JP2012161294A - 藻培養リアクター - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギーコストを低減できる藻培養リアクター１を提供すること。
【解決手段】培養液を循環可能な藻培養リアクター１であって、軸方向における両側１９ａ、１９ｂが開口し、少なくとも一部が前記培養液に浸漬される位置に取り付付けられた筒状部材１９と、回転軸２３及び前記回転軸２３に取り付けられた翼２５を備え、少なくとも前記翼２５の一部が前記筒状部材１９に内挿された回転部材２１と、前記回転部材２１を回転駆動する駆動手段１７、１１、１３と、前記筒状部材１９内にＣＯ₂ガスを含むガスを供給するガス供給手段３０と、を備えることを特徴とする藻培養リアクター１。
【選択図】 図１

Description

本発明は、藻の培養に用いられる藻培養リアクターに関する。

培養液中で藻を培養する場合、培養液にＣＯ₂を溶解させる必要がある。培養液にＣＯ₂を溶解させる方法として、培養容器に水深が深い部分を設け、その部分の底付近からＣＯ₂ガスを供給する方法が開示されている（特許文献１参照）。この方法は、エアリフト効果により、ＣＯ₂ガスを培養液に溶解させようとするものである。

特開平１０−５７７４５号公報。

しかしながら、特許文献１記載の方法では、水深が深いところまでＣＯ₂ガスを送り込む必要があるので、ＣＯ₂ガス供給用ポンプの負荷が増大し、エネルギーコストが増大してしまう。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、エネルギーコストを低減できる藻培養リアクターを提供することを目的とする。

本発明の藻培養リアクターは、培養液を循環可能であって、軸方向における両側が開口し、少なくとも一部が前記培養液に浸漬される位置に取り付付けられた筒状部材と、回転軸及び前記回転軸に取り付けられた翼を備え、少なくとも前記翼の一部が前記筒状部材に内挿された回転部材と、前記回転部材を回転駆動する駆動手段と、前記筒状部材内にＣＯ₂ガスを含むガスを供給するガス供給手段とを備える。

本発明の藻培養リアクターは、筒状部材を備えており、その内部にＣＯ₂ガスを含むガスが供給される。筒状部材の内部では、翼が回転するため、ＣＯ₂ガスと培養液との接触時間が長くなり、供給されたＣＯ₂ガスが培養液に効率的に溶け込む。

そのため、特許文献１の技術のように、ＣＯ₂ガスを深い水深の部分まで送り込む必要が無く、ＣＯ₂ガス供給用ポンプの負荷が軽くなるので、エネルギーコストを低減できる。

前記ガス供給手段は、筒状部材内にＣＯ₂ガスを供給できる場所であれば、任意の場所に設けることができるが、前記筒状部材のうち、前記培養液の循環方向における上流側から前記ガスを供給することが好ましい。この場合、ＣＯ₂ガスと培養液とが、筒状部材と回転部材とにより攪拌される経路が長くなるので、ＣＯ₂ガスを培養液に一層効率的に溶け込ませることができる。

前記筒状部材及び／又は回転部材は、少なくともその一部が透明又は半透明の材料により形成されていることが好ましい。この場合、上方から照射された光は筒状部材や回転部材の下方にも到達するので、藻の増殖が促進される。

前記筒状部材の軸方向は特に限定されないが、前記培養液の循環方向と略平行であることが好ましい。この場合、筒状部材が培養液の循環を妨げないので、培養液の滞留を防止できる。また、培養液が循環しやすくなるので、培養液を循環させる手段（例えばパドル）の回転負荷を低減できる。

前記翼としては、回転により、筒状部材を通過する培養液の流れを生み出すことができる形状のものを広く使用できる。このような翼として、例えば、アルキメデスの螺旋形状を有するものが好ましい。この場合、筒状部材内において、培養液の流速を高め、結果として、ＣＯ₂ガスを培養液に一層効率的に溶け込ませることができる。

本発明の藻培養リアクターは、前記培養液を循環させるパドルを備え、前記駆動手段は、前記パドルの駆動力により、前記回転部材を駆動することが好ましい。この場合、回転部材の駆動源を別途設ける必要がない。

前記ＣＯ₂ガスとしては、例えば、コジェネプラントの排ＣＯ₂ガスが挙げられる。
前記培養液は特に限定されず、酸性の培養液でも、アルカリ性の培養液でもよい。酸性の培養液を用いれば、コンタミを防止しやすい。なお、酸性の培養液の場合、アルカリ性の培養液に比べて、一般に、ＣＯ₂ガスを溶解させ難くなるが、本発明によれば、酸性の培養液でも、ＣＯ₂ガスを溶解させることができる。

前記藻は特に限定されないが、ＣＯ₂ガスを吸収し、バイオ燃料を生産する公知の藻が好ましい。

藻培養リアクター１の全体を上方から見た図である。 攪拌部９及びその周辺を上方から見た図である。 攪拌部９及びその周辺を側方から見た図である。 駆動機構１１の一部及びその周辺を側方から見た図である。 藻培養リアクター１の全体を上方から見た図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施形態＞
１．藻培養リアクター１の構成
本発明を適用した藻培養リアクター１の構成を図１〜図４に基づいて説明する。図１は、藻培養リアクター１の全体を上方から見た図である。図２は、後述する攪拌部９及びその周辺を上方から見た図である。図３は、後述する攪拌部９及びその周辺を側方から見た図である。図４は、後述する駆動機構１１の一部及びその周辺を側方から見た図である。

図１に示すように、藻培養リアクター１は、上方が開口した平底容器３と、その底面の中央部に立設された仕切り壁５と、パドル回転機構７と、３個の攪拌部９と、３個の攪拌部９にそれぞれ駆動力を伝達する駆動機構（駆動手段）１１とを備えるレースウェイ型リアクターである。

パドル回転機構７は、平底容器３の一方の側壁３ａと仕切り壁５とにより、回転可能に軸支された回転軸１３と、その回転軸１３に外挿され、回転軸１３とともに回転するパドル１５と、回転軸１３を回転駆動するモータ１７とから構成される。平底容器３に、パドル１５の攪拌翼の一部が浸漬するまで培養液を入れ、パドル１５を回転させると、培養液は、図１に示す矢印の方向に循環する。以下では、この循環の方向を循環方向とする。

３個の攪拌部９は、それぞれが同じ構造を有する。攪拌部９は、図２及び図３に示すように、筒状部材１９と、回転部材２１とから構成される。筒状部材１９は、その軸方向における両端１９ａ、１９ｂが開口した円筒状の中空部材である。筒状部材１９は、平底容器３の側壁３ｂと仕切り壁５との間に掛け渡された一対の板状部材である支持壁２７、２９に対し、筒固定部材３１、３３、３５、３７により固定されている。筒状部材１９が固定された位置は、平底容器３に通常量（液面のレベルＬが図３に示すものとなる量）の培養液を入れたとき、筒状部材１９の全体が培養液に浸漬される位置である。また、筒状部材１９の向きは、その軸方向が水平となり、且つ図１に示す培養液の循環方向と平行となる向きである。筒状部材１９及び後述する翼２５は透明な樹脂により形成されており、光（特に藻の培養に有用な波長の光）を透過することができる。

なお、上述した支持壁２７、２９には、メッシュ状の孔が多数形成されている。そのため、支持壁２７、２９は培養液の循環方向を横切っているが、培養液の循環を妨げることがない。

筒状部材１９の下面であって、培養液の循環方向における上流側（以下では単に上流側とする）の端部付近には、筒状部材１９の内部にＣＯ₂ガスを供給するノズル（ガス供給手段）３０が設けられている。ノズル３０には、図示しないＣＯ₂ガスの供給元から、パイプ３２を通してＣＯ₂ガスが供給される。

３個の攪拌部９は、図１に示すとおり、それぞれの軸方向が互いに平行となるように、並列配置されている。
回転部材２１は、回転軸２３とその回転軸２３の外周面に取付けられた、アルキメデスの螺旋形状を有する翼２５とから構成される。回転部材２１のうち、翼２５が取り付けられた部分は、回転軸２３と筒状部材１９の軸方向とが平行となるように、筒状部材１９に内挿されている。また、回転軸２３の両端は、支持壁２７、２９より、回転可能に軸支されている。

回転軸２３のうち、筒状部材１９よりも上流側には、傘歯車（ベベルギア）３９が取り付けられている。傘歯車３９には、後に詳述する駆動機構１１から駆動力が伝えられ、その駆動力により回転部材２１が回転する。回転部材２１の回転方向は、翼２５により作り出す培養液の流れの方向が、培養液の循環方向と一致する方向である。

駆動機構１１は、図４に示すように、平底容器３の側壁３ｂと仕切り壁５とにより回転可能に軸支された回転軸４１と、回転軸４１にそれぞれ取り付けられた３個の傘歯車４３、４３、４３、及び平歯車４５を備えている。平歯車４５は、パドル回転機構７の回転軸１３に取り付けられた平歯車４７と噛み合っている。そのことにより、回転軸４１は、パドル回転機構７から駆動力を伝達され、回転する。３個の傘歯車４３、４３、４３は、それぞれ、３個の攪拌部９における傘歯車３９と噛み合っており、回転軸４１が回転するとき、回転部材２１も回転する。よって、駆動機構１１は、パドル回転機構７の駆動力により、回転部材２１を回転駆動する。

２．藻培養リアクター１が奏する効果
（１）藻培養リアクター１は、３個の攪拌部９を備えている。攪拌部９における筒状部材１９の内部には、ノズル３０によってＣＯ₂ガスが供給される。筒状部材１９の内部では、翼２５を備える回転部材２１が回転するため、ＣＯ₂ガスと培養液との接触時間が長くなり、供給されたＣＯ₂ガスが培養液に効率的に溶け込む。そのため、ＣＯ₂ガスを深い水深の部分まで送り込む必要が無く、エネルギーコストを低減できる。
（２）ノズル３０は、筒状部材１９のうち、培養液の循環方向における上流側からＣＯ₂ガスを供給する。そのため、ＣＯ₂ガスと培養液とが、筒状部材１９と回転部材２１とにより攪拌される経路が長くなるので、ＣＯ₂ガスを培養液に一層効率的に溶け込ませることができる。
（３）筒状部材１９と、回転部材２１の翼２５とは透明の材料により形成されている。そのため、上方から照射された光は筒状部材１９や回転部材２１の下方にも到達するので、藻の増殖が促進される。
（４）筒状部材１９の軸方向と、培養液の循環方向とは平行である。そのことにより、筒状部材１９が培養液の循環を妨げないので、培養液の滞留を防止できる。また、培養液が循環しやすくなるので、パドル１５の回転負荷を低減できる。
（５）翼２５は、アルキメデスの螺旋形状を有している。そのことにより、筒状部材１９内において、培養液の流速を高め、結果として、ＣＯ₂ガスを培養液に一層効率的に溶け込ませることができる。
（６）回転部材２１は、パドル回転機構７の駆動力により回転駆動される。そのため、回転部材２１の駆動源を別途設ける必要がない。

３．藻培養リアクター１が奏する効果を確認するための試験
（１）藻培養リアクター１にＣＯ₂ガスを１時間供給した直後に、培養液中の溶存ＣＯ₂濃度を測定したところ、１％を維持していた。

なお、その他の実験の条件は下記のとおりである。
平底容器３の底面の面積：２０ｍ²
培養液の水深：２０ｃｍ
筒状部材１９の直径と軸長：Φ２０ｃｍ、長さ３０ｃｍ
攪拌部９の数：３個
筒状部材１９内における培養液の流速：４ｍ²／ｈ（エアー含む体積）
ＣＯ₂ガスにおけるＣＯ₂濃度：５％
ＣＯ₂ガスの流速：１５Ｌ／ｍｉｎ
（２）基本的には上述した藻培養リアクター１と同様の構成を有するが、攪拌部９の数を５個に増やして、同様の実験を行った。５個の攪拌部９は、３個の攪拌部９の場合と同様に、それぞれの軸方向が循環方向と平行になるように並列配置されている。この場合も、培養液中の溶存ＣＯ₂濃度は０．９４％を維持していた。

なお、その他の実験の条件は下記のとおりである。
平底容器３の底面の面積：２０ｍ²
培養液の水深：２０ｃｍ
筒状部材１９の直径と軸長：Φ１５ｃｍ、長さ３０ｃｍ
攪拌部９の数：５個
筒状部材１９内における培養液の流速：３．７ｍ²／ｈ（エアー含む体積）
ＣＯ₂ガスにおけるＣＯ₂濃度：５％
ＣＯ₂ガスの流速：１５Ｌ／ｍｉｎ
＜第２の実施形態＞
１．藻培養リアクター１の構成
本実施形態の藻培養リアクター１の構成は、基本的には前記第１の実施形態と同じである。ただし、図５に示すように、３個の攪拌部９の軸方向は、培養液の循環方向と直交している。攪拌部９の構成自体は前記第１の実施形態と同様である。

本実施形態の駆動機構１１は、上記のように配置された攪拌部９に駆動力を伝達するため、以下のように構成される。
駆動機構１１は、支持壁２７、２９により回転可能に軸支された回転軸４９と、回転軸４９にそれぞれ取り付けられた４個の傘歯車５１、５３、５５、５７を備えている。傘歯車５１は、パドル回転機構７の回転軸１３に取り付けられた傘歯車５９と噛み合っている。そのことにより、回転軸４９は、パドル回転機構７から駆動力を伝達され、回転する。３個の傘歯車５３、５５、５７は、それぞれ、３個の攪拌部９における傘歯車３９と噛み合っており、回転軸４９が回転するとき、回転部材２１も回転する。よって、駆動機構１１は、パドル回転機構７の駆動力により、回転部材２１を回転駆動する。

筒状部材１９は、平底容器３の側壁３ｂと仕切り壁５に対し固定されている。筒状部材１９が固定された位置は、平底容器３に通常量の培養液を入れたとき、筒状部材１９の全体が培養液に浸漬される位置である。また、筒状部材１９の向きは、その軸方向が水平となり、且つ培養液の循環方向と直交する向きである。ＣＯ₂ガスを供給するノズル３０は、筒状部材１９の下面であって、軸方向における中央に取り付けられる。

回転部材２１の両端は、側壁３ｂと仕切り壁５により、回転可能に軸支されている。
回転部材２１の回転により作り出す培養液の流れの方向は、図５における下方向であってもよいし、図５における上方向であってもよい。

２．藻培養リアクター１が奏する効果
本実施形態の藻培養リアクター１は、前記第１の実施形態と略同様の効果を奏することができる（ただし、筒状部材１９の軸方向が培養液の循環方向に平行であることに起因する効果は除く）。

３．藻培養リアクター１が奏する効果を確認するための試験
（１）藻培養リアクター１にＣＯ₂ガスを１時間供給した直後に、培養液中の溶存ＣＯ₂濃度を測定したところ、１％を維持していた。

なお、その他の実験の条件は下記のとおりである。
平底容器３の底面の面積：２０ｍ²
培養液の水深：２０ｃｍ
筒状部材１９の直径と軸長：Φ２０ｃｍ、長さ３０ｃｍ
攪拌部９の数：３個
筒状部材１９内における培養液の流速：４ｍ²／ｈ（エアー含む体積）
ＣＯ₂ガスにおけるＣＯ₂濃度：５％
ＣＯ₂ガスの流速：１５Ｌ／ｍｉｎ
尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

例えば、筒状部材１９の軸方向は、上方から見たとき、循環方向に対し斜めであってもよい。また、前記第１の実施形態において、筒状部材１９の軸方向は、水平方向に対し、斜めであってもよい。この場合、筒状部材１９の上流側が高くなっていてもよし、下流側が高くなっていてもよい。

また、翼２５の形状は、アルキメデスの螺旋形状には限定されず、任意の翼形状でよい。翼２５の形状は、回転により、筒状部材１９を通過する培養液の流れを生み出すことができる形状であることが好ましく、例えば、船舶用のスクリューの形状等が挙げられる。このスクリューは、単独で回転軸２３に取り付けられてもよいし、所定の間隔をおいて複数取り付けられてもよい。

また、筒状部材１９は、その側面にも開口部を有していてもよい。
また、攪拌部９の数は、３個又は５個に限定されず、その他の数（例えば、１個、２個、４個、６個・・・・）でもよい。また、複数の攪拌部９の一部が前記第１の実施形態の向きに配置され、残りの攪拌部９が前記第２の実施形態の向きに配置されてもよい。また、複数の攪拌部９を、循環方向に沿って、直列に配列してもよい。

また、回転部材２１は、パドル回転機構７以外の駆動力により駆動されるものであてもよい。
また、筒状部材１９、翼２５のうちの一方又は両方は、不透明な材料（例えば不透明な樹脂、金属、ガラス）又は半透明な材料（例えば半透明の樹脂、ガラス）により形成されていてもよい。

また、ノズル３０の位置は、筒状部材１９内にＣＯ₂ガスを供給できさえすれば、前記第１又は第２の実施形態の位置に限定されない。

１・・・藻培養リアクター、３・・・平底容器、３ａ、３ｂ・・・側壁、
５・・・仕切り壁、７・・・パドル回転機構、９・・・攪拌部、１１・・・駆動機構、
１３・・・回転軸、１５・・・パドル、１７・・・モータ、１９・・・筒状部材、
１９ａ、１９ｂ・・・端、２１・・・回転部材、２３・・・回転軸、２５・・・翼、
２７、２９・・・支持壁、３０・・・ノズル、
３１、３３、３５、３７・・・筒固定部材、３２・・・パイプ、
３９、４３、５１、５３、５５、５７、５９・・・傘歯車、４１・・・回転軸、
４５、４７・・・平歯車、４９・・・回転軸

Claims (6)

1. 培養液を循環可能な藻培養リアクターであって、
   軸方向における両側が開口し、少なくとも一部が前記培養液に浸漬される位置に取り付付けられた筒状部材と、
   回転軸及び前記回転軸に取り付けられた翼を備え、少なくとも前記翼の一部が前記筒状部材に内挿された回転部材と、
   前記回転部材を回転駆動する駆動手段と、
   前記筒状部材内にＣＯ₂ガスを含むガスを供給するガス供給手段と、
   を備えることを特徴とする藻培養リアクター。
2. 前記ガス供給手段は、前記筒状部材のうち、前記培養液の循環方向における上流側から前記ガスを供給することを特徴とする請求項１記載の藻培養リアクター。
3. 前記筒状部材及び／又は回転部材は、少なくともその一部が透明又は半透明の材料により形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の藻培養リアクター。
4. 前記筒状部材の軸方向が、前記培養液の循環方向と略平行であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の藻培養リアクター。
5. 前記翼が、アルキメデスの螺旋形状を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の藻培養リアクター。
6. 前記培養液を循環させるパドルを備え、
   前記駆動手段は、前記パドルの駆動力により、前記回転部材を駆動することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の藻培養リアクター。

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