯留される培養液を攪拌する攪拌部と、培養部で貯留される培養液を担体に供給する供給部とを備える培養装置である。

Description

培養装置、担体支持装置、および培養対象の製造方法
　本発明は、培養装置、担体支持装置、および培養対象の製造方法に関する。
　地球温暖化対策として、温暖化ガスの排出を可及的に抑える取り組み等が各国の産業界に強く求められている。クロレラ等の微細藻類や光合成細菌などの微生物は、ＣＯ２を排出しないでエネルギー生産が可能な資源その他の産業上利用可能な資源として非常に有望視されており、商業レベルでの活用および効率的な製造に期待が寄せられている。
　微細藻類をエネルギー資源その他の産業上の利用に供するためには、できるだけ低いコストで生産することが要求される。そして、微細藻類の培養システムとして、大規模なプールやタンクを用いて、微細藻類を水中で大量に培養するシステムが知られている。
　例えば、特許文献１においては、光合成微細藻類と培養液の混合液を収容する培養槽（又は培養池）において、光合成微細藻類として、光を吸収し二酸化炭素を取り込み光合成を行うことで油を生成する光合成微細藻類を用い、油を生成した光合成微細藻類を、回収手段によって、浮上している状態で回収するようにし、その結果、培養した光合成微細藻類に同伴される培養液を大幅に低減する光合成微細藻類培養装置が開示されている。
特開２０１１－２３９７４６号公報
　ところで、例えばプールやタンクを用いて培養対象を培養する場合において、培養の効率を向上させることが要求されている。
　そこで、本発明は、例えばプールやタンクのみを用いて培養対象を培養する場合と比較して、培養の効率を向上させることが可能な培養装置などを提供することを目的とする。
　かかる目的のもと、本明細書に開示される技術は、培養対象を含む培養液が表面および／または内部を流下する担体と、前記担体から流下する培養液を受けるとともに、培養液に向かう光が通過する通過領域を有し、培養対象を培養する培養部と、前記培養部から流出する培養液を前記担体に供給する第１供給部と、前記培養部から流出する培養液を当該培養部に供給し、当該培養部内において培養液の流れを生じさせる第２供給部とを備える培養装置である。
　他の観点から捉えると、本明細書に開示される技術は、培養対象を含む培養液が表面および／または内部を流下する担体と、前記担体に光を照射する照射部と、前記担体から流下する培養液を貯留するとともに、培養液に向かう光が通過する通過領域を有し、培養対象を培養する培養部と、前記培養部に貯留される培養液を攪拌する攪拌部と、前記培養部で貯留される培養液を前記担体に供給する供給部とを備える培養装置である。
　ここで、前記培養液に対してガスを供給するガス供給部を有するとよい。
　また、前記ガス供給部は、前記担体に向けて炭酸ガスを供給するとよい。
　また、前記培養部の前記通過領域を介して培養液に光を照射する他の照射部を有するとよい。
　また、前記培養部は、上方が開放され貯留する培養液が外気と接触可能な貯留槽を有するとよい。
　また、前記貯留槽は、貯留する培養液の液面における最大幅が、貯留する培養液の最大深さよりも大きいとよい。
　また、前記担体は、平板状の部分である平板部を有し、前記平板部において当該平板部の厚み方向に貫通し、培養対象が通過可能な寸法である貫通孔を有するとよい。
　また、前記担体は、前記照射部によって照射される光を透過可能な部材を備えるとよい。
　また、前記担体は、樹脂製の糸状部材を複数組み合わせて形成される網体であるとよい。
　また、前記担体は複数設けられ、内部に前記担体のいずれかを収容する複数の収容体を有するとよい。
　また、前記担体は、互いに対向して設けられる第１対向部および第２対向部を有し、前記ガス供給部は、前記担体の前記第１対向部および前記第２対向部により挟まれる空間内に供給口が位置し、当該供給口から当該空間にガスを供給するとよい。
　また、前記担体は、前記第１対向部および前記第２対向部の間を連続させる連続部を有し、前記供給部は、前記担体における前記連続部の上方に他の供給口が位置し、当該他の供給口から当該連続部に培養液を落下させるとよい。
　他の観点から捉えると、本明細書に開示される技術は、培養対象を含む培養液が表面および／または内部を流下する担体を支持する支持部と、前記担体に光を照射する照射部と、前記担体から流下する培養液を貯留するとともに、培養液に向かう光が通過する通過領域を有し、培養対象を培養する培養部と、前記培養部に貯留される培養液を攪拌する攪拌部と、前記培養部で貯留される培養液を前記担体に供給する供給部とを備える担体支持装置である。
　他の観点から捉えると、本明細書に開示される技術は、培養対象を含む培養液が表面および／または内部を流下する担体に光を照射するステップと、前記担体から流下する培養液を貯留する培養部において、培養液に向けて光を通過させ、培養液を攪拌し、培養対象を培養するステップと、前記培養部で貯留される培養液を前記担体に供給するステップとを含む培養対象の製造方法である。
　本明細書に開示される技術によれば、例えばプールやタンクのみを用いて培養対象を培養する場合と比較して、培養の効率を向上させることが可能な培養装置などを提供することができる。
本実施の形態に係る培養システムを示す概略構成図である。 担体の斜視図である。 担体ユニットの概略構成図である。 図３のＩＶ－ＩＶにおける断面図である。 図４の領域Ｖにおける拡大図である。 （ａ）乃至（ｄ）は、実験１乃至４の条件を説明する図である。 実験１乃至４における収穫量を示すテーブルである。 培養システムにおける微生物の製造方法動作を説明するフローチャートである。 本実施の形態における変形例を説明する図である。 本実施の形態における変形例を説明する図である。 本実施の形態における変形例を説明する図である。 本実施の形態における他の変形例を説明する図である。 綿布担体上でのクロレラ・ケスレリ１１ｈの増殖曲線を示すグラフである。
　以下、本発明の微生物培養システムの一実施形態について図面を参照して説明する。
＜培養システム１＞
　図１は、本実施の形態に係る培養システム１を示す概略構成図である。
　まず、図１を参照して、本実施の形態が適用される培養システム１の概略構成を説明する。
　図１に示すように、培養装置の一例である培養システム１は、微生物を含む培養液が供給される担体ユニット１０と、微生物を培養する培養ユニット３０と、微生物を含む培養液を循環させる培養液循環ユニット５０と、担体ユニット１０にガスを供給するガス供給ユニット６０と、担体ユニット１０に光を照射する担体照射ユニット７０と、培養ユニット３０に光を照射する培養照射ユニット８０と、各構成部材を制御する制御ユニット９０とを有する。
　なお、以下の説明においては、図１に示す培養システム１の上下方向を、単に上下方向ということがある。また、培養システム１の幅方向を、単に幅方向ということがある。また、培養システム１における上下方向および幅方向と交差する方向を、単に奥行方向ということがある。
　図１に示すように、担体ユニット１０は、微生物を含む培養液が供給される担体１２と、担体１２の外周を覆うカバー１５と、担体１２およびカバー１５を支持する支持体１７とを有する。図示の例においては、カバー１５に収容された担体１２が、奥行方向に複数（２つ）並べて設けられている。収容体の一例であるカバー１５内においては、微生物を含む培養液が担体１２に沿って流れ落ちるとともに、光が照射されかつ炭酸ガスが供給される。担体ユニット１０の詳細については後述する。
　培養部の一例である培養ユニット３０は、培養液が貯留されるとともに微生物が培養される培養槽３１と、培養槽３１内の培養液を攪拌する攪拌器３５と、培養した微生物をろ過するろ過器３７とを有する。
　培養槽３１は、上下方向上側が開放されている容器である。この培養槽３１においては、貯留する培養液が外気と接触可能である。すなわち、培養槽３１は、外気を内部に取り込む開口を有する構成である。また、培養槽３１は、培養照射ユニット８０が照射する光に対して透明な樹脂やガラスなどで形成される。すなわち、培養槽３１の側面は、培養液に向かう光を通過させる通過領域として機能する。
　攪拌部の一例である攪拌器３５は、培養槽３１内に設けられた不図示の回転子を回転させることにより、培養槽３１内の培養液を攪拌する。ここで、攪拌器３５は、培養槽３１内の培養液をかき混ぜることが可能であれば、回転子を用いる構成に限定されない。例えば、培養槽３１内に炭酸ガスなどの気体や、培養液などの液体を供給することで培養液を攪拌してもよい。また、例えば超音波などにより、培養槽３１を振動させることで培養液を攪拌してもよい。
　ろ過器３７は、培養槽３１から、培養された微生物を培養液とともに受ける。そして、ろ過器３７は、培養液からろ過により微生物を分離することで微生物を回収する。なお、ろ過器３７によって微生物が分離された培養液、すなわち、ろ液は、廃棄されてもよいし、培養槽３１へ供給し、再び微生物の培養に利用してもよい。
　供給部の一例である培養液循環ユニット５０は、担体ユニット１０に培養液を供給する第１配管５１と、担体ユニット１０から培養液を回収する第２配管５３と、培養槽３１から培養液を循環させる第３配管５７と、培養液を循環させる駆動源であるポンプ５９とを有する。培養液循環ユニット５０は、ポンプ５９によって培養槽３１から担体ユニット１０に微生物および培養液を供給し、担体ユニット１０から培養液とともに微生物を培養槽３１へと回収することを繰り返すことで、微生物および培養液を循環させる。なお、図示の培養ユニット３０は、担体ユニット１０の上下方向下側からずれた位置に配置されている。すなわち、培養ユニット３０は、担体ユニット１０とは異なる地点に設けられている。図示の例においては、第１配管５１、第２配管５３、および第３配管５７によって、異なる地点に設けられ互いに離間した担体ユニット１０および培養ユニット３０が互いに接続される。
　ガス供給部の一例であるガス供給ユニット６０は、炭酸ガスを圧縮して収容するガスボンベ６１と、ガスボンベ６１から供給される炭酸ガスを担体ユニット１０に供給するガス配管６３とを有する。
　照射部の一例である担体照射ユニット７０は、担体ユニット１０を挟んで奥行方向両側から担体ユニット１０に向けて光を照射する第１照射パネル７１および第２照射パネル７３を有する。図示の例においては、第１照射パネル７１および第２照射パネル７３は、担体ユニット１０に対向配置する略板状の形状である。第１照射パネル７１および第２照射パネル７３は、例えば、光源として蛍光灯、有機ＥＬまたはＬＥＤ等を配列しており、微生物の増殖に適した波長や光量の光を照射するように構成されている。第１照射パネル７１および第２照射パネル７３が照射する光の波長は、例えば３８０～７８０ｎｍの範囲である。また、第１照射パネル７１および第２照射パネル７３は、例えば赤色光のみで増殖が可能な微生物に対しては、赤色光のみを照射できるとよい。
　他の照射部の一例である培養照射ユニット８０は、培養槽３１を挟んで奥行方向両側から担体ユニット１０に向けて光を照射する第１照射パネル８１および第２照射パネル８３を有する。この第１照射パネル８１および第２照射パネル８３は、第１照射パネル７１および第２照射パネル７３と同様に構成されている。さらに説明をすると、第１照射パネル８１および第２照射パネル８３は、例えば、光源として蛍光灯、有機ＥＬまたはＬＥＤ等を配列しており、微生物の増殖に適した波長や光量の光を照射するように構成されている。第１照射パネル８１および第２照射パネル８３が照射する光の波長は、例えば３８０～７８０ｎｍの範囲である。また、第１照射パネル８１および第２照射パネル８３は、例えば赤色光のみで増殖が可能な微生物に対しては、赤色光のみを照射できるとよい。図示の例においては、第１照射パネル８１および第２照射パネル８３は、担体ユニット１０に対向配置する略板状の形状であるが、培養槽３１に光を照射可能であれば、例えば上下方向上側からのみ照射するなど、構造は特に限定されない。
　制御ユニット９０は、コンピュータなどにより構成され、培養システム１の構成部材を制御する。例えば、制御ユニット９０は、培養液循環ユニット５０の動作タイミングを制御する。
　培養システム１においては、培養ユニット３０で微生物が培養される。そして、培養液循環ユニット５０によって微生物を含む培養液を循環させながら、担体ユニット１０で微生物および培養液への炭酸ガスの供給および光の照射が実行される。すなわち、担体ユニット１０において、微生物が光合成を行なうのに必要な炭酸ガスおよび光エネルギーが供給される。そして、微生物および培養液が再び培養ユニット３０へと導かれ、培養ユニット３０において微生物が培養される。また、培養ユニット３０においては、培養照射ユニット８０によって光が照射されることにより、微生物の培養が促進される。
　なお、培養システム１においては、培養液が培養ユニット３０を通過するのに要する時間は、培養液が担体ユニット１０を通過するのに要する時間よりも長い。言い替えると、培養液が培養槽３１に貯留される時間は、培養液が担体１２を流れ落ちる時間よりも長い。また、ある時点において、培養槽３１に貯留される培養液の量は、カバー１５内に存在する培養液の量よりも多い。
　ここで、培養対象とする微生物は例えば光合成細菌や光合成微細藻類等の光合成微生物である。なお、光合成を行わずに増殖できる微生物を培養する場合においては、培養システム１が担体照射ユニット７０および培養照射ユニット８０を備えなくてもよい。
　また、培養液としては、微細藻類を通常の方法により培養して、微生物の濃度を高めることが可能な培地の希釈液であれば、特に制限されない。培地としては、例えばＣＨＵ培地、ＪＭ培地、ＭＤＭ培地などの一般的な無機培地を用いることができる。さらに、培地としては、ガンボーグＢ５培地、ＢＧ１１培地、ＨＳＭ培地の各種培地の希釈液が好ましい。無機培地には、窒素源としてＣａ（ＮＯ３）２・４Ｈ２ＯやＫＮＯ３、ＮＨ４Ｃｌが、その他の主要な栄養成分としてＫＨ３ＰＯ４やＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ、ＦｅＳＯ４・７Ｈ２Ｏなどが含まれる。また、培地には、微細藻類の生育に影響を与えない抗生物質等を添加してもよい。培地のｐＨは４～１０が好ましい。また、各種産業から排出される廃水等を利用してもよい。
＜担体ユニット１０＞
　図２は、担体１２の斜視図である。
　図３は、担体ユニット１０の概略構成図である。
　次に、図１乃至図３を参照しながら、担体ユニット１０の詳細構成を説明する。
　上記のように、担体ユニット１０は、担体１２と、カバー１５と、支持体１７とを有する。以下、各々の構成について説明をする。
　まず、担体１２について説明をする。
　図２に示すように、担体１２は、微生物を含む培養液が通過する板状部材である。図示の担体１２は、正面視略長方形の布部材である。より具体的には、担体１２は、可撓性を有する部材、より具体的にはポリエステルなどの樹脂繊維により構成されている。また、図示の担体１２は、第１照射パネル７１および第２照射パネル７３から照射される光の少なくとも一部を透過する糸状部材により形成される。なお、担体１２の材質は特に限定されるものではなく、綿、絹、毛、アクリル等を用いてもよい。
　ここで、担体１２は、担体１２の長手方向に沿って配置される縦糸１２６と、担体１２の長手方向と交差する方向（幅方向）に沿って配置される複数の横糸１２７とを有する。縦糸１２６は、幅方向において予め定めた間隔で複数設けられている。また、横糸１２７は、長手方向において予め定めた間隔で複数設けられている。したがって、担体１２は、網目状に形成された網体として捉えることができる。この担体１２においては、複数の開口１２８が形成される。詳細は後述するが、開口１２８は、微生物が通過可能な寸法である。また、開口１２８は、担体１２の厚み方向において貫通する貫通孔として捉えることができる。また、縦糸１２６および横糸１２７の少なくとも一方は、複数の湾曲部を有する所謂ウェーブ状の繊維部材であってもよい。
　ここで、担体１２は、担体ユニット１０においては長手方向の略中央で２つに折り曲げられて設けられている（図１参照）。担体１２の寸法は、特に限定されないが、より効率的に微生物を培養するために大きく形成される。例えば、担体１２は、展開した際の長手方向の長さが２．５ｍで、幅方向の長さが１ｍの布部材を用いて、縦寸法が約１．２５ｍになるように長手方向の略中央で折り曲げられる。担体の１ｍ２当たりの微生物の搭載量を高めるために、担体１２の表面に凹凸や細孔を設けてもよい。なお、本明細書における「担体１ｍ２当たりの微生物の搭載量」とは、担体表面を平滑な平面と仮定したときの表面積１ｍ２当たりの微生物の搭載量を意味し、凹凸や細孔を形成したことによる表面積増加を加味した実際の表面積を意味するものではない。
　次に、カバー１５について説明をする。
　図１に示すように、カバー１５は、可撓性を有するシート部材の長手方向の中央を折り曲げて形成されている。カバー１５は、担体照射ユニット７０から照射する光を透過する材質により構成される。カバー１５は、例えば塩化ビニル、ポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ＰＥＴ等の合成樹脂により構成される。
　ここで、カバー１５は、内部に担体１２を収容できる偏平な袋状に形成されている。さらに説明をすると、カバー１５は、一部を除き内部を密閉可能に形成されている。具体的には、図３に示すカバー１５は、培養液を導出する導出口１５４、培養液を導入する導入口１５６、炭酸ガスを導入するガス口１５７を有する。
　ここで、導出口１５４は、カバー１５における上下方向下側の端部である下端部１５２に設けられる。この導出口１５４は、第２配管５３が着脱できるようになっている。導入口１５６は、カバー１５における上下方向上側に設けられる。この導入口１５６は、後述するカバー支持体１７１の端部が貫通する。また、ガス口１５７は、カバー１５における上下方向中央部に設けられる。このガス口１５７は、後述するガス供給管１７７の端部が貫通する。
　次に、支持体１７について説明をする。
　図３に示すように、支持部の一例である支持体１７は、カバー１５を支持するカバー支持体１７１と、担体１２を支持する担体支持体１７３と、炭酸ガスを供給するガス供給管１７７と、カバー支持体１７１、担体支持体１７３、およびガス供給管１７７を支持する枠体１７９とを有する。なお、支持体１７は、例えばアルミニウムなど微生物の培養を妨げない材質で形成される。
　カバー支持体１７１は、幅方向に延びる円筒状の部材である。このカバー支持体１７１は、カバー１５が掛けられる。また、カバー支持体１７１は、幅方向において予め定めた間隔で培養液排出孔１７５が形成されている。図示の例においては、カバー支持体１７１における上下方向下側の面に、培養液排出孔１７５が形成されている。この培養液排出孔１７５は、カバー支持体１７１内部から培養液を排出する。また、カバー支持体１７１は、一方の端部が導入口１５６から突出し、第１配管５１に接続される。カバー支持体１７１の他方の端部は、不図示の配管に接続されている。この配管は、担体１２に供給されなかった培養液を培養槽３１へと案内する。
　担体支持体１７３は、幅方向に延びる円柱状の部材である。この担体支持体１７３は、カバー支持体１７１よりも上下方向下側で、カバー支持体１７１に吊るされて設けられている。この担体支持体１７３は、折り曲げられた担体１２が掛けられる部分である。なお、図示の例における担体支持体１７３は、カバー支持体１７１よりも奥行方向における寸法（外径）が小さい（後述する図４参照）。
　ガス供給管１７７は、幅方向に延びる円筒状の部材である。このガス供給管１７７の外周にはガス排出孔１７８が複数形成されている。供給口の一例であるガス排出孔１７８は、上下方向両側および幅方向両側などに向けて開口している。ガス排出孔１７８は、ガス供給管１７７内部から炭酸ガスを排出する。また、ガス供給管１７７の端部は、ガス口１５７から突出し、ガス配管６３に接続される。なお、図示の例におけるガス供給管１７７は、担体支持体１７３よりも奥行方向における寸法（外径）が小さい（後述する図４参照）。なお、培養システム１の担体１２以外の部分は、担体支持装置として捉えることができる。
＜担体ユニット１０における配置＞
　図４は、図３のＩＶ－ＩＶにおける断面図である。
　図５は図４の領域Ｖにおける拡大図である。
　次に、図３乃至図５を参照しながら、担体ユニット１０における担体１２の周辺の構造について説明する。
　図４に示すように、カバー１５は、カバー支持体１７１に掛けられて配置される。このカバー１５は、連続部の一例である曲げ部１５５を挟んで位置する第１部１５１と第２部１５３とを有する。第１部１５１と第２部１５３は、各々上下方向に沿って起立して設けられる。
　また、担体１２は、担体支持体１７３に掛けられて配置される。この担体１２は、折り曲げられ湾曲した部分である曲げ部１２５を挟んで、平板部の一例である第１部１２１と第２部１２３とを有する形状である。第１部１２１および第２部１２３は、各々上下方向に沿って起立して設けられる。ここで、第１部１２１および第２部１２３は、互いに離間して配置される。また、第１部１２１および第２部１２３は、カバー１５から離間して配置される。なお、第１部１２１および第２部１２３は、第１対向部および第２対向部の一例である。
　ここで、担体１２の曲げ部１２５の上下方向上側にカバー支持体１７１の培養液排出孔１７５が位置する。すなわち、他の供給口の一例である培養液排出孔１７５は、曲げ部１２５に向けて開口する。また、担体１２の第１部１２１と第２部１２３との間には、ガス供給管１７７が配置される。このガス供給管１７７のガス排出孔１７８は、第１部１２１と第２部１２３によって挟まれる空間内に向けて開口する。
　さて、図４に示すように、培養液排出孔１７５から排出される培養液は、担体１２の曲げ部１２５に供給される（図中矢印Ａ１参照）。この曲げ部１２５に供給された培養液は、第１部１２１および第２部１２３に分岐して流れ落ちる（図中矢印Ａ３およびＡ５参照）。
　また、ガス排出孔１７８から排出される炭酸ガスは、担体１２の第１部１２１および第２部１２３によって挟まれる空間内に供給される（図中矢印Ｂ１乃至Ｂ４参照）。このとき、炭酸ガスは、一部が上下方向に流れ（図中矢印Ｂ１およびＢ２参照）、一部は奥行方向、すなわち第１部１２１と第２部１２３に向けて流れる（図中矢印Ｂ３およびＢ４参照）。
　ここで、図５を参照しながら、担体１２における培養液などの流れについて詳細に説明をする。
　担体１２の第１部１２１の表面および／または内部においては、培養液が上下方向上側から下側へと流れる（図中矢印Ａ７参照）。
　また、炭酸ガスは、奥行方向に沿って第１部１２１を通過する（図中矢印Ｂ５参照）。この炭酸ガスの流れは、培養液の流れ（図中矢印Ａ７参照）と交差する向きである。また、炭酸ガスは、上下方向下側から上側へと流れる（図中矢印Ｂ６参照）。この炭酸ガスの流れは、培養液とは反対の向き、すなわち培養液と対向する向きである。このように、炭酸ガスが、培養液と交差する向き、および培養液と反対の向きに流れることにより、培養液に供給される炭酸ガスの量が増加し得る。
　第２照射パネル７３（図１参照）から照射された光は、奥行方向に沿って第１部１２１を通過する（図中矢印Ｃ１参照）。この光の進行方向は、培養液と交差する向きである。このことにより、培養液に含まれる微生物が受ける光量が増加し得る。
　ここで、微生物は、培養液とともに、上下方向上側から下側に向けて流下する。すなわち、培養液流下開始の初期段階においては、微生物は、縦糸１２６に沿って落下する。ここで、縦糸１２６に沿って落下する微生物は、横糸１２７にぶつかると流れる向きが変わる（図中矢印Ａ１１、Ａ１３、Ａ１５、Ａ１７）。すなわち、微生物は、奥行方向において揺動しながら落下する。さらに説明をすると、微生物は、担体１２の開口１２８を通過しながら落下する。このことにより、微生物がガスと接触する時間が長くなり、結果として微生物におけるガス交換効率が高まる。なお、図示の例においては、横糸１２７は、ウェーブ状に成型されており、各横糸１２７は奥行方向において互いにずれた配置となる。このことにより、微生物の奥行方向における揺動がより促進される。以上により、担体上での微生物の増殖が促進される。
＜光合成微生物の製造＞
　本発明の微生物培養システムを用いた光合成微生物の製造について、以下詳述する。本発明の微生物培養システムの利点としては、オープンポンドでの培養と比較して増殖後の細胞の回収が容易であること、及び、光合成生物に適用した場合には、担体に付着あるいは滞留している細胞量が多くなっても増殖速度が保たれることにある。実施例２の結果を示す図１３は、クロレラ細胞の布（本発明の担体１２に対応）上での増殖曲線である。左図（ａ）は縦軸の微生物量を対数目盛で表し、右図（ｂ）は線形目盛で表したものである。左図での直線部は指数的な増殖（対数増殖期）を表し、右図の直線部は直線増殖期を表す。したがって、本発明の微生物培養システムを用いた光合成微生物の製造における担体１２上でも、はじめ対数増殖、その後、直線増殖となってほぼ飽和に近づきながら緩やかな増殖となり、基本的には、液体培地中での懸濁培養と類似の増殖曲線をとる。しかし、本発明の微生物培養システムを用いた光合成微生物の製造では、担体１２上に付着あるいは滞留している細胞は、ほとんど移動しないため、その表面に位置する細胞が光を受光し続ける。そのため、光を受け続ける表層の細胞群と担体１２との間にあって表層細胞群の陰に位置する内部細胞群との異なる環境の細胞群からなる。すなわち、表層の細胞群の細胞は、対数増殖の増殖能力を保持する細胞である。この点は、細胞濃度が高くなり直線増殖期に移行した液体培養中の細胞と異なる。オープンポンドでの培養では、攪拌により、細胞が照射光を直接受ける位置と他の細胞の陰になる位置とに移動が繰り返され、細胞数の増加に伴い全細胞の増殖能力が一様に抑制されるからである。よって、本発明の微生物培養システムを用いた光合成微生物の製造においては、倍加時間の遅い光合成微生物でも、担体１２への付着量を高めることにより、より高い生産量が確保できる特徴をもつ。
　以上に説明したとおり、本発明の微生物培養システムを光合成微生物に適用することにより、担体１２に付着した細胞量を多くした場合であっても、表層の細胞群の細胞は、対数増殖の増殖能力を保持することができる。したがって、１日間に期待する生産量（乾燥重量ｇＤＷ）をＰ（ｇＤＷ／ｍ２）、対数増殖時における細胞の１日間の増殖能力（単位期間あたりの倍率で表す）をμ倍としたときの１日の最初の細胞量Ｃ０（ｇＤＷ／ｍ２）は、Ｐ≦Ｃ０×（μ－１）だから、以下の式（１）
　　　Ｃ０　≧　Ｐ／（μ－１）　　　・・・（１）
により設定することができる（μは比増殖速度として、時に時間あたりで表される）。本発明においては、Ｐが例えば５ｇ／ｍ２以上、６ｇ／ｍ２以上、７ｇ／ｍ２以上、８ｇ／ｍ２以上、９ｇ／ｍ２以上、１０ｇ／ｍ２以上、１５ｇ／ｍ２以上、２０ｇ／ｍ２以上になるように、最初の細胞量Ｃ０を設定することができる。Ｐの上限は特に限定されないが、担体１２の表層の細胞に対する十分な光量を確保するため、３００ｇ／ｍ２以下であることが好ましく、１００ｇ／ｍ２以下がより好ましく、５０ｇ／ｍ２以下がさらに好ましい。また、１日当たりの回収可能細胞量は、以下の式（２）
　　　［回収可能細胞量（ｇＤＷ／ｍ２・日）］＝［固相表面細胞量（ｇＤＷ／ｍ２）］×（２（２４／倍加時間）－１）　　・・・（２）
（式中、「固相表面細胞量」は、担体１２上の光が十分当たる細胞量である）
により設定することができる。
　以下に実施例を掲げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例によって何ら限定されるものではない。
　図６（ａ）乃至（ｄ）は、実験１乃至４の条件を説明する図である。
　図７は、実験１乃至４における収穫量を示すテーブルである。
　図１に示すような培養システム１を用いてスピルリナを培養した。担体１２は、ナイロン製のメッシュ素材、所謂ナイロンタオル(ライフレックス社製)を用いた。担体１２の寸法は幅１８ｃｍ、長さ１００ｃｍとした。この担体１２は、２つ折りで吊るしたものを２枚用いて測定を行った。また、カバー１５は、厚さ０．４５ｍｍの塩化ビニールシートを２枚用い、各々担体１２を収容させた。カバー支持体１７１は、アクリル製であり、寸法が厚さ３ｍｍ、呼び径１６であるものを２本用いた。カバー支持体１７１の培養液排出孔１７５は、直径０．９ｍｍであり、カバー支持体１７１の長手方向に沿って、２ｃｍおきに９か所設けた。
　第１照射パネル７１、第２照射パネル７３、第１照射パネル８１および第２照射パネル８３は、赤色ＬＥＤ（イフェクト社製）を用いて光を照射した。光の強さは担体１２の端で５０μｍｏｌ/ｍ２/ｓｅｃ、担体１２の中央で２０μｍｏｌ/ｍ２/ｓｅｃとした。
　ポンプ５９は、エーハイム水陸両用ポンプ１０４８を用いた。
　第１配管５１、第２配管５３、第３配管５７は、シリコン製ホース（１０×１３ｍｍ）を用いた。ここで、Ｙ字コネクター(アズワン、１－７３７７－１８)を用いることにより、第１配管５１において２本のカバー支持体１７１へ分岐する流路を確保した。
　培養槽３１は、ポリプロピレン製であり、寸法は、幅３０ｃｍ、奥行１５ｃｍ、高さ３０ｃｍとした。培養液は、表１に示す通りである。
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　図６（ａ）乃至（ｄ）に示すように、担体ユニット１０および培養ユニット３０に対する光の照射条件を変化させながら、実験１乃至実験４を行った。具体的には、担体ユニット１０および培養ユニット３０の各々に対して、光を照射する場合と、光が照射されないよう遮光する場合とを切り替えた。さらに説明をすると、担体ユニット１０の遮光は、担体ユニット１０のカバー１５をアルミ箔で覆うことにより行った。付言すると、担体ユニット１０を遮光することで、担体ユニット１０の担体１２に光が到達しなくなる。また、培養ユニット３０の遮光は、培養ユニット３０の培養槽３１をアルミ箔で覆うことにより行った。付言すると、培養ユニット３０を遮光することで、培養ユニット３０の培養槽３１の内部に光が到達しなくなる。
　図６（ａ）に示すように、実験１においては、担体ユニット１０および培養ユニット３０の両者を遮光した。図６（ｂ）に示すように、実験２においては、担体ユニット１０には光を照射し、培養ユニット３０を遮光した。図６（ｃ）に示すように、実験３においては、担体ユニット１０を遮光し、培養ユニット３０には光を照射した。図６（ｄ）に示すように、実験４においては、担体ユニット１０および培養ユニット３０の両者に光を照射した。
　実験１乃至実験４の各々における培養養開始時には、各担体１２にスピルリナを１ｇ均等に乗せ（２枚合計で２ｇ）た後、カバー１５内に収容した。培養槽３１には培養液を５Ｌ入れポンプ５９で循環させた。培養中は、培養槽３１内の培養液の温度が３０℃となるように室温を調整した。この条件で１２日間培養を行った結果、担体１２（２枚）および培養槽３１内のスピルリナを回収、すなわち収穫して重量を測定した。
　図7に示すように、実験１においては、スピルリナの収穫量が２．３３ｇであった。同様に、実験２では収穫量が１０．１５ｇであり、実験３では収穫量が４．１６ｇであり、実験４では収穫量が１１．７３ｇであった。このことから、担体ユニット１０および培養ユニット３０の両者に光を照射した実験４では、担体ユニット１０のみに光を照射した実験２や、培養ユニット３０のみに光を照射した実験３と比較して、収穫量が増加することが確認された。
＜培養対象＞
　上記のように培養システム１が培養する培養対象は、クロレラやシネコキスティス、スピルリナのような運動性のないあるいは乏しい光合成微生物だけでなく、鞭毛で水中を運動するプランクトン性のユーグレナやクラミドモナス、プレウロクリシスも含まれる。言い替えると、培養システム１の培養対象となる微生物は、きわめて多様である。培養システム１の培養対象となる主な微生物群としては、例えば以下のＡ類、Ｂ類、Ｃ類が挙げられる。
　まず、Ａ類として、原核生物である真正細菌と古細菌を挙げることができる。
　真正細菌には、酸素非発生型の光合成細菌や酸素発生型光合成を行うシアノバクテリア、有機物質を利用する通性嫌気性発酵性細菌と非発酵性細菌、さらに無機栄養細菌、放線菌およびコリネバクテリウム、有胞子細菌を挙げることができる。光合成細菌には、ロドバクター、ロドスピリルム、クロロビウム、クロロフレクサスが挙げられる。シアノバクテリアにはシネココッカス、シネコキスティス、スピルリナ、アルスロスピラ、ノストック、アナベナ、オシラトリア、リングビア、イシクラゲ、スイゼンジノリが挙げられる。通性嫌気性発酵性細菌として大腸菌、乳酸菌が挙げられる。非発酵性細菌としてシュードモナスが挙げられる。無機栄養細菌として水素細菌が挙げられる。放線菌としてストレプトマイセスが、有胞子細菌として枯草菌が挙げられる。古細菌は好熱菌や高度好塩菌が挙げられる。好熱菌としてサーモコッカスが、高度好塩菌としてハロバクテリウムが挙げられる。その他に、グルタミン酸生産菌、リジン生産菌、セルロース生産菌などが挙げられる。
　次に、Ｂ類として、真核光合成微生物である微細藻類を挙げることができる。
　微細藻類には、緑藻、トレボキシア藻、紅藻、珪藻、ハプト藻、真正眼点藻、ユーグレナ、褐虫藻が挙げられる。
　緑藻にはクロレラ、セネデスムス、クラミドモナス、ボトリオコッカス、ヘマトコッカス、ナンノクロリス、シュードコリシスティスが、トレボキシア藻としてパラクロレラやココミクサが挙げられる。紅藻としてシアニディオシゾン、シアニディウム、ガルディエリア、ポルフィリディウムが、珪藻としてニッチア、フェオダクティルム、キートケロス、タラシオシラ、スケレトネマ、フィツリフェラが挙げられる。ハプト藻として、プレウロクリシス、ゲフィロカプサ、エミリアニア、イソクリシス、パブロバが挙げられる。真正眼点藻としてナンノクロロプシス、ユーグレナとしてユーグレナが挙げられる。さらに、サンゴの共生藻である褐虫藻としてはシンビオディニウムが挙げられる。
　次にＣ類として、非光合成真核生物である菌類を挙げることができる。
　菌類には酵母菌とコウジカビが挙げられる。また、担子菌類の菌糸培養は培養対象となる。さらに、水生変形菌類（現在は原生生物）のラビリンチュラも適用できる。ラビリンチュラとしては、オーランチオキトリウムを挙げられる。
　なお、微生物ではないが、多細胞性海藻のうち、緑藻であるアオサやアオノリ、紅藻であるアサクサノリ、アマノリ、スサビノリ、イワノリ、その他の食用ノリも培養対象となる。さらに、緑色植物であるコケ類も培養対象となる。また、共生生物である地衣類も培養対象となる。
　なお、微細藻類は、シアノバクテリアを含むものとして捉えることができる。
＜微生物の製造方法＞
　図８は、培養システム１における微生物の製造方法動作を説明するフローチャートである。
　上記のような培養システム１において実行される微生物を培養する方法は、微生物の製造方法として捉えることができる。以下、図８を参照しながら、培養システム１において実行される微生物の製造方法を説明する。
　まず、担体ユニット１０の担体１２においては、担体照射ユニット７０によって担体１２へ光が照射される（Ｓ８０１）。また、担体１２においては、ガス供給ユニット６０によって担体へ炭酸ガスが供給される（Ｓ８０２）。
　そして、培養ユニット３０の培養槽３１においては、培養照射ユニット８０によって、微生物を含む培養液へ光が照射される（Ｓ８０３）。また、培養ユニット３０の培養槽３１においては、攪拌器３５によって、培養液が攪拌される（Ｓ８０４）。
　そして、制御ユニット９０によって、予め定められた培養槽３１の微生物を収穫するタイミングであるかが判断される（Ｓ８０５）。微生物を収穫するタイミングである場合（Ｓ８０５でＹＥＳ）、ろ過器３７によって培養液から微生物がろ過されることで、微生物が収穫される（Ｓ８０６）。一方、微生物を収穫するタイミングでない場合（Ｓ８０５でＮＯ）、培養液循環ユニット５０によって、微生物および培養液が担体ユニット１０へ送られることで、微生物および培養液が循環する（Ｓ８０７）。
＜変形例＞
　図９乃至図１１は、本実施の形態における変形例を説明する図である。
　次に、図９乃至図１１を参照しながら、本実施の形態における変形例を説明する。なお、以下の説明においては、上記実施の形態で説明した構成と同一の部分には同一の符号をつけ、その詳細な説明は省略する。
　上記の実施の形態においては、担体ユニット１０を通過した培養液を、第２配管５３を介して培養ユニット３０へと回収することを説明したが、担体ユニット１０を通過した培養液が培養槽３１へ回収される態様であれば、構成は特に限定されない。
　例えば、図９に示す培養システム１０１のように、担体ユニット１０の上下方向下側に培養ユニット３００が設けられてもよい。この培養ユニット３００は、担体ユニット１０から排出され落下する培養液および微生物を受ける培養槽３１０を有する。この培養槽３１０は略円筒状の容器である。培養槽３１０の外周には、培養照射ユニット８０の照射体８５が複数並べて配置されている。担体ユニット１０から落下した培養液は、培養槽３１０によって貯留されるとともに、照射体８５からの光が照射されることにより、培養槽３１０内において微生物が培養される。
　上記の実施の形態においては、培養ユニット３０に対して培養照射ユニット８０が光を照射することを説明したが、培養ユニット３０に光が照射される態様であれば、構成は特に限定されない。例えば、図１０に示す培養システム１０３のように、培養ユニット３５０が、屋外に設けられてもよい。すなわち、培養槽３５１が太陽光を受ける構成とし、培養照射ユニット８０を備えない構成であってもよい。また、図示とは異なり、太陽光を受ける構成としたうえで、さらに培養照射ユニット８０を備える構成であってもよい。
　ここで、本実施の形態および変形例とは異なる微生物の培養方式の１つとして、回遊池方式（ポンド式）が知られている。この回遊池方式においては、太陽光が届く範囲（水深３０ｃｍ程度）までしか深さ方向に広げられないため、水平方向に広大な用地を取得する必要がある。一方で、培養システム１０３においては、担体ユニット１０において微生物および培養液に光が照射されることから、培養槽３５１の水深を太陽光が届く範囲よりも深くすることが可能である。なお、図示の例の培養槽３５１は、一部を地下に埋没させることにより、培養槽３５１の深さ方向の寸法を確保している。また、図示の培養槽３５１は、貯留する培養液の液面における最大幅が、貯留する培養液の最大深さよりも大きい寸法で形成されている。
　付言すると、上記培養システム１０３は、担体ユニット１０における担持体方式による微生物の培養と、培養ユニット３０５における回遊池方式による微生物の培養とを組み合わせたハイブリッド式の微生物の培養システムとして捉えることができる。さらに説明をすると、担持体方式と、回遊池以外の微生物の培養方式とを組み合わせたハイブリッド式の微生物の培養システムであってもよい。例えば、担体ユニット１０における担持体方式による微生物の培養と、所謂タンク方式による微生物の培養とを組み合わせたハイブリッド式の微生物の培養システムであってもよい。
　さて、上記の実施の形態においては、担体１２を用いた担体ユニット１０において、微生物および培養液に光の照射および炭酸ガスの供給を実行したが、微生物および培養液に対して光の照射および炭酸ガスの供給が実行される態様であれば、構成は特に限定されない。
　例えば、図１１に示す培養システム１０５のように、培養液を貯留し、かつ光の照射および炭酸ガスの供給を実行するタンク１１０を備える構成であってもよい。このタンク１１０内においては、発光源である照射パネル７５と、炭酸ガスを供給するガス供給部６５とが設けられている。担体ユニット１０において光の照射および炭酸ガスの供給を受けた微生物および培養液はタンク１１０へと導かれる。そして、このタンク１１０において、微生物が培養される。なお、図示の例においては、タンク１１０にガス供給部６５が設けられることを説明したが、タンク１１０にガス供給部６５が設けられない構成であってもよい。
　さて、上記の実施の形態においては、担体ユニット１０のカバー１５が担体１２ごとに設けられることを説明したが、これに限定されない。例えば、１つのカバー１５内に複数の担体１２が設けられる構成であってもよい。付言すると、担体１２ごとにカバー１５が設けられることにより、担体１２の各々に供給される炭酸ガスの制御が容易となる。また、培養システム１は、担体ユニット１０にカバー１５が設けられない構成であってもよい。
　また、上記の実施の形態においては、担体１２が２つに折り曲げられ、曲げ部１２５が支持体１７に掛けられることを説明したが、これに限定されない。例えば、担体１２を平板状に吊るして設けてもよい。また、担体１２を円筒状や角筒状など平板以外の形状で構成してもよい。
　また、上記の実施の形態においては、担体１２が繊維により形成される布部材であることを説明したが、材質や形状はこれに限定されない。例えば、担体１２は、微生物が通過可能な寸法の貫通孔が複数形成された板状部材であってもよい。
　また、上記の実施の形態においては、培養ユニット３０に光を照射することを説明したが、光を照射しない態様であってもよい。さらに説明をすると、例えば、培養槽３１の上部を開放せずに、培養槽３１全体が地中や屋内などに設けられ、かつ担体照射ユニット７０や太陽光からの光を受けない態様であってもよい。
　また、上記の実施の形態においては、カバー支持体１７１が曲げ部１２５に培養液を供給したが、担体１２に培養液を供給することができれば、これに限定されない。例えば、カバー支持体１７１とは別体として構成され培養液を噴霧する噴霧部（不図示）が、第１部１２１および第２部１２３の各々と対向する位置に設けられ、この噴霧部を介して担体１２に培養液を供給してもよい。
　また、上記の実施の形態においては、ガス供給管１７７が第１部１２１および第２部１２３の間に設けられることを説明したが、担体１２に対して炭酸ガスが供給されれば、これに限定されない。例えば、ガス供給管１７７が第１部１２１および第２部１２３の各々と対向する位置に設けられ、炭酸ガスを吹き付けるような構成であってもよい。また、上記の説明とは異なり、担体１２に対して炭酸ガスを供給しない構成であってもよい。
＜他の変形例＞
　図１２は、本実施の形態における他の変形例を説明する図である。
　次に、図１２を参照しながら、本実施の形態における他の変形例を説明する。なお、以下の説明においては、上記実施の形態および変形例などで説明した構成と同一の部分には同一の符号をつけ、その詳細な説明は省略する。
　上記の説明においては、担体ユニット１０を通過した培養液を培養ユニット３０の培養槽３１へと回収することを説明したが、構成は特に限定されない。例えば、図１２に示す培養システム１０７のように、担体ユニット１００と、担体ユニット１００の上下方向下側に設けられる下方槽４００と、微生物を含む培養液を循環させる培養液循環ユニット５００とを有する構成であってもよい。この培養システム１０７においては、上記のような培養照射ユニット８０は設けられず、担体ユニット１００および下方槽４００が太陽光を受けることにより微生物が培養される。
　図示の例においては、担体ユニット１００は、奥行方向に複数（５つ）並べて設けられた担体１２を有する。さらに説明をすると、各担体１２は予め定めた間隔（例えば３０ｃｍ程度）離間して配置される。このことにより、各担体１２が受ける太陽光の光量が増加する。
　また、担体ユニット１００は、担体１２および下方槽４００を覆うカバー体１５０を有する。このカバー体１５０は、担体１２および下方槽４００を内部に収容し、外気から隔離する。カバー体１５０は、培養システム１０７が屋外に設けられた場合に、担体１２などの風よけとして機能する。また、カバー体１５０は、培養液などにカビ胞子などの異物が混入することを抑制する。また、カバー体１５０は、カバー体１５０内部の炭酸ガス濃度を予め定めた範囲（例えば１０００ｐｐｍ程度）に維持することを可能とする。カバー体１５０は、太陽光を透過可能な部材により構成されれば、その材質は特に限定されない。カバー体１５０は、例えばフィルム状部材（例えば、塩化ビニルなどの樹脂フィルム）などにより形成される。
　培養部の一例である下方槽４００は、上下方向上側が開放された略直方体上の箱部材である。下方槽４００は上下方向上側からみて略長方形状であり、長手方向が幅方向に沿って配置されている。下方槽４００は、例えば塩化ビニルなどの樹脂板により形成されるが、その材質は特に限定されない。下方槽４００は、担体ユニット１００から落下する培養液を受ける。また、下方槽４００内の培養液は、一方向（幅方向）に流れる。また、上記のように下方槽４００は上側が開放しており、この開放した領域（通過領域）を通過する太陽光は下方槽４００内の培養液に照射される。
　培養液循環ユニット５００は、第１供給部の一例である担体ユニット１００に培養液を供給する第１配管５１１と、下方槽４００から流出する培養液が流れる第２配管５３１と、第２供給部の一例である下方槽４００に培養液を供給する第３配管５１５と、培養液を循環させる駆動源であるポンプ５９０とを有する。培養液循環ユニット５００においては、ポンプ５９０によって担体ユニット１００および下方槽４００に対して微生物および培養液が供給される。また、ポンプ５９０によって下方槽４００から培養液および微生物が回収される。このことを繰り返すことで、微生物および培養液を循環させる。
　ここで、培養システム１０７においては、担体１２から下方槽４００に向けて培養液が落下する（図中矢印Ｄ１１参照）。また、培養システム１０７においては、第３配管５１５を介して下方槽４００に培養液が供給され、下方槽４００内を培養液が流れた後（図中矢印Ｄ１３参照）、第２配管５３１を介して培養液が排出される。さらに説明をすると、第３配管５１５から供給された培養液は下方槽４００内を幅方向に沿って強制的に流される。そして、幅方向に沿って流れる培養液は、第２配管５３１を介して下方槽４００から流出する。
　さて、図示の培養システム１０７は、担体１２にガスを供給するガス供給ユニット６０（図１参照）を有しないが、ガス供給ユニット６０を有する構成であってもよい。例えば第１配管５１１を流れる培養液に対して、炭酸ガスでバブリングする構成としてガス供給ユニット６０を設けてもよい。
　また図示の培養システム１０７は、長手方向の略中央で２つに折り曲げられた担体１２を複数並べて設けることを説明したが、担体１２の配置はこれに限定されない。例えば、並べて設けられる担体１２を互いに異なる向きに配置してもよい。また、平面視略長方形の板状に形成された担体１２の長辺同士を互いに接続された状態で、隣接する担体１２を交互に異なる向きとする、所謂蛇腹状に担体１２を構成してもよい。
　さて、上記では種々の実施形態および変形例を説明したが、これらの実施形態や変形例同士を組み合わせて構成してももちろんよい。
　また、本開示は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施することができる。
　本実施例では、本発明の微生物培養システムが、光合成微生物の製造に好適に用いることができることを示すため、担体に搭載した緑藻の培養曲線を作成した。
　綿布からなる担体に、１ｍ２当たり乾燥重量１ｇになるよう緑藻クロレラ・ケスレリ１１ｈ（これまではＩＡＭ　Ｃ－５３１と呼ばれ、現在はパラクロレラ・ケスレリＮＩＥＳ－２１６０に名称が変更された）を搭載した。かかる担体を０．２ｘガンボーグＢ５培地（日本製薬株式会社製）中に上下方向に広がるように配置した。ＬＥＤ電球（植物培養用ＩＳＬＭ型３０ｃｍサイズ、シーシーエス株式会社製）を用いて光量子束密度を１１０μｍｏｌ光量子・ｍ－２・ｓｅｃ－１に設定した連続光を照射し、０．２ｘガンボーグＢ５培地を１０００ｍＬ／ｈの速度で上から供給しながら３０℃で培養を行った。
　結果を図１３に示す。図１３（ａ）に示されるように縦軸を対数軸とした場合には、担体に搭載した緑藻の培養においても液体培地中での懸濁培養と同様の培養曲線が得られるが、図１３（ｂ）に示されるように縦軸を線形軸とした場合には、細胞量が等量ずつ増加していることがわかった。この結果は、担体上での培養においては、表層の緑藻は常に十分な光を得ることができ、対数増殖の増殖能力を保持していることを示唆している。この結果より、担体表面に十分な光量を供給できる限り、連続的に光合成微生物を製造できることが示され、本発明の微生物培養システムが、光合成微生物の製造に好適に用いることができることが明らかになった。
１…培養システム、１０…担体ユニット、１２…担体、１５…カバー、３０…培養ユニット、３１…培養槽、７０…担体照射ユニット、８０…培養照射ユニット

Claims (15)

  1. 　培養対象を含む培養液が表面および／または内部を流下する担体と、
    　前記担体から流下する培養液を受けるとともに、培養液に向かう光が通過する通過領域を有し、培養対象を培養する培養部と、
    　前記培養部から流出する培養液を前記担体に供給する第１供給部と、
    　前記培養部から流出する培養液を当該培養部に供給し、当該培養部内において培養液の流れを生じさせる第２供給部と
    を備える
    培養装置。
  2. 　培養対象を含む培養液が表面および／または内部を流下する担体と、
    　前記担体に光を照射する照射部と、
    　前記担体から流下する培養液を貯留するとともに、培養液に向かう光が通過する通過領域を有し、培養対象を培養する培養部と、
    　前記培養部に貯留される培養液を攪拌する攪拌部と、
    　前記培養部で貯留される培養液を前記担体に供給する供給部と
    を備える
    培養装置。
  3. 　前記培養液に対してガスを供給するガス供給部を有する
    請求項１または２記載の培養装置。
  4. 　前記ガス供給部は、前記担体に向けて炭酸ガスを供給する
    請求項３記載の培養装置。
  5. 　前記培養部の前記通過領域を介して培養液に光を照射する他の照射部を有する
    請求項１乃至４のいずれか１項記載の培養装置。
  6. 　前記培養部は、上方が開放され貯留する培養液が外気と接触可能な貯留槽を有する
    請求項１乃至５のいずれか１項記載の培養装置。
  7. 　前記貯留槽は、貯留する培養液の液面における最大幅が、貯留する培養液の最大深さよりも大きい
    請求項６記載の培養装置。
  8. 　前記担体は、
    平板状の部分である平板部を有し、
    前記平板部において当該平板部の厚み方向に貫通し、培養対象が通過可能な寸法である貫通孔を有する
    請求項１乃至７のいずれか１項記載の培養装置。
  9. 　前記担体は、前記照射部によって照射される光を透過可能な部材を備える
    請求項１乃至８のいずれか１項記載の培養装置。
  10. 　前記担体は、樹脂製の糸状部材を複数組み合わせて形成される網体である
    請求項１乃至９のいずれか１項記載の培養装置。
  11. 　前記担体は複数設けられ、
    　内部に前記担体のいずれかを収容する複数の収容体を有する請求項１乃至１０のいずれか１項記載の培養装置。
  12. 　前記担体は、互いに対向して設けられる第１対向部および第２対向部を有し、
    　前記ガス供給部は、前記担体の前記第１対向部および前記第２対向部により挟まれる空間内に供給口が位置し、当該供給口から当該空間にガスを供給する
    請求項３記載の培養装置。
  13. 　前記担体は、前記第１対向部および前記第２対向部の間を連続させる連続部を有し、
    　前記供給部は、前記担体における前記連続部の上方に他の供給口が位置し、当該他の供給口から当該連続部に培養液を落下させる
    請求項１２記載の培養装置。
  14. 　培養対象を含む培養液が表面および／または内部を流下する担体を支持する支持部と、
    　前記担体に光を照射する照射部と、
    　前記担体から流下する培養液を貯留するとともに、培養液に向かう光が通過する通過領域を有し、培養対象を培養する培養部と、
    　前記培養部に貯留される培養液を攪拌する攪拌部と、
    　前記培養部で貯留される培養液を前記担体に供給する供給部と
    を備える
    担体支持装置。
  15. 　培養対象を含む培養液が表面および／または内部を流下する担体に光を照射するステップと、
    　前記担体から流下する培養液を貯留する培養部において、培養液に向けて光を通過させ、培養液を攪拌し、培養対象を培養するステップと、
    　前記培養部で貯留される培養液を前記担体に供給するステップと
    を含む培養対象の製造方法。
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