JPH04190782A - バイオリアクタ - Google Patents
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- JPH04190782A JPH04190782A JP2321237A JP32123790A JPH04190782A JP H04190782 A JPH04190782 A JP H04190782A JP 2321237 A JP2321237 A JP 2321237A JP 32123790 A JP32123790 A JP 32123790A JP H04190782 A JPH04190782 A JP H04190782A
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Classifications
-
- 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
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- C12M31/08—Means for providing, directing, scattering or concentrating light by conducting or reflecting elements located inside the reactor or in its structure
-
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- C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
- C12M21/02—Photobioreactors
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
- C12M23/24—Gas permeable parts
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明はバイオリアクタに関し、特に微細藻類の光合成
を利用してＣ０２を０２に変換するバイオリアクタに関
する。
を利用してＣ０２を０２に変換するバイオリアクタに関
する。
微細藻類の光合成機能を利用するバイオリアクタは今後
下記２万面に応用されることが考えられている。
下記２万面に応用されることが考えられている。
（１）宇宙における生命維持装置として、人間や他の動
物の排出したＣＤ２を０２に変換するガス交換を行うと
ともに、食糧や飼料を生産する装置（閉鎖系生命維持シ
ステム） （２） 火力発電所から排出したＣＯ２を固定する装
置。
物の排出したＣＤ２を０２に変換するガス交換を行うと
ともに、食糧や飼料を生産する装置（閉鎖系生命維持シ
ステム） （２） 火力発電所から排出したＣＯ２を固定する装
置。
従来の微細藻類の光合成機能を利用するバイオリアクタ
の概略図を第５図に示す。
の概略図を第５図に示す。
すなわち、従来のバイオリアクタは本質的に藻類培養槽
２０及びガス交換器１９の二つの要素より構成され、藻
類培養槽２０は光エネルギーを推進力とする下記〔１）
の反応にてＣＯ２、Ｈ２Ｏ及び肥料（Ｐ、Ｎ主成分）よ
り、０２と藻体（主成分は、炭素、窒素、酸素、燐、水
素）を得るものである。
２０及びガス交換器１９の二つの要素より構成され、藻
類培養槽２０は光エネルギーを推進力とする下記〔１）
の反応にてＣＯ２、Ｈ２Ｏ及び肥料（Ｐ、Ｎ主成分）よ
り、０２と藻体（主成分は、炭素、窒素、酸素、燐、水
素）を得るものである。
ＣＤ□十Ｈ，Ｏ＋肥料十光エネルギー
→０２＋藻体 （１）
又、ガス交換器１９は人工肺と呼ばれる疎水性多孔質膜
を中空糸状に成形したものをモジュール状に加圧したも
ので、中空糸の内外の二酸化炭素及び酸素の濃度差を利
用して、（１〕式に必要な二酸化炭素を供給すると共に
、（１〕式で発生した酸素を排出する機能をもつもので
ある。（１）式に必要な光エネルギーは光源８からガラ
スやアクリル等で作られている培養槽本体２１の表面を
通じて供給され、肥料（液体状）は肥料タンク１６から
肥料注入ポンプ１４にて肥料注入ライン１５を介して培
養槽本体２１に送られる。
を中空糸状に成形したものをモジュール状に加圧したも
ので、中空糸の内外の二酸化炭素及び酸素の濃度差を利
用して、（１〕式に必要な二酸化炭素を供給すると共に
、（１〕式で発生した酸素を排出する機能をもつもので
ある。（１）式に必要な光エネルギーは光源８からガラ
スやアクリル等で作られている培養槽本体２１の表面を
通じて供給され、肥料（液体状）は肥料タンク１６から
肥料注入ポンプ１４にて肥料注入ライン１５を介して培
養槽本体２１に送られる。
また、肥料が送られると同時に、（１）式で生成した藻
体は培養槽本体２１内の肥料を含む液体と一緒に藻体回
収ライン１７を通じて回収される。
体は培養槽本体２１内の肥料を含む液体と一緒に藻体回
収ライン１７を通じて回収される。
培養槽２０内部は、攪拌器１８にて充分攪拌される。微
細藻類は直径１０μｍ程度の小さい粒子であるので培養
液中に完全に懸濁する。
細藻類は直径１０μｍ程度の小さい粒子であるので培養
液中に完全に懸濁する。
培養槽２０内部の培養液は藻類を含んだまま循環ポンプ
１１により培養液入口１を介してガス交換器１９へ送ら
れる。ガス交換器１９中の中空子膜６の内径は数１００
μｍと微細藻類が充分通れる程大きいので、閉塞せず微
細藻はそのまま通過する。
１１により培養液入口１を介してガス交換器１９へ送ら
れる。ガス交換器１９中の中空子膜６の内径は数１００
μｍと微細藻類が充分通れる程大きいので、閉塞せず微
細藻はそのまま通過する。
一方、ＣＯ２発生源２４からもガス循環ポンプ２３によ
りＣ０２富化ガスがガス入口３を介してガス交換器１９
に送られる。ガス交換器１９ではガスと液が中空糸膜６
を介して間接接触する。
りＣ０２富化ガスがガス入口３を介してガス交換器１９
に送られる。ガス交換器１９ではガスと液が中空糸膜６
を介して間接接触する。
ガス交換器１９へ送られてきた培養液は（１）式の反応
によりＣ’０．２ａ度が低く ０２ａ度が高くなってい
るので液とガス間のガス濃度差によりＣ０２はガスから
液に、０２は液からガスに移動する。
によりＣ’０．２ａ度が低く ０２ａ度が高くなってい
るので液とガス間のガス濃度差によりＣ０２はガスから
液に、０２は液からガスに移動する。
従って、ガス出口４からはＣＯ，Ｓ度が低く０２富化さ
れたガスが、一方、培養液出口２からは、０、濃度が低
くＣ０２富化された藻体を含む培養液が出てくる。培養
液は培養槽２０本体ヘリサイクルされ、０２富化ガスは
０２消費部２５に供給される。
れたガスが、一方、培養液出口２からは、０、濃度が低
くＣ０２富化された藻体を含む培養液が出てくる。培養
液は培養槽２０本体ヘリサイクルされ、０２富化ガスは
０２消費部２５に供給される。
バイオリアクタの光合成速度は光強度■。が一定の場合
、光路長（光が藻体に達する距離）と藻体濃度に依存し
、光路長をできる限り小さくして、かつ藻体濃度を高く
して運転すればよいことは自明である。
、光路長（光が藻体に達する距離）と藻体濃度に依存し
、光路長をできる限り小さくして、かつ藻体濃度を高く
して運転すればよいことは自明である。
単位藻体当りの０２発発生度Ｋｐ：１．２８Ｘ１０５［
：ｍｏｌ−Ｌ／（ｋｇ−ｃｅｌｌｓ−ｈ）） 、光強度
Ｉ。
：ｍｏｌ−Ｌ／（ｋｇ−ｃｅｌｌｓ−ｈ）） 、光強度
Ｉ。
： ２０，０００ ［１ｕｘ ］ 、吸光係数Ｅ：１３
０［１／ｍ ・（ｋｇ−ｃｅｌｌｓ／ｍ３） ］の時、
円柱状バイオリアクタの半径１〔ｍ〕を変化させた時の
藻体濃度［ｋｇ−ｃｅｌｌｓ／ｍ３］に対する０２発発
生度Ｃｄ ０２／１−槽ｈ〕の計算例を図表化すると
第６図のようになる。
０［１／ｍ ・（ｋｇ−ｃｅｌｌｓ／ｍ３） ］の時、
円柱状バイオリアクタの半径１〔ｍ〕を変化させた時の
藻体濃度［ｋｇ−ｃｅｌｌｓ／ｍ３］に対する０２発発
生度Ｃｄ ０２／１−槽ｈ〕の計算例を図表化すると
第６図のようになる。
上記に示したように、バイオリアクタの光合成速度は光
強度■。一定の場合、光行路長と藻体濃度に依存し、光
路長をできる限り小さくして、かつ、藻体濃度を高くし
て運転すれば効率（単位バイオリアクタ一体積当たりの
光合成速度）がよくなる。
強度■。一定の場合、光行路長と藻体濃度に依存し、光
路長をできる限り小さくして、かつ、藻体濃度を高くし
て運転すれば効率（単位バイオリアクタ一体積当たりの
光合成速度）がよくなる。
従って、現状のバイオリアクタでは光合成の効率を上げ
ると、容積が小さくなるた約、総量としての光合成速度
が小さくなるという問題がある。すなわち、効率と総量
は相反し同時に満足することができないという問題があ
る。
ると、容積が小さくなるた約、総量としての光合成速度
が小さくなるという問題がある。すなわち、効率と総量
は相反し同時に満足することができないという問題があ
る。
従って、現状のバイオリアクタの設計では、使用目的に
見合った光合成の効率と総量を考慮して光路長と藻体濃
度を決定している。
見合った光合成の効率と総量を考慮して光路長と藻体濃
度を決定している。
現状では、光路長は数センチのオーダーが限界なので藻
体濃度は１ ［ｋｇ−ｃｅｌｌｓ／ｍ’ 〕程度の薄い
濃度でしか培養できない。従って、藻体を回収する場合
の効率が悪い。
体濃度は１ ［ｋｇ−ｃｅｌｌｓ／ｍ’ 〕程度の薄い
濃度でしか培養できない。従って、藻体を回収する場合
の効率が悪い。
本発明は上記技術水準に鑑み、光合成効率が高く、光合
成総量の低下が殆んどないバイオリアクタを提供しよう
とするものである。
成総量の低下が殆んどないバイオリアクタを提供しよう
とするものである。
本発明は微細藻類と培養液を流通させ、光透過性が高く
かつガス交換可能な多数の中空系膜と該中空糸膜に近接
配置した多数の光ファイバをモジュール状に一体化した
容器、該容器の側壁の流れ方向後流に設けられ、かつ該
容器の気室に連通ずるＣＤ、富化ガス入口、該容器の側
壁の流れ方向上流に設けられ、かつ該容器の気室に連通
する０゜富化ガス出口、該容器の一端に設けられ、かつ
微細藻類と培養液を中空糸膜内に供給する供給口、該容
器の他端に設けられ、かつ増殖した微細藻類と培養液を
排出する排出口、前記光ファイバに照射する光源及び前
記供給口に培養液を補給する手段を具備することを特徴
とするバイオリアクタである。
かつガス交換可能な多数の中空系膜と該中空糸膜に近接
配置した多数の光ファイバをモジュール状に一体化した
容器、該容器の側壁の流れ方向後流に設けられ、かつ該
容器の気室に連通ずるＣＤ、富化ガス入口、該容器の側
壁の流れ方向上流に設けられ、かつ該容器の気室に連通
する０゜富化ガス出口、該容器の一端に設けられ、かつ
微細藻類と培養液を中空糸膜内に供給する供給口、該容
器の他端に設けられ、かつ増殖した微細藻類と培養液を
排出する排出口、前記光ファイバに照射する光源及び前
記供給口に培養液を補給する手段を具備することを特徴
とするバイオリアクタである。
本発明のバイオリアクタは中空糸膜が１本１本バイオリ
アクタということができ、中空糸膜の直径は１／１０ｍ
ｍオーダーとすることができるので、事実上の光路長を
従来の数ｃＩＩＩのオーダーから１／１０ｍｍオーダー
まで低減することが可能となる。従って第６図より下記
が言える。
アクタということができ、中空糸膜の直径は１／１０ｍ
ｍオーダーとすることができるので、事実上の光路長を
従来の数ｃＩＩＩのオーダーから１／１０ｍｍオーダー
まで低減することが可能となる。従って第６図より下記
が言える。
（１）光合成効率は従来の数１０倍以上が可能（２）藻
体濃度も従来の１ 〔ｋｇ−ｃｅｌｌｓ／ｍ３］程度か
ら、１５ ［ｋｇ−ｃｅｌｌｓ／ｍ３：］以上まで増加
させることが可能 また、中空系膜は第２図に示したように多数を東にして
使用し、かつ、−本一本が高効率のバイオリアクタと言
えるので、光合成総量も大きいと予想される。
体濃度も従来の１ 〔ｋｇ−ｃｅｌｌｓ／ｍ３］程度か
ら、１５ ［ｋｇ−ｃｅｌｌｓ／ｍ３：］以上まで増加
させることが可能 また、中空系膜は第２図に示したように多数を東にして
使用し、かつ、−本一本が高効率のバイオリアクタと言
えるので、光合成総量も大きいと予想される。
本発明の一実施態様の装置構成を第１図とそのＡ−Ａ’
断面図である第２図によって説明し、該装置の主要部の
組み立てかたを第３図によって説明する。
断面図である第２図によって説明し、該装置の主要部の
組み立てかたを第３図によって説明する。
先ず、第３図によって本発明装置の主要部を説明する。
円筒形容器（ポリカーボネイト等のプラスチック）２６
に、光ファイバ７及び中空糸膜６を適度な本数ずつ組み
合わせたものを入れ、円筒容器２６の両端の口をエポキ
シ樹脂等の接着剤２７で固める。
に、光ファイバ７及び中空糸膜６を適度な本数ずつ組み
合わせたものを入れ、円筒容器２６の両端の口をエポキ
シ樹脂等の接着剤２７で固める。
次に、円筒容器２６の両端に、培養液入口１及び液室５
からなるキャップ２８並びに培養液出口２及び液室５か
らなるキャップ２９を接着剤でくっつけることにより本
発明装置の主要部ができ上がる。
からなるキャップ２８並びに培養液出口２及び液室５か
らなるキャップ２９を接着剤でくっつけることにより本
発明装置の主要部ができ上がる。
次に、第１図、第２図によって本発明の概略の作用を説
明する。
明する。
藻類の増殖に必要な肥料と藻体を含む藻類培養液は培養
液入口１から液室５に入りそこで液が分散して各中空糸
膜６に入る。
液入口１から液室５に入りそこで液が分散して各中空糸
膜６に入る。
中空糸膜６内で以下のことが行われる。藻類は中空糸膜
６外よりＣＯ７及び光エネルギーの供給を受は光合成を
行い酸素発生と藻体の増加を行う。発生した酸素は中空
糸膜６外へ出てい（。
６外よりＣＯ７及び光エネルギーの供給を受は光合成を
行い酸素発生と藻体の増加を行う。発生した酸素は中空
糸膜６外へ出てい（。
上記の反応が中空系膜６内で行われながら、藻類培養液
は液室５を経て液出口２の方へ液は流れていく。
は液室５を経て液出口２の方へ液は流れていく。
一方、ガス側供給はＣＯ□を豊富に含むガスがガス入口
３より入り、気室９内の中空糸膜６と光ファイバ７の間
を通りガス出口４より出る。
３より入り、気室９内の中空糸膜６と光ファイバ７の間
を通りガス出口４より出る。
この間にガスの濃度差の関係より次のようなガス移動が
起こる。ＣＯ２は中空糸膜６の外側より内側の藻類培養
液の方へ吸収される。一方、中空糸膜６内の光合成反応
で生成した酸素は中空糸膜６内より外側の気室９の方へ
排出される。
起こる。ＣＯ２は中空糸膜６の外側より内側の藻類培養
液の方へ吸収される。一方、中空糸膜６内の光合成反応
で生成した酸素は中空糸膜６内より外側の気室９の方へ
排出される。
光源８から藻類への光の供給は光ファイバ７を用いて光
を中空系膜６の外側まで誘導する。
を中空系膜６の外側まで誘導する。
光ファイバ７と中空糸膜６は第２図に示すように互いに
隣合わせにする。
隣合わせにする。
第４図に本発明によるバイオリアクタを用いたＣＬ処理
システムの概略図を示す。
システムの概略図を示す。
このシステムはバイオリアクタ１０及び肥料を供給する
ラインと藻体を回収するラインよりなる。
ラインと藻体を回収するラインよりなる。
ＣＯ□発生源２４からきたＣＯ３を豊富に含むガスは、
ガス循環ポンプ２３の働きによりガス入口３から入り気
室９を通りガス出口４からでる間に中空糸膜６の内側に
吸収後、藻類の光合成により ０２に変換される。光合
成により発生した０２は中空糸膜６内より気室９側へし
み出して来た後、ガス出口４から放出され０２消費部２
５に送られる。
ガス循環ポンプ２３の働きによりガス入口３から入り気
室９を通りガス出口４からでる間に中空糸膜６の内側に
吸収後、藻類の光合成により ０２に変換される。光合
成により発生した０２は中空糸膜６内より気室９側へし
み出して来た後、ガス出口４から放出され０２消費部２
５に送られる。
藻類は液入口１から入り液出口２から出る間に光合成を
行いＣＯ２の処理を行うと共に藻体自身の増殖も行う。
行いＣＯ２の処理を行うと共に藻体自身の増殖も行う。
従って、液入口１の藻体の濃度よりも液出口２の藻体の
濃度の方が高くなっている。増殖した分の藻体は藻体回
収ライン１７より回収されるが、液入口１で藻体の種が
必要なので、藻体の一部を分岐点１２より藻体リサイク
ルライン２２を経てバイオリアクタ１０と循環ポンプの
作用によりリサイクルさせる。
濃度の方が高くなっている。増殖した分の藻体は藻体回
収ライン１７より回収されるが、液入口１で藻体の種が
必要なので、藻体の一部を分岐点１２より藻体リサイク
ルライン２２を経てバイオリアクタ１０と循環ポンプの
作用によりリサイクルさせる。
また、光合成により消費される肥料は、藻類の肥料タン
ク１６より肥料注入ポンプ１４の働きで肥料注入ライン
１５を通じて藻体リサイクルライン２２との合流点に供
給される。
ク１６より肥料注入ポンプ１４の働きで肥料注入ライン
１５を通じて藻体リサイクルライン２２との合流点に供
給される。
本発明は従来装置に比して下記の利点がある。
（１）光合成効率が従来の数１０倍が可能中空糸中空糸
直径は１／１０ｍｍオーダーなので、光路長を従来の数
Ｃｌ１ｌのオーダーから、１／１０ｍｍオーダーまで低
減することが可能となる。従って、第６図より光合成効
率は従来の数１０倍であることがわかる。
直径は１／１０ｍｍオーダーなので、光路長を従来の数
Ｃｌ１ｌのオーダーから、１／１０ｍｍオーダーまで低
減することが可能となる。従って、第６図より光合成効
率は従来の数１０倍であることがわかる。
（２）光合成総量の低下は殆どない。
中空糸中空糸直径は１／１０ｍｍオーダーであるので、
中空糸内を流れる藻類の培養液総量は相当少なくなるが
、中空糸本数を数１０００本と増加させることが可能で
あること、並びに、効率が従来の数１０倍が可能である
ことを考慮すると、光合成総量の低下は殆どない。
中空糸内を流れる藻類の培養液総量は相当少なくなるが
、中空糸本数を数１０００本と増加させることが可能で
あること、並びに、効率が従来の数１０倍が可能である
ことを考慮すると、光合成総量の低下は殆どない。
（３） 上記より、従来のバイオリアクタでは不可能
であった光合成効率（単位バイオリアクタ体積当たりの
光合成速度）と光合成総量の両方を同時に向上させるこ
とが可能である。
であった光合成効率（単位バイオリアクタ体積当たりの
光合成速度）と光合成総量の両方を同時に向上させるこ
とが可能である。
（４）藻体濃度を現状の１０倍以上の高い濃度で運転で
きるので藻体を回収する時の効率がよい。
きるので藻体を回収する時の効率がよい。
（５）従来は２つの部品であったガス交換装置と培養槽
本体を一体化しているのでコンパクトである。
本体を一体化しているのでコンパクトである。
（６）背型反応器で流れが層流でよいため攪拌が不要と
なる。
なる。
第１図は本発明バイオリアクタの主要部の構成図、第２
図は第１図のＡ−Ａ断面図、第３図は本発明バイオリア
クタの主要部の組み立て説明図、第４図は本発明バイオ
リアクタの作用の説明図、第５図は従来のバイオリアク
タの構成図、第６図は円柱状バイオリアクタの半径を変
化させた時の藻体濃度に対する０２発発生度の計算例を
図表化した図である。
図は第１図のＡ−Ａ断面図、第３図は本発明バイオリア
クタの主要部の組み立て説明図、第４図は本発明バイオ
リアクタの作用の説明図、第５図は従来のバイオリアク
タの構成図、第６図は円柱状バイオリアクタの半径を変
化させた時の藻体濃度に対する０２発発生度の計算例を
図表化した図である。
Claims (1)
- 微細藻類と培養液を流通させ、光透過性が高くかつガス
交換可能な多数の中空糸膜と該中空糸膜に近接配置した
多数の光ファイバをモジュール状に一体化した容器、該
容器の側壁の流れ方向後流に設けられ、かつ該容器の気
室に連通するＣＯ＿２富化ガス入口、該容器の側壁の流
れ方向上流に設けられ、かつ該容器の気室に連通するＯ
＿２富化ガス出口、該容器の一端に設けられ、かつ微細
藻類と培養液を中空糸膜内に供給する供給口、該容器の
他端に設けられ、かつ増殖した微細藻類と培養液を排出
する排出口、前記光ファイバに照射する光源及び前記供
給口に培養液を補給する手段を具備することを特徴とす
るバイオリアクタ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2321237A JPH04190782A (ja) | 1990-11-27 | 1990-11-27 | バイオリアクタ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2321237A JPH04190782A (ja) | 1990-11-27 | 1990-11-27 | バイオリアクタ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04190782A true JPH04190782A (ja) | 1992-07-09 |
Family
ID=18130346
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2321237A Pending JPH04190782A (ja) | 1990-11-27 | 1990-11-27 | バイオリアクタ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04190782A (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
1990
- 1990-11-27 JP JP2321237A patent/JPH04190782A/ja active Pending
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