JPH089809A - 集光プラグ及びそれを用いた藻類培養装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 藻類培養装置に使用される集光プラグ及びそ
れを用いた藻類培養装置に関する。 【構成】 集光レンズと反射壁を有する外部からの光を
受け入れる入光部と、該入光部と一体に形成された該入
光部からの光を受け培養槽内へ照射する出光筒を有して
なることを特徴とする集光プラグ及び培養槽内の培養液
中に分散させた藻類に光を照射して培養する藻類培養装
置において、外部からの光を受け培養槽中へ出光するた
めの手段として前記集光プラグを使用して構成してなる
ことを特徴とする藻類培養装置 【効果】 簡単な構造で効率のよい集光、出光が可能
で、種々の光照射条件に適用が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は藻類培養装置に使用され
る集光プラグ及びそれを用いた藻類培養装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年藻類の生産する有用物質の利用、大
気中の炭酸ガスの固定などの観点から藻類を大量かつ高
密度で培養する技術が種々検討されている。クロレラな
どの緑藻類に代表される藻類の培養に当たっては、自然
光としての太陽光や電気ランプなどの人工光が必要であ
る。図１９は従来の培養装置の概略を示す説明図であ
る。図１９（ａ）において太陽光または電気ランプなど
の人工光はフレネルレンズなどの集光装置１で集光さ
れ、光変換部２でファイバ分光される。その後、光ファ
イバ３で培養槽４へ送られる。培養槽内には藻類を分散
させた養液が循環しており、藻類は養液中で受光して成
育する。図１９（ｂ）の例は集光装置に太陽光追尾装置
５を設けたもので、集光面を太陽光に自動対面させて、
集光エネルギの増大を図ったものである。装置の大型化
に際してはこれらの装置を１ユニットとし、複数のユニ
ットにより装置を構成させる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の技術には次
のような問題点があった。 （１）一定方向に整光するための集光システムが必要で
あり、集光効率が低いために、装置を保持するための構
造体などを含めると大型でコストの高い集光装置が必要
である。 （２）光ファイバからの放出光の制御はファイバの本数
と間隔のみで行われるので自由度が小さく、藻類の成長
に伴った適切な放出光の制御が困難である。 （３）円筒状の光ファイバから出光されるため、培養槽
内の光エネルギの分布が不均一である。 （４）培養槽の数、すなわち集光能力は、一旦設定する
と容易に増減することができない。 本発明は、前記従来技術の問題点を解決し、簡単な構造
で効率のよい集光、出光が可能で、種々の光照射条件に
適用可能な集光プラグ及びそれを用いた効率のよい藻類
培養装置を提供しようとするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、（１）集光レ
ンズと反射壁を有する外部からの光を受け入れる入光部
と、該入光部と一体に形成された該入光部からの光を受
け培養槽内へ照射する出光筒を有してなることを特徴と
する集光プラグ、（２）出光筒の形状が円筒形、段付き
形、水平切り込み形、二重筒形、細分割形、細分室形成
形又は多層円板形のいずれかであることを特徴とする前
記（１）の集光プラグ及び（３）培養槽内の培養液中に
分散させた藻類に光を照射して培養する藻類培養装置に
おいて、外部からの光を受け培養槽中へ出光するための
手段として前記（１）又は（２）の集光プラグを１個若
しくは複数個使用して構成してなることを特徴とする藻
類培養装置である。

【０００５】以下、本発明の集光プラグ及び藻類培養装
置について図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発
明の集光プラグの基本的な構成を示す説明図である。図
１（ａ）の集光プラグ１１において、凸レンズ又はフレ
ネルレンズよりなるレンズ６を有する入光部には円錐状
の反射壁７が設けられており、この入光部に培養槽４
（図１（ｃ）参照）への固定具８を介して出光筒９が一
体に形成されている。また、出光筒９の先端部にも培養
槽４への固定具１０が取り付けられている。この固定具
８の位置は入光部と出光筒９との境界部に限らず、培養
槽４への取り付け条件により任意の位置に設ければよ
い。例えば図１（ｂ）のように頭部に設けてもよく、ま
た図１（ｃ）のように先端部の固定具１０を省略するこ
ともできる。

【０００６】入射角γでレンズ６に入った光は屈折し
て、出光筒９の壁面に当たり一部は培養槽４内へ出光
し、残部は出光筒９内を反射角αで反射しながら出光筒
９内を進行する。なお、出光筒９はガラス系あるいはア
クリル樹脂等のプラスチック系などの材料よりなり、そ
の壁面には反射率と透過率とを適当な配分比とするよう
な被覆表面処理が施されて、培養槽４内への出光が制御
されている。

【０００７】図２は本発明の藻類培養装置の基本的な構
成を示す説明図である。図２（ａ）の実施態様では培養
槽４の上下壁面に、固定具８、１０によって複数個の集
光プラグ１１が取り付けられている。このように複数個
の集光プラグ１１が１つの培養槽４に取り付けられて１
ユニットを形成し、図２（ｂ）に示すようにこれらを併
設することによって培養装置の大型化を行うことができ
る。また、図２（ｃ）に示すように、リザーバ１２を設
置し、養液がポンプ１３を有する循環ループ１４を経
て、培養槽４とリザーバ１２との間を循環するようにし
て培養を行い、成長した藻類はリザーバ１２内の分離装
置（図示せず）を経て生成物抜取りライン１５から抜出
すようにすることにより連続培養が可能である。なお、
図２（ｃ）の例では培養槽４とリザーバ１２とを一体に
形成しているが、培養槽４とリザーバ１２とを分離し、
配管で連通させた形式としてもよい。

【０００８】集光プラグの出光筒としては各種藻類の成
育条件に合わせて各種の形状のものが使用できる。図３
〜図８に出光筒の形状を変えて出光位置、出光量を変化
させた集光プラグの例を示す。図３は出光筒の形状を段
付き形とした例である。図３（ａ）は段付き部の端面か
らの出光状況を示し、図３（ｂ）は側面からの出光状況
を示す。図１のように円筒形の出光筒の場合には、出光
筒の中心軸に平行な光は下端面から出光されるのみであ
るが、このように段付き形とすることにより側方への出
光も可能となる。即ちこの形式では端面出光率と側面出
光率の制御が容易である。

【０００９】図４は水平切り込み形の１例としての三角
切り込み形集光プラグの概略側面図である。図１の例で
は入射角γに対する反射角αは一定であるが、この形で
は切り込みにより側面の傾斜を変えることにより、入射
角γに対する反射角αの制御が可能である。反射角αで
反射する光は出光筒の被覆条件によって一部を透過させ
ることができる。なお先端のｗは空間部である。空間部
ｗは屈折率、反射率の変化を与えるためのものであるの
で、空洞でもよいし、別途素材を充填してもよい。図５
は空間部ｗを大きくすることによって出光筒を二重の構
造としたもので、培養槽内の光分布均一化に特に効果が
ある。なお、先端に近いＡ部を二重筒とせず、直径ｄの
細円筒としてもよい。

【００１０】図６は出光筒の大部分を細分割したもの
で、図の例では細円筒に分割した形となっている。この
形では表面積が増加するので光の減衰を小さくして、液
量に対するプラグ容積をコンパクトにすることができ
る。図６（ａ）は側面図、図６（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ
面の断面図である。側面出光の場合、細円筒の直径ｄと
ピッチｔの比ｄ／ｔが培養能力を規定するので、このｄ
／ｔの選択により培養槽の最適寸法が決定される。

【００１１】図７は出光筒の大部分を縦方向に切り込み
を入れた形状とし、隣接する出光筒との間で細分室を形
成させる形である。図７（ａ）は側面図、図７（ｂ）及
び（ｃ）は（ａ）のＩＩ−ＩＩ面の断面図である。この
形式では隣接する出光筒との間で培養槽内に細分室Ｂが
多数形成され、高密度の光エネルギを藻類に与えること
ができる。

【００１２】図８はさらに培養槽内の細分化を図ったも
ので、図８（ａ）は多層円板形、図８（ｂ）は内筒空洞
付き多層円板形ので出光コントロールを改善する場合の
一例側面図であり、図８（ｃ）及び（ｄ）は（ａ）のＩ
ＩＩ−ＩＩＩ面の断面図の例である。円板の上下面に溝
Ｃを設ければ、さらに培養条件最適化の自由度が増す。
図８（ｃ）は放射溝、（ｄ）は平行溝が穿設された例で
ある。この他にも碁盤状溝等種々の形が考えられるが、
それらの形態は培養条件等に合わせて任意に最適のもの
を採用すればよい。図９は円錐状空洞ＣＡと散光板ＬＰ
を組み合わせた例で、図９（ａ）は側面図であり、図９
（ｂ）は（ａ）のＩＶ−ＩＶ面の断面図である。

【００１３】以上図３から図９まで出光筒９の形状につ
いて実施態様を示したが、これらは出光筒９の形状は培
養条件等に合わせて任意に、最適の形状に成形すればよ
いことを示したもので、本発明はこれらの例に限定され
るものではない。

【００１４】レンズ６、反射壁７及び出光筒９の大きさ
の関係は、図３〜図７のような形状では図１のように、
出光筒の径を反射壁の下端の径とほぼ等しくなるように
し、レンズの径は出光筒の径より大きくして集光量を多
くしている。また、図８及び図９のような形状を採る場
合には、出光筒の径はレンズと反射壁下端の径の間で適
当に定めればよい。図１０の例では、出光筒９の張出部
とほぼ同径の固定具８を設け、培養槽４内に挿入し固定
具８で固定するようにし、レンズ６及び反射壁７はそれ
より大径として集光量を増大させている。しかしなが
ら、レンズ６と出光筒９の大小関係は自由に選択でき、
ここで例示したものはその大小関係を規定するものでは
ない。

【００１５】固定具８の位置と数は自由に設定すること
ができ、培養装置への挿入、締結のしやすい仕様を選べ
ばよい。例えば図１１のように培養槽４内の出光筒９の
途中で支持させることもできる。図１１の場合、固定具
８で区分されるＩ及びＩＩの領域で種類の異なる藻体を
培養することも可能で、さらに必要により複数の段に分
割することもできる。

【００１６】図８の多層円板形出光筒において、円板の
形状は任意であるが、目的は光の均一化と培養液の区分
である。図１２は区分の状況を示す説明図である。図１
２の例では、ｗとｚの領域で培養域が区分できる。図１
２の（ｂ）のような形状のｗ域ではほとんど全周から光
を採り入れることができる。また、ｚ域では図１２
（ｃ）に示すような１本の集光プラグの分割素が培養域
を取り囲み、図１２の（ｄ）及び（ｅ）に示すような状
況となり、ほとんど全方向から光を採り入れることがで
きる。更に光の投入量を増やす必要があるときには、別
途小口径の集光プラグを併用し、９ｘの出光筒を追加す
ればよい。培養域ｚの容積（ω×ｔ）と光の強さは、培
養する藻類により、最適なものを採用する。

【００１７】次に図９の形式の出光筒を有する集光プラ
グを組合わせて使用する例を図１３に示す。図１３
（ａ）のように並設した場合、図１３（ｂ）及び（ｃ）
のようにｗ1 及びｚ1 の分割域が立体的に形成される。
この場合も９ｘの出光筒を併用して光照射条件を改善す
ることができる。

【００１８】図１４にレンズ６の形状と組み合わせ方式
の例を示す。単純配列の図１４（ａ）の場合、培養槽内
では出光筒９の相互間距離が図の斜線部のように大きく
離れてしまう。図１４（ｂ）のような千鳥配列とすれば
斜線部の面積はやや小さくなり若干改善される。さらに
高密度の光照射を必要とする場合には、図１４（ｃ）及
び（ｄ）に示すような任意の形状のレンズを有する出光
筒９ｘを補うことで、光照射のデッド・エリアを無く
す、出光筒の追加による光量の増加を図ることができ
る。図１４（ａ）又は（ｂ）における斜線部の改善が必
ずしも必要でないときにはレンズ６の形状を図１４
（ｅ）のような４角形あるいは６角形その他の多角形と
し、集光面積を大きくし、集光量を増加させることがで
きる。なお、光照射密度を高くする方法として、図１４
（ｂ）あるいは（ｃ）のように同方向からレンズ口径の
小さい集光プラグを挿入する方法のほか、図１５（ａ）
及び（ｂ）に示すように反対方向から同形あるいは任意
の大きさの集光プラグ１１及び１１ｘを挿入する方式を
採ることもできる。

【００１９】これら集光プラグを培養槽内に挿入し固定
具により固定することによって藻類培養装置を構成す
る。藻類培養装置の構成例としては先ず図２（ａ）及び
（ｂ）に示すような矩形水平配置型がある。これにリザ
ーバ１２を取り付け、ポンプ１３により循環ループ１４
を通して培養液を循環させ、生成物抜取りライン１５か
ら成育した藻類を取り出すようにした連続培養装置とす
ることもできる。また、図１６の（ａ）のように矩形の
培養槽の両側から集光プラグを挿入した矩形縦配置型、
図１６（ｂ）のように円筒形の培養槽にレンズ面を外に
向け、出光筒を円筒の中心に向けて挿入した形の円筒縦
配置型、さらにこの円筒を円錐台とした図１６（ｃ）の
ような円錐台縦型に構成することもできる。

【００２０】本発明の藻類培養装置は、これらの例に限
定されるものではなく、光照射量などそれぞれの藻類に
適した培養条件、培養装置の設置条件などに応じて任意
に設計することができる。装置の大型化に際しては、前
記のように構成した培養装置を１ユニットとして複数個
配列させればよい。多数配列の例を図１７に示す。図１
７の（ａ）は単純な縦型配列、図１７（ｂ）は太陽光に
向けた傾斜配列型である。なお、図１６及び図１７にお
いて、点線の矢印はこの方向に同一の集光プラグ又は培
養装置のユニットが配列されていることを示す。

【００２１】本発明の集光プラグを構成するレンズの頭
部形状は、使用条件等に応じて任意の形に成形すること
がせきる。図１８にレンズの頭部形状の例を示す。基本
形は図１８（ａ）の凸レンズあるいは図１８（ｂ）のフ
レネルレンズであるが、その他各方向からの傾斜光につ
いて配慮した形状のものも使用することができる。図１
８の（ｃ）及び（ｄ）は円錐形、（ｅ）は斜面レンズ、
（ｆ）は表面を鏡面処理面（Ｍ）とした斜面レンズであ
る。これらの立体形状レンズは、図１８の（ａ）及び
（ｂ）のレンズでは横方向からの入射光を取り込む能力
に欠けるのでこの点を改善したものであり、プラグ軸に
垂直な横方向の入射光をも出光筒９へ導入することがで
きる。この系統のレンズは図１６及び図１７に示した縦
型配置の装置のように太陽光が上から射す場合に必要で
ある。

【００２２】

【作用】本発明の集光プラグでは、レンズによって集光
された光エネルギは、光ファイバを介することなく直接
出光筒から培養槽内へ出光される。また、出光筒の形状
は藻類成育に合わせて最適のものが選択できるので、放
出光の制御が容易となり、さらに培養槽内へ立体的にも
均一な光エネルギが放出される。本発明の集光プラグ及
び培養装置は、太陽光を利用する場合についての改善効
果が大きいが、培養槽内部への光の出光方式も改善され
ているので、人工光（ランプ）を使用する場合について
も有効である。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば次の様な効果がある。 （１）集光と出光が一体化され、いわゆる集光装置（保
持構造体を含む）が不要となり、藻類培養装置のコスト
が低減できる。 （２）出光筒の形状を自由に選択することができ、藻類
の成育に最適な光量を藻類培養槽内の任意の個所に照射
することができる。 （３）立体的な出光が可能となり、槽内の光エネルギの
分布を最適化でき、高密度の照射が可能となる。 （４）集光効率は１００％に近くなり、入射光は全て培
養槽内へ出光される。 （５）集光プラグの培養槽への着脱が容易で、装置の維
持費が安くなる。また、密閉構造にも対応が可能であ
る。 （６）大径、小径レンズのプラグの組み合わせ、あるい
は多角形レンズの採用によって、光照射条件を改善する
ことができる。 （７）縦型とすることで多数配置が可能で、立体形状の
レンズと併用すれば光の取り込み量を増大させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る集光プラグの基本的な構成を示す
概略説明図。

【図２】本発明に係る藻類培養装置本体の基本的な構成
を示す概略説明図。

【図３】段付き形集光プラグの例を示す概略側面図。

【図４】三角切り込み形集光プラグの概略側面図。

【図５】二重筒形集光プラグの１例を示す概略側面図。

【図６】細分割形集光プラグの概略説明図。

【図７】細分室形成形集光プラグの概略説明図。

【図８】多層円板形及び内筒付き多層円板形集光プラグ
の概略説明図。

【図９】円錐状空洞及び散光板付き集光プラグの概略説
明図。

【図１０】多層円板とほぼ同径の固定具を設置した集光
プラグの概略説明図。

【図１１】出光筒の途中に固定具を設けて区分した培養
槽の概略を示す説明図。

【図１２】多層円板形集光プラグの組合わせで培養域を
区分した例を示す概略説明図。

【図１３】図９に示す集光プラグを用いて培養域を区分
した例を示す概略説明図。

【図１４】レンズの形状と組み合わせ方式の１例を示す
概略平面図。

【図１５】集光プラグの組み合わせ方の例を示す概略説
明図。

【図１６】複数個の集光プラグを配置した藻類培養装置
の構成例を示す概略説明図。

【図１７】複数個の培養装置ユニットによる藻類培養装
置の構成例を示す概略説明図。

【図１８】レンズの頭部形状の例を示す概略説明図。

【図１９】従来の培養装置の概略を示す説明図。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 集光レンズと反射壁を有する外部からの
   光を受け入れる入光部と、該入光部と一体に形成された
   該入光部からの光を受け培養槽内へ照射する出光筒を有
   してなることを特徴とする集光プラグ。
2. 【請求項２】 出光筒の形状が円筒形、段付き形、水平
   切り込み形、二重筒形、細分割形、細分室形成形又は多
   層円板形のいずれかであることを特徴とする請求項１に
   記載の集光プラグ。
3. 【請求項３】 培養槽内の培養液中に分散させた藻類に
   光を照射して培養する藻類培養装置において、外部から
   の光を受け培養槽中へ出光するための手段として請求項
   １又は２に記載の集光プラグを使用して構成してなるこ
   とを特徴とする藻類培養装置。
4. 【請求項４】 培養槽に複数の集光プラグを取り付けて
   なることを特徴とする請求項３に記載の藻類培養装置。