JPH0484883A - 光合成生物の培養装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、光合成、！！！菌、藻類、植物細胞等の光合
成生物の培養装置にかかわるもので、とくにこうした光
合成生物を、太陽光や人工光源の光を照射して培養槽内
で培養する場合に、光を培養槽内に均一にかつ効率よく
照射することができる光合成生物の培養装置に関するも
のである。

［従来の技術］ 光合成生物の培養による有用物質の生産は古くから行わ
れている。また、光合成反応は炭酸ガスつまり二酸化炭
素（ＣＯ２）を必要とするため、地球温暖化の原因のひ
とつと考えられている炭酸ガスの固定化に有効である。

光合成生物の大量培養法としては、太陽光の照射のもと
で、屋外でオープンブール方式で培養するものがすでに
知られている。この場合に太陽光は水深１０ｃｍ以内し
か到達することができないため、水深を深くとることが
できず、結果的に光照射率を上げるためには広大な敷地
面積が必要となる。さらに、この方式では外部からの雑
菌混入を避けることができないため、光合成生物の純粋
培養が困難であるという重大な欠点がある。

したがって、光合成生物および培養液を収容した培養槽
内に光を照射して光合成生物を培養する手段が採られて
いる。

こうした光合成生物を培養する培養槽としては、古くか
らガラス等の透明材質からなる培養摺壁外部から光を照
射する方法が知られている。この方法においては、光は
培養槽内の外壁部に近い部分が最も光強度が高く、培養
槽中心部に向かうにしたがって低下することとなり、極
端に不均一な光強度分布が生じる。しかも、光合成生物
の培養過程において生物濃度が増加すると、入射光の吸
取、散乱等により光が外壁から数ｃｍ以内までしか到達
することができず、とくに培養槽内部では極度に光強度
が低下し、効率良く光を供給することができなくなる。

そこで、培養槽内の培養液をかくはん器やポンプ等によ
り強力にかくはん、混合することにより、光が透過する
ことができる部分に生物体を循環、移動させて、光の不
均一照射を改善する方法等が採られている。

しかしなから、とくに植物細胞等の生物体の場合には、
かくはん、混合により生ずるせん断力によって生物体が
物理的な損傷を受は易いために、こうした方法は利用不
可能である。

さらに、たとえば特開昭５０−．１．５７５８１号のよ
うにガラス等の材質を外壁に用いた場合には、構Ｍ強度
上の面から、培養槽の大型化はきわめて困難である。

また、たとえば特開昭５１−１１００８９号のように、
光の照射率を向上させるために、直径が数ｃｍ以内の透
明材質（ガラス等）でできた長い円管を、並列状あるい
はスパイラル状等に成形して、光を照射する培養装置が
知られている。この装置においては、光を有効に照射す
るために広い受光面精を必要とし、とくに培養槽の実容
積を大きくする場合には、かなり長い円管となるととも
に、受光面積も広大となる。さらに、管材の材質の強度
および構造上の問題から大量培養用の大型装置化は困難
である。

また、たとえば特開昭５０−１４２７７８号、特開昭５
７−１０２１８１号、特開昭６１−１３９３８２号など
、内部への光の導入を促進するために、発光管を培！！
槽内に浸漬したり、光ファイバーから導いた光を培養槽
内の発光器に接続して直接に光を内部で照射する方法も
知られている。

こうした装置の場合には、光を培養槽内に直接照射する
ことができるものの、発光管または発光器の近辺は光強
度が高いが、これから離れた位置においては光強度が低
いという不均一光強度分布が生じる。この光強度分布を
改善するために、発光管または発光器の数を増加させる
ことも考えられるが、培養槽の内容液中に発光管や発光
器の占める割合が高くなり、結果的には光合成生物体を
培養する実容積が極端に小さくなるという問題かある。

また、たとえば特開昭５８−９８０８．１号のように、
光強度を均一にするために多数の発光管や発光器を密に
培養槽内に配置する方法もあるが、この装置でも、培養
槽の内容液中に発光管や発光器の占める割合が高くなり
、結果的には光合成生物体を培養する実容積が極端に小
さくなるという問題がある。さらに、発光管や発光器を
培養槽内部の液中に設置する場合には、発光管や発光器
の表面に光合成生物体がその増殖とともに付着し、光の
照射が遮断されるという重大な欠点がある。

また、たとえば特開昭５３　２０４８１号のように、培
養槽内部に均一に光を散乱させる方法として、培養槽内
に透明材質の導光体を？５＋遊、分散させ、培養槽内の
一部に導入された光がこの導光体を伝わって透過、散乱
、反射、屈折を繰り返しなから、培養槽内全体に伝達さ
れるという方法もある。ただし、この方法の場合には、
導光体を槽内に浮遊させる分だけ、実際の培養容積は小
さくなり、とくに培養終了後、導光体と培養液を分離さ
せなければならないという別の問題もある。

［発明が解決しようとするｉｔ！ＩＱ］本発明は以上の
ような諸問題にかんがみてなされたもので、光合成生物
を培養するために必要な光を、光合成生物の種類に応じ
て、培養槽内に均一かつ効率良く供給することを可能と
し、光合成生物を最適光条件下で培養するとともに、大
量培養化を可能とすることにより、光合成による有用物
質の低コストでの生産、および炭酸ガスの効率的固定化
を実現することができる光合成生物の培養装置を提供す
ることを［！とする。

［１！ｉ！を解決するための手段］ すなわち本発明は、光合成生物および培養液を収容した
培養槽内に光および炭酸ガスを供給してこの光合成生物
を培養する光合成生物の培養装置であって、上記培養槽
内に可動式発光体を設けたことを特徴とする光合成生物
の培養装置である。

なお、この可動式発光体を透明材料から構成するととも
に、この可動式発光体に上記培：４Ｍ外部から光を伝送
する構成とすることができる。

また、上記可動式発光体にランプを内蔵した構成とする
ことができる。

上記可動式発光体の可動方式としては任意のものを採用
可能であるが、たとえばこれを培養槽内で回転させる、
あるいは往復動させる等の機構とすることができる。

［作用コ 本発明による光合成生物の培養装置においては、外部か
ら伝送してきた光を培養槽内部に照射する可動式発光体
、あるいはランプ等の発光器を内蔵した可動式発光体そ
の他任意の構成の可動式発光体を、培養槽内で動かしな
から、光照射を行うこととしたので、培養液内の光合成
生物に対して光源が接近するものである。したがって所
定周期内で可動式発光体が移動を行うことにより、培養
槽内の光合成生物に均一にかつ効率良く光を供給し、最
適光条件下で光合成生物を培養することができる。

しかも、この可動方式は従来のように培養液をかくはん
、混合することを第−義的な目的で行うものではないた
め、光合成生物の種類に応じて、あるいは単位時間あた
りの光照射量や培養液の内容に応じて、可動式発光体の
移動速度を適宜設定することにより生物体の損傷を防止
しつつ培養槽内全体に光を照射供給することができる。

もちろん、可動式発光体が培養槽内を移動することによ
り培養液をかくはん、混合することにはなるので、培養
液ないしは光合成生物自体を培養槽内で均一に分布させ
る副次的な効果もある。

かくして所望容量の培養槽を用いてもその内部に充分か
つ均一な光を供給可能であり、大量培養による効率的か
つ低コストでの培養が可能となる。

［実施例コ つぎに本発明の第一の実施例による光合成生物の培養装
置１を第１図および第２図にもとづき説明する。

第１図は光合成生物の培養装置１の全体を示す一部断面
側面図、第２図は第１図ｎ−ｎａｌ！ｉ面図であって、
光合成生物の培養装置１は所定容量の反応器本体つまり
培養槽２と、集光器３と、波長選択器４と、熱線除去器
５と、光量制御装置６と、光伝送ケーブル７と、かくは
んモータ８と、伝送光接続器９と、光伝送軸１０と、可
動式発光体１１とを有する。

集光器３は、太陽光ＳＬないしは人工光源光ＡＬのいず
れか一方あるいはその両方を適当な時間間隔で集光する
ためのもので、反射ミラー等によりこれを構成する。

波長選択器４は、この集光器３により取り入れた光のう
ち、光合成生物の種類に応じて、必要であれば紫外線等
の有害光線を除去するとともに、光合成に最適な波長の
光、たとえば波長４００〜７００ｎｍの光を供給可能と
するものである。

熱線除去器５は、培養槽２内に光を導入することによる
培養４ｗ２内の温度上界をできるだけ防止するために、
赤外線等の熱線をあらかじめ除去するものである。ただ
し、培養槽２を恒温漕１２等（第１図の仮想線）の水内
に収容する構成と併用することもできるし、この熱線除
去器５はこれを省略してもよい。

光量制御装置６は、培養槽２内に収容した光合成生物を
含む培養液１３に応じて、供給する光量および照射時間
ないしは照射タイミング（連続あるいは間欠照射等）を
制御するもので、培養液１３内に設置した光量センサ１
４による検出信号によりフィードバック制御するように
しである。

光伝送ケーブル７は、上記培養槽２内の培養液１３に所
定の光量を伝送供給するためのもので、光ファイバーあ
るいはミラー導管その他の光伝送可能な材料によりこれ
を構成する。

なお、この光伝送ケーブル７から培養槽２内に光りを供
給する光路として二経路、すなわち伝送光接続器９およ
び光伝送軸１０を介して可動式発光体１１に伝送する第
一の光路７Ａ、培養槽２の側面に伝送する第二の光路７
Ｂ、および培養槽２の底面に伝送する第三の光路７Ｃを
設けることによって、より効率的に光を培養槽２内に伝
送可能としである。培：Ｉｌ！ｆｌＦ２の上部から伝送
される光りは伝送光接続器９において光伝送軸１０に接
続伝送され、光伝送軸１０がかくはんモータ８により回
転されることにより可動式発光体１１も培養槽２内の中
心部において回転する。

可動式発光体１１は、第２図に示すように平板状のもの
で、石英、ガラス、アクリル等の透明材料によりこれを
構成する。なお、可動式発光体１１の材質としては蒸気
滅菌、滅菌操作に耐えるものを用い、培養槽２内部を滅
菌することにより光合成生物を無菌的に純粋培養するこ
とが可能である。

また可動式発光体１１の形状は平板状に限らず棒状ある
いは球状その他任意であり、培養槽２、光合成生物、培
養液１３等を勘案して光の供給およびかくはんに適した
ものを採用する。たとえば、第１図に仮想線で示すよう
に可動式発光体１１に所定数の長窓１１．　Ａを形成す
ることによりかくはん効率を向上させることもできる。

この光合成生物の培養装置１の回転速度は、培養液１３
をかくはんするという目的ではなく。

可動式発光体１１による光りの供給という主目的に沿っ
て、培養液１３内の光合成生物を損傷しない範囲のもの
とすることができる。

なお、可動式発光体１１の周囲に位置して培ｌＮｌＦ２
の内壁にはバッフル板１５を突出するように設ける（第
２図も参照）。このバッフル板１５と可動式発光体１１
との相対関係によって培養液１３をできるだけ均一にか
くはん可能であるとともに、光りを培養液１３内に均一
に供給可能である。さらに、バッフル板１５を透明材料
から構成し、これに光伝送ケーブル７から光りを供給す
ればより充分な光りを供給することができる。

培養槽２の底部にはガススパージャ−１６を配置し、こ
のガススパージャ−１６にガス入口管１７、除菌フィル
ター１８および入口バルブ１９を介して炭酸ガスＣを供
給可能とする。すなわち、ガススパージャ−１６の供給
穴２０から培養槽２の培養液１３に炭酸ガスＣを供給す
る。なお培養槽２内の発生ガスは、除菌フィルター２１
および出口バルブ２２を介してガス出口管２３からこれ
を排出する。

ガス入口管１７から供給する炭酸ガスＣとしては工場、
製鉄所、火力発電所等からの排気ガスを用いることがで
きるが、炭酸ガスＣ固定を必要とする任意のガス供給源
をガス入口管１７に接続することができる。前処理が必
要であればこれを行う。また培養液１３による光合成生
物の生成物が培養目的であれば、純粋な炭酸ガスＣを供
給することとしてもよい。

こうした構成の光合成生物の培養装置１において、集光
器３を介して取り入れ、波長選択器４、熱線除去器５、
光量制御装置６により前処理した光りを、伝送光接続器
９および光伝送軸１０を介して可動式発光体１１に伝送
するとともに、光伝送ケーブル７を介してバッフル板１
５およびガススパージャ−１６部分に伝送する。これと
同時にガス入口管１７から炭酸ガスＣを培養槽２内の培
養液１３に供給する。かくして光りと炭酸ガスＣとの存
在下において、培養液１３内の光合成生物により光合成
が行われるとともに、炭酸ガスＣの固定化が行われる。

しかして、可動式発光体１１が所定周期で回転するので
、培養液１３内の光合成生物に向かって光源が移動して
行くため、培養槽２内に供給される光りは浮遊している
光合成生物に均一に供給されることとなり、培養槽２内
において光りの供給が不十分という部位が生ずることは
ない。すなわち、可動式発光体１１が静止状態ではこの
可動式発光体１１から遠隔位置にある部分において光強
度が低い部分が存在していても、可動式発光体１１の回
転によりこれが移動してくることにより当該位置におい
ても光強度が高くなる。こうした可動式発光体１１の運
動が連続して行われることにより結果的に相対的な光強
度の不均一分布がなくなるものである。

かくして、この培養装置１においては可動式発光体１１
が移動することにより光りを培養Ｎ２内に均一に照射す
るとともに、培養液１３と光合成生物とをかくはん、混
合することができるため、培養液１３内のすべての光合
成生物が常に一定した均一の光りを受光することができ
、安定した光環境下で培養を行うことができる。

しかも、従来の不動式発光体方式に比較してかくはん力
、混合力はきわめて小さくてすむため、省エネルギーで
あるとともに、光合成生物に過剰なせん断力が加わらず
、その損傷を防ぐことができ、せん断力に非常に弱い光
合成生物の培養にも適している。

さらに、可動式発光体１１自体が回転運動を行うため、
その運動により生じる液流によってその表面が常に洗浄
される付加的効果もあり、不動式発光体のようにその表
面に光合成生物が付着して光照射効率を低減させること
もなく、常に高強度の光を安定して、長期間照射するこ
とができる。

また、本発明の培養装置１では、培養する光合成生物の
種類、培養時の生物濃度、必要照射光量に合わせて、可
動式発光体１１の形状、大きさ等を任、意に設定すれば
、所望容量の培養層２にもスケールアップすることがで
きるとともに、省スペース等の効率的構造も実現可能で
ある。

なあ、伝送ケーブル７の数ないしは培養槽２への接続位
置を適宜選択することにより、光照射効率をさらに向上
させることが可能である。

上述の第一の実施例においては光源として培養Ｍ２の外
部からの太陽光ＳＬや人工光源光ＡＬを用いた場合を説
明したが、本発明においては他の構成を取ることができ
る。

たとえば第３図および第４図は本発明の第二の実施例に
よる光合成生物の培養装置３０を説明するもので、第３
図は光合成生物の培養装置３０の全体を示す一部断面側
面図、第４図は第３図のＩＶ−ｒＶ線断面図であって、
以下第１図および第２図と同様の部分には同一符号を付
し、その詳述はこれを省略する。

この光合成生物の培養装置３０においては、可動式発光
体１１に相当する可動式発光体３１内部に発光源たとえ
ばハロゲンランプ、キセノンランプ等のランプ３２を内
蔵しである。このランプ３２は、培養する光合成生物の
種類に応じて光合成反応に最適な光波長帯を選択可能な
透明材質によりその外表面を被覆している。

このランプ３２に電力を供給するためのランプ光量制御
装置３３を設け、このランプ光量制御装置３３を電気ケ
ーブル３４、伝送光接続器９に相当する電気接点器３５
．光伝送軸１０に相当する電線内蔵軸３６によりランプ
３２に接続しである。なおバッフル板１５の内部にもラ
ンプ３２を内蔵可能である。図示していないが、ガスス
パージャ−１６内に内蔵してもよい。

この可動式発光体３１の形状、この可動式発光体３１内
に内蔵されているランプ３２の形状、本数および内蔵方
式等は、培養する光合成生物の種類や、培養条件および
培養ｆｌＦ２の形状等に応じて、培養槽２内部に均一に
光りを照射することができるように適宜これを設定する
。

こうした構成の光合成生物の培養袋Ｍ３０においても、
前述の光合成生物の培養装置１と同様に、可動式発光体
３１が光合成生物に向かフて移動するので、培養槽２内
の培養液１３に均一に光りを供給可能である。

さらに光量センサ１４からの検出信号により培養１１Ｆ
２内部の光量あるいはランプ３２の照射強度を自動的に
制御することにより、培養槽２の光量を所望の値に自由
に設定、調節可能である。

この光合成生物の培養装置３０は光源内蔵型であるので
、とくに太陽光ＳＬ等が不十分あるいは不規則な地方に
最適である。

本発明においては、可動式発光体１１．３１の可動方式
は任意であり、回転方式に限らず、上下方向や水平方向
への往復移動方式、回転方向逆転方式、その他を採用可
能である。要するに、培！！Ｍ２内部の培養液１３内の
光合成生物に均一に光りを供給することができるように
可動式発光体１１ないしは３１を可動とするものである
。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、光合成生物を培養し、ま
た炭酸ガスを固定するにあたり、光を供給する方式とし
て可動式発光体を培養槽内で移動させることとしたので
、従来の培養装置に比較してはるかに高濃度で、かつ高
速に、しかも生物体に損傷を与えることなく、培養液内
に必要充分な光を常に均一かつ効率的に供相することが
でき、高密度化培養による有用物質の効率的な大量生産
用バイオリアクターおよび効率的炭酸ガス固定用バイオ
リアクターを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例による光合成生物の培養
装置１の全体を示す一部断面側面図。 第２図は第１図ｎ−ｎ線断面図 ｆＪ３図は本発明の第二の実施例による光合成生物の培
養装置３０の全体を示す一部断面側面図、第４図は第３
図の■−ｒＶ線断面図である。 １　、、、、、、光合成生物の培養装置２　、、、、、
、培養槽（反応器本体）３　、、、、、、集光器 ４　、、、、、、波長選択器 ５　、、、、、、熱線除去器 ６　、、、、、、光量制御装置 ７　、、、、、、光伝送ケーブル ７Ａ、、、、第一の光路 ７　Ｂ　、、、、第二の光路 ７Ｇ、、、、ｆＪ三の光路 ８　、、、、、、かくはんモータ ９　、、、、、、伝送光接続器 １０、、、、、、光伝送軸 １１　、、、、、、可動式発光体 １１Ａ、、、、長窓 １２、、、、、、恒温槽 １３　、、、、、、光合成生物を含む培養液１４　、、
、、、、光量センサ １５、、、、、、バッフル板 １６　、、、、、、ガススパージャ− １７、、、、、、ガス入口管 １８　、、、、、、Ｍ菌フィルター １９　、、、、、、入口バルブ ２０　、、、、、、供給穴 ２１　、、、、、、除菌フィルター ２２　、、、、、、出口バルブ ２３　、、、、、、ガス出口管 ３０　、、、、、、光合成生物の培養装置３１・・・・
・・可動式発光体 ３２　、、、、、、ランプ ３３　、、、、、、ランプ光量制御装置３４　、、、、
、、電気ケーブル ３５、、、、、、電気接点器 ３６、、、、、、電線内蔵軸 Ｃ，、、、、、、、炭酸ガス Ｓ　Ｌ、、、、、、太陽光 ＡＬ、、、、、、人工光源光 り、、、、、、、、供給光 特許出願人　住友重機械工業株式会社 復代理人　弁理士　池澤　寛 第 図 第 図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）光合成生物および培養液を収容した培養槽内に光
   および炭酸ガスを供給してこの光合成生物を培養する光
   合成生物の培養装置であって、前記培養槽内に可動式発
   光体を設けたことを特徴とする光合成生物の培養装置。
2. （２）前記可動式発光体を透明材料から構成するととも
   に、この可動式発光体に前記培養槽外部から光を伝送す
   ることを特徴とする請求項（１）記載の光合成生物の培
   養装置。
3. （３）前記可動式発光体にランプを内蔵したことを特徴
   とする請求項（１）記載の光合成生物の培養装置。
4. （４）前記可動式発光体を前記培養槽内で回転させるこ
   とを特徴とする請求項（１）記載の光合成生物の培養装
   置。
5. （５）前記可動式発光体を前記培養槽内で往復動させる
   ことを特徴とする請求項（１）記載の光合成生物の培養
   装置。