JP2012023978A - 光合成微生物培養装置および光合成微生物培養方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バイオマスの生産を効率よく行うことができる光合成微生物培養装置を提供する。
【解決手段】光合成微生物培養装置１は、培養槽２と、当該培養槽２内を循環する培養液ＭにＣＯ₂含有ガスを供給するＣＯ₂含有ガス供給手段５と、を有する光合成微生物培養装置であって、前記培養液Ｍの溶存ＣＯ₂濃度を計測する溶存ＣＯ₂濃度計３を有し、前記溶存ＣＯ₂濃度計３で計測した溶存ＣＯ₂濃度に応じて前記ＣＯ₂含有ガスを供給することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光合成微生物培養装置および光合成微生物培養方法に関する。

現在、燃焼機関の多くは化石燃料を利用している。化石燃料のエネルギーとしての利用は、地中に固定されている炭素源を二酸化炭素（ＣＯ₂）ガスとして大気中へ放散することにつながる。ＣＯ₂ガスは、温室効果ガスのひとつとされ、地球温暖化の要因とされている。また、化石燃料は有限な資源であるため、枯渇の問題もある。

そのため、ＣＯ₂ガスの排出量を抑制するための技術の開発や、大気中のＣＯ₂を固定して大気中のＣＯ₂濃度を低減するための技術の開発が大いに進められている。

特に、バイオマス由来の原料から生産されたバイオエタノールやバイオディーゼル燃料、バイオジェット燃料といったバイオ燃料の生産とその利用に対する技術の開発に対する期待が高まっている。

バイオ燃料の原料となるバイオマスとして大豆、トウモロコシ、パームなどの可食性作物を利用することやジャトロファ、カメリナなどの非食性植物を利用することもできるが、可食性作物の利用は食糧不足への懸念から問題となっており、非食性植物の利用は単位面積当たりの生産量が低いことが問題となっている。

一方、池や沼に広く生息する光合成微生物や原生動物は、植物と同様の光合成能を持ち、水と大気中のＣＯ₂から油脂や炭水化物といったバイオマスを生合成し、細胞内に数十質量％蓄積する。その生産量は、植物に比べて高く、単位面積当たりで、これらの生産量が高いと言われるパームの１０倍以上あることが知られている。

光合成微生物や原生動物の培養は、屋外において開水路で行われることが多く、培養液には、ＣＯ₂含有ガスを供給するＣＯ₂含有ガス供給手段からＣＯ₂含有ガスを供給する場合もある。

このような開水路での培養は、ＣＯ₂含有ガス供給手段によるＣＯ₂含有ガスの供給効率が悪く、また、開水路であるため培養液と大気の気液界面においてＣＯ₂濃度平衡が起こる。したがって、光合成によってＣＯ₂ガスが固定化されることとも相俟って、ＣＯ₂含有ガス供給手段から遠ざかるほど（培養液が循環する場合は、下流になるほど）培養液中のＣＯ₂濃度は低くなり、バイオマスの生産が効率よく行われない状況となる。

特許文献１には、高濃度のＣＯ₂雰囲気下で生育することが可能なユーグレナ属に属する原生動物の培養に、０．０３〜８０％、より好ましくは４０〜８０％といった高濃度のＣＯ₂を含むガスや化石燃料の使用で発生する排気ガスを利用し、光合成によって固定することでＣＯ₂量を削減する方法が記載されている。そして、特許文献１によれば、ＣＯ₂を含む気体からＣＯ₂を効率良く資化固定して、当該気体のＣＯ₂を除去することが可能になる旨が記載されている。

特開平７−２０３９４８号公報

特許文献１には、ユーグレナ属に属する原生動物に高濃度のＣＯ₂含有ガスを通気して培養することは記載されているものの、培養時における培養液中の溶存ＣＯ₂濃度を適切に維持管理する手段や方法などについての記載はなく、バイオマスの生産が効率よく行われないおそれがある。

本発明は前記状況に鑑みてなされたものであり、バイオマスの生産を効率よく行うことができる光合成微生物培養装置および光合成微生物培養方法を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る光合成微生物培養装置は、培養槽と、当該培養槽内を循環する培養液にＣＯ₂含有ガスを供給するＣＯ₂含有ガス供給手段と、を有する光合成微生物培養装置であって、前記培養液の溶存ＣＯ₂濃度を計測する溶存ＣＯ₂濃度計を有し、前記溶存ＣＯ₂濃度計で計測した溶存ＣＯ₂濃度に応じて前記ＣＯ₂含有ガスを供給することを特徴としている。

（２）前記（１）に記載の光合成微生物培養装置においては、光強度を計測する光強度計を有し、当該光強度計で計測した光強度と前記溶存ＣＯ₂濃度に応じて前記ＣＯ₂含有ガスを供給するのが好ましい。

（３）本発明に係る光合成微生物培養装置は、培養液にＣＯ₂含有ガスを供給しつつ培養槽内を循環させて光合成微生物を培養する光合成微生物培養装置であって、前記培養液の溶存ＣＯ₂濃度を計測する溶存ＣＯ₂濃度計と、前記溶存ＣＯ₂濃度計で計測した溶存ＣＯ₂濃度に応じてＣＯ₂含有ガスの供給量を制御するＣＯ₂含有ガス供給量制御手段と、前記ＣＯ₂含有ガス供給量制御手段によって供給量が制御されたＣＯ₂含有ガスを前記培養液に供給するＣＯ₂含有ガス供給手段と、を具備することを特徴としている。

（４）前記（３）に記載の光合成微生物培養装置においては、さらに、光強度を計測する光強度計を具備し、前記ＣＯ₂含有ガス供給量制御手段は、前記光強度計で計測した光強度と、前記溶存ＣＯ₂濃度計で計測した溶存ＣＯ₂濃度と、に応じてＣＯ₂含有ガスの供給量を制御するのが好ましい。

（５）前記（２）または（４）に記載の光合成微生物培養装置においては、前記光強度が光合成を行うのに十分でない場合には、前記ＣＯ₂含有ガスの供給を減少または停止するのが好ましい。

（６）前記（１）から（５）のうちのいずれか１つに記載の光合成微生物培養装置においては、前記溶存ＣＯ₂濃度計で計測される溶存ＣＯ₂濃度が１００〜４５０ｍｇ／Ｌとなるように前記ＣＯ₂含有ガスを供給するのが好ましい。

（７）前記（１）から（６）のうちのいずれか１つに記載の光合成微生物培養装置においては、循環する前記培養液との関係で、前記溶存ＣＯ₂濃度計を前記ＣＯ₂含有ガス供給手段の上流側に設けるのが好ましい。

（８）前記（１）から（７）のうちのいずれか１つに記載の光合成微生物培養装置においては、前記溶存ＣＯ₂濃度計および前記ＣＯ₂含有ガス供給手段を複数設けるのが好ましい。

（９）本発明に係る光合成微生物培養方法は、培養槽内を循環する培養液にＣＯ₂含有ガスを供給して光合成微生物を培養する光合成微生物培養方法であって、前記培養液の溶存ＣＯ₂濃度を計測し、計測した溶存ＣＯ₂濃度に応じて前記ＣＯ₂含有ガスを供給することを特徴としている。

（１０）前記（９）に記載の光合成微生物培養方法においては、光強度を計測し、計測した光強度と前記溶存ＣＯ₂濃度に応じて前記ＣＯ₂含有ガスを供給するのが好ましい。

（１１）本発明に係る光合成微生物培養方法は、培養液にＣＯ₂含有ガスを供給しつつ培養槽内を循環させて光合成微生物を培養する光合成微生物培養方法であって、前記培養液の溶存ＣＯ₂濃度を計測する溶存ＣＯ₂濃度計測ステップと、前記溶存ＣＯ₂濃度計測ステップで計測した溶存ＣＯ₂濃度に応じてＣＯ₂含有ガスの供給量を制御するＣＯ₂含有ガス供給量制御ステップと、前記ＣＯ₂含有ガス供給量制御ステップによって供給量が制御されたＣＯ₂含有ガスを前記培養液に供給するＣＯ₂含有ガス供給ステップと、を有することを特徴としている。

（１２）前記（１１）に記載の光合成微生物培養方法においては、前記溶存ＣＯ₂濃度計測ステップの前に、光強度を計測する光強度計測ステップを有し、前記ＣＯ₂含有ガス供給量制御ステップは、前記光強度計測ステップで計測した光強度と、前記溶存ＣＯ₂濃度計測ステップで計測した溶存ＣＯ₂濃度と、に応じてＣＯ₂含有ガスの供給量を制御するのが好ましい。

（１３）前記（１０）または（１２）のうちのいずれか１つに記載の光合成微生物培養方法においては、前記光強度が光合成を行うのに十分でない場合には、前記ＣＯ₂含有ガスの供給を減少または停止するのが好ましい。

（１４）前記（９）から（１３）のうちのいずれか１つに記載の光合成微生物培養方法においては、計測される前記溶存ＣＯ₂濃度が１００〜４５０ｍｇ／Ｌとなるように前記ＣＯ₂含有ガスを供給するのが好ましい。

本発明に係る光合成微生物培養装置および光合成微生物培養方法によれば、バイオマスの生産を効率よく行うことができる。

本発明に係る光合成微生物培養装置の一実施形態を説明する斜視図である。 ＣＯ₂含有ガスの供給量を制御する一実施形態を説明するフロー図である。 光合成微生物の溶存ＣＯ₂濃度に対するバイオマス生産量比を示すグラフである。なお、横軸は溶存ＣＯ₂濃度［ｍｇ／Ｌ］であり、縦軸はバイオマス生産量比である。 本発明に係る光合成微生物培養装置の他の実施形態を説明する斜視図である。 ＣＯ₂含有ガスの供給量を制御する他の実施形態を説明するフロー図である。 ＣＯ₂含有ガスの供給量を制御する他の実施形態を説明するフロー図である。 本発明に係る光合成微生物培養方法の一実施形態を説明するフロー図である。 本発明に係る光合成微生物培養装置の他の実施形態を説明する斜視図である。 本発明に係る光合成微生物培養装置の他の実施形態を説明する斜視図である。

以下、適宜図面を参照して本発明に係る光合成微生物培養装置および光合成微生物培養方法を実施するための形態について説明する。

＜光合成微生物培養装置＞
はじめに、図１を参照して本発明に係る光合成微生物培養装置の一実施形態について説明する。

図１に示すように、本発明に係る光合成微生物培養装置１は、培養槽２と、この培養槽２内を循環する培養液ＭにＣＯ₂含有ガスを供給するＣＯ₂含有ガス供給手段５と、を有する光合成微生物培養装置であって、培養液Ｍの溶存ＣＯ₂濃度を計測する溶存ＣＯ₂濃度計３を有し、この溶存ＣＯ₂濃度計３で計測した溶存ＣＯ₂濃度に応じてＣＯ₂含有ガスを供給するというものである。なお、図１中、培養液Ｍ中に示している矢印は培養液Ｍの流れの向きを表している。

本発明に係る光合成微生物培養装置１の構成を具体的に説明すると、図１に示すように、培養液ＭにＣＯ₂含有ガスを供給しつつ培養槽２内を循環させて光合成微生物を培養するものであって、溶存ＣＯ₂濃度計３と、ＣＯ₂含有ガス供給量制御手段４と、ＣＯ₂含有ガス供給手段５と、を具備している。

ここで、ＣＯ₂含有ガスは、大気中のＣＯ₂ガス濃度よりも高濃度であることが望ましいが、生産性が低くならない場合には大気をそのまま用いることができる。

培養槽２は、無終端開水路を用いるのが好ましいが、培養液Ｍを収容してこれにＣＯ₂含有ガスを供給しつつ当該培養槽２内を循環させて溶存ＣＯ₂濃度の均一化を図ることができるものであればどのようなものでも使用することができる。例えば、プールのような比較的大型の収容容器を使用することができる。また、培養槽２は、屋外に設置することもできるが、太陽光を十分に照射させることのできるビニールハウスなどの施設内に設置することもできる。このようにすれば風雨を避けることもできる。なお、培養槽２は、プラスチック、コンクリート、ビニールシートなどの素材で形成することができる。

溶存ＣＯ₂濃度計３は、培養液Ｍ内に溶存しているＣＯ₂の濃度を計測する計測器である。溶存ＣＯ₂濃度計３は、市販されているものを使用することができる。
溶存ＣＯ₂濃度計３の設置位置は、循環する培養液Ｍとの関係で、ＣＯ₂含有ガス供給手段５の上流側に設けるのが好ましい。このようにすれば、ＣＯ₂含有ガス供給手段５から遠ざかり下流になるほど、つまり、ＣＯ₂含有ガス供給手段５のすぐ上流であるほど培養液Ｍ中のＣＯ₂濃度が低くなるため、この位置の溶存ＣＯ₂濃度を十分なものとすれば、培養槽２内の培養液Ｍ全体が十分な溶存ＣＯ₂濃度を有するように制御することが可能となるためである。

ＣＯ₂含有ガス供給量制御手段４は、溶存ＣＯ₂濃度計３で計測した溶存ＣＯ₂濃度に応じて供給するＣＯ₂含有ガスの供給量を制御するものである。
ＣＯ₂含有ガス供給量制御手段４は、例えば、ＣＯ₂含有ガスの供給量を制御するためのプログラムを実行し、溶存ＣＯ₂濃度に応じた開度となるように配管バルブ４２を開閉させる命令信号を配管バルブ４２に向けて発信する制御部４１と、制御部４１からの命令信号を受信して開度を制御することのできる配管バルブ４２と、により具現することができる。なお、制御部４１としては、前記したプログラムを実行可能なＣＰＵ（Central Processing Unit）を備えたコンピュータを用いることができる。

ＣＯ₂含有ガス供給量制御手段４によるＣＯ₂含有ガスの供給量の制御は次のようにして行うことができる。
例えば、図２に示すように、ステップＳ１１にて溶存ＣＯ₂濃度計３で培養液Ｍの溶存ＣＯ₂濃度を計測し、計測した溶存ＣＯ₂濃度が基準値より小さい場合（ステップＳ１２にて「溶存ＣＯ₂濃度＜基準値」の場合）は、ステップＳ１３に進んでＣＯ₂含有ガスの配管バルブ４２を開いてＣＯ₂含有ガスの供給量を増加させる。

また、計測した溶存ＣＯ₂濃度が基準値である場合（ステップＳ１２にて「溶存ＣＯ₂濃度＝基準値」の場合）は、ステップＳ１４に進んでＣＯ₂含有ガスの配管バルブ４２の開度をそのまま維持する。

そして、計測した溶存ＣＯ₂濃度が基準値より大きい場合（ステップＳ１２にて「溶存ＣＯ₂濃度＞基準値」の場合）は、ステップＳ１５に進んでＣＯ₂含有ガスの配管バルブ４２を閉じてＣＯ₂含有ガスの供給量を減少させ、またはＣＯ₂含有ガスの供給を停止させる。なお、配管バルブ４２の弁の開閉は比例制御などでもＯＮ・ＯＦＦ制御などでもよい。

図３は、培養液１Ｌ当たりの光合成微生物の溶存ＣＯ₂濃度［ｍｇ／Ｌ］に対するバイオマス生産量比を示すグラフであるが、当該グラフが示すように、溶存ＣＯ₂濃度が約１００ｍｇ／Ｌになると、溶存ＣＯ₂濃度が０ｍｇ／Ｌのバイオマス生産量比を１とした場合と比較してバイオマス生産量比は約２倍となり、溶存ＣＯ₂濃度が約２５０ｍｇ／Ｌになるとバイオマス生産量比は約２.５倍となり、以降、少なくとも溶存ＣＯ₂濃度が約４５０ｍｇ／Ｌまではバイオマス生産量比が約２.７〜２.８倍に微増し、ほぼ飽和状態となる。
したがって、基準値（基準範囲）は、溶存ＣＯ₂濃度を基準とする場合、１００〜４５０ｍｇ／Ｌ、好ましくは１００〜４００ｍｇ／Ｌ、より好ましくは１００〜２５０ｍｇ／Ｌなどとすることができる。

ＣＯ₂含有ガス供給手段５は、ＣＯ₂含有ガス供給量制御手段４によって供給量が制御されたＣＯ₂含有ガスを培養液Ｍに供給するものである。
ＣＯ₂含有ガス供給手段５は、図示しないＣＯ₂含有ガス供給元から配管パイプ５１内を通じて送られてくるＣＯ₂含有ガスに対して圧力を付与してＣＯ₂含有ガスを送出するポンプ５２と、ポンプ５２と接続され、培養液Ｍ中に位置するよう設置された散気管５３と、で構成することができる。なお、前記したＣＯ₂含有ガス供給量制御手段４の配管バルブ４２は、ポンプ５２の下流である配管パイプ５１の任意の位置に設けられている。

ポンプ５２によって圧力を付与されて送出されてきたＣＯ₂含有ガスは、散気管５３により細かい気泡となって培養液Ｍ中に放出される。ＣＯ₂含有ガスの気泡は、微細化するほどＣＯ₂含有ガスの溶解効率が高くなるのでできるだけ細かくするのが好ましい。

散気管５３は、高分子ポリマー製のメンブレンや金属メッシュなどによって気泡を発生させることができればよく、その形状は、チューブ型やディスク型などとすることができる。

なお、培養槽２内における培養液Ｍの循環は、任意の手段によって行うことができる。例えば、図１に示すように、軸部材の胴体表面から垂直に設けた板材を複数枚有するパドル６を軸回りに回転させることで行うことができる。

本発明で用いることのできる光合成微生物としては、ユーグレナ（Euglena）を挙げることができる。ユーグレナは鞭毛虫の一群で、運動性のある藻類として有名なミドリムシを含む。大部分のユーグレナは、葉緑体を持っており、光合成を行って独立栄養生活を行うが、捕食性のものや吸収栄養性のものもある。
ユーグレナは、動物学と植物学の双方に分類される属である。
動物学では、原生動物門（Protozoa）の鞭毛虫綱（Mastigophorea）、植物鞭毛虫亜綱（Phytomastigophorea）に属する目の中にミドリムシ目（Euglenida）があり、これは三つの亜目、Euglenoidina、Peranemoidina、Petalomonadoidinaよりなる。
Euglenoidinaには、属としてEuglena、Trachelemonas、Strombonas、Phacus、Lepocinelis、Astasia、Colaciumが含まれる。
植物学では、ミドリムシ植物門（Euglenophyta）があり、その下にミドリムシ藻類綱（Euglenophyceae）、ミドリムシ目（Euglenales）があって、この目に含まれる属としてはEuglenaの他、動物分類表と同様である。
これ以外にも、シアノバクテリア、緑藻およびトレボキシア、プラシノ藻（緑色藻類）、原始紅藻類、珪藻、円石藻、渦べん毛藻、真眼点藻、黄金色藻などから１種または２種以上を選択して用いることができる。

なお、シアノバクテリアとしては、例えば、Chroococcacae、Stigonematacae、MastigocladacaeおよびOscillatroriacaeを挙げることができる。また、その他にも、Synechococcus lividusおよびSynechococcus elongatusなどのSynechococcusや、Synechocystis minervaeなどのSynechocystisや、Mastigocladus laminosusなどのMastigocladusや、Phormidium laminosusなどのPhormidiumや、Symploca thermalisなどのSymplocaや、Aphanocapsa thermalisなどのAphanocapsaや、Fisherellaなどを挙げることができる。
さらには、アナべナ（Anabaena）属に属するアナべナ・バリアビリス（Anabanena variabilis）ＡＴＣＣ ２９４１３、シアノテセ（Cyanothece）属のCyanothece sp. ＡＴＣＣ ５１１４２、シネココッカス（Synechococcus）属に属するSynechococcus sp. ＰＣＣ ７９４２およびアナシスティス（Anacystis）属に属するアナシスティス・ニデュランス（Anacystis nidulans）および好熱性シアノバクテリアなどを用いることができる。

緑藻およびトレボキシアとしては、例えば、クロレラ（系統学的に分けられたパラクロレラを含む）、クラミドモナス、ドナリエラ、セネデスムス、ボトリオコッカス、スティココッカス、ナンノクロリス、およびデスモデスムスなどの気生藻を挙げることができる。具体的には、Chlorella vulgarisおよびChlorella saccharophilaなどのクロレラ（Chlorella）、Dunaliella salina、Dunaliella tertiolectaなどのDunaliella、並びに光合成などの基本的な性質は同じであるが、分子系統解析によりトレボキシア藻網として分類されるParachlorella kessleri（Chlorella kessleri）を挙げることができる。また、クラミドモナス（Chlamydomonas）属に属するクラミドモナス・ラインハルディ（Chlamydomonas reinhardtii）、クラミドモナス・モエブシィ（Chlamydomonas moewusii）、クラミドモナス・ユーガメタス（Chlamydomonas eugametos）、クラミドモナス・セグニス（Chlamydomonas segnis）、セネデスムス（Senedesmus）属に属するセネデスムス・オブリクス（Senedesmus obliquus）、スティココッカス（Stichococcus）属に属するスティココッカス・アンプリフォルミス（Stichococcus ampliformis）、ナンノクロリス（Nannochloris）属に属するナンノクロリス・バシラリス（Nannochloris bacillaris）、およびデスモデスムス（Desmodesmus）属に属するデスモデスムス・スブスピカツス（Desmodesmus subspicatus）などを挙げることができる。

また、プラシノ藻（緑色藻類）としては、例えば、テトラセルミスなどを挙げることができ、原始紅藻類としては、例えば、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などを挙げることができる。
なお、本発明で用いることのできる光合成微生物は、光合成によりバイオマスを生成し、細胞内に蓄積することができるものであればどのようなものでも用いることができ、前記したものに限定されない。

培養液Ｍは、例えば、光合成微生物としてユーグレナを用いる場合、窒素源、リン源、ミネラルなどの栄養塩類を添加した培養液、例えば、改変Cramer-Myers培地（（ＮＨ₄）₂ＨＰＯ₄ １．０ｇ／Ｌ、ＫＨ₂ＰＯ₄ １．０ｇ／Ｌ、ＭｇＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏ ０．２ｇ／Ｌ、ＣａＣｌ₂・２Ｈ₂Ｏ ０．０２ｇ/Ｌ、Ｆｅ₂（ＳＯ₂）₃・７Ｈ₂Ｏ ３ｍｇ／Ｌ、ＭｎＣｌ₂・４Ｈ₂Ｏ １．８ｍｇ／Ｌ、ＣｏＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏ １．５ｍｇ／Ｌ、ＺｎＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏ ０．４ｍｇ／Ｌ、Ｎａ₂ＭｏＯ₄・２Ｈ₂Ｏ ０．２ｍｇ／Ｌ、ＣｕＳＯ₄・５Ｈ₂Ｏ ０．０２ｇ／Ｌ、チアミン塩酸塩（ビタミンＢ₁） ０．１ｍｇ／Ｌ、シアノコバラミン（ビタミンＢ₁₂）、（ｐＨ３．５））を用いることができる。なお、（ＮＨ₄）₂ＨＰＯ₄は、（ＮＨ₄）₂ＳＯ₄やＮＨ₃ａｑに変換することも可能である。
なお、培養液Ｍは、培養する光合成微生物に適した培地を用いればよく、これに限定されるものでないことはいうまでもない。

また、培養液ＭのｐＨは２〜６とするのが好ましく、２〜４．５とするのがより好ましい。このように、ｐＨを酸性にすれば、光合成微生物は他の微生物よりも優勢に生育することができるため、コンタミネーションを抑制することができる。その結果、回分培養法の他、連続培養法を適用することが可能となる。

培養液ＭのｐＨの調整は、粉末試薬や試薬水溶液を適宜に用いて行うことができる。粉末試薬としては、重曹などを挙げることができ、試薬水溶液としては、硫酸、酢酸などの酸性液や水酸化ナトリウム水溶液などの塩基性溶液を挙げることができる。

培養液Ｍの液深さは５０ｃｍ以下とするのが好ましく、１０〜３０ｃｍとするのがより好ましい。このようにすれば、培養がすすんで光合成微生物が増殖しても、パドル６により培養液Ｍが上下撹拌されるので、効率的に光合成を行わせることができる。

ＣＯ₂含有ガスは、ＣＯ₂を含有するガスであればよく、例えば、ＣＯ₂ガスを収容するボンベからこれを供給するようにしたり、工場や火力発電所から排出される燃焼排ガスからこれを供給するようにしたりするとよい。なお、このような燃焼排ガスを利用する場合は、集塵機、脱硝設備、脱硫設備などにより燃焼排ガス中の塵埃、ＮＯｘおよびＳＯｘを取り除いておくのが好ましい。ただし、用いる光合成微生物がＮＯｘやＳＯｘなどに対して耐性があったり、浄化作用があったりする場合は、前記した装置等を設けなくともよい。

本発明に係る光合成微生物培養装置１においては、以上に説明した構成以外にも、培養中の水温を一定に保つ恒温装置や、蒸発した水分を補充する補給水装置、培養液Ｍを補充する培養液補充装置などを具備させることができる。

次に、図４を参照して本発明に係る光合成微生物培養装置の他の実施形態について説明する。
図４に示すように、他の実施形態に係る光合成微生物培養装置１０は、既に説明した光合成微生物培養装置１の構成に光強度計７を具備させたものであり、この光強度計７で計測した光強度と溶存ＣＯ₂濃度計３で計測した溶存ＣＯ₂濃度に応じてＣＯ₂含有ガスを供給するものである。なお、光強度計７以外の構成については光合成微生物培養装置１での説明と重複するため省略する。

光強度計７は、培養槽２の周囲の光の強さ（光強度）を計測する計測器である。この光強度計７は、市販されているものを使用することができる。光強度計７は、培養槽２の周囲の光強度を計測することができればよく、設置場所は特に限定されるものではないが、培養液Ｍ上に設置するのが好ましい。なお、光強度計７は照度や輝度を測定するものであってもよい。

光合成微生物培養装置１０のように、光強度計７を具備している場合、ＣＯ₂含有ガス供給量制御手段４によるＣＯ₂含有ガスの供給量の制御は、次のようにして行うことができる。

図５に示すように、ステップＳ２１にて光強度計７で光強度を計測し、計測した光強度が光補償点よりも低い場合（ステップＳ２２にて「光強度＜光補償点」の場合）は、ステップＳ２３に進んでＣＯ₂含有ガスの配管バルブ４２を閉じてＣＯ₂含有ガスの供給量を減少させ、またはＣＯ₂含有ガスの供給を停止させる。
なお、光補償点とは、光合成量と呼吸量がつり合うときの光強度をいう。光補償点は、光合成微生物によって異なる場合があるので、用いる光合成微生物にあわせて適宜設定するのが好ましい。したがって、用いようとする光合成微生物を使用して予備実験を行ない、予め光補償点を求めておくのが好ましい。

前記したように、光強度が光補償点よりも低くなる場合とは、具体的には夜間や雨天、曇天である場合などが該当し、光合成が行われないか、または光合成が行われたとしてもその効率が悪い状態となる。そのため、積極的にＣＯ₂含有ガスを供給する必要がないので、前記したように、ＣＯ₂含有ガスの配管バルブ４２を閉じてＣＯ₂含有ガスの供給量を減少させ、またはＣＯ₂含有ガスの供給を停止させる。

計測した光強度が予備実験等により予め求めて設定した光補償点以上の場合（ステップＳ２２にて「光強度≧光補償点」の場合）は、ステップＳ２４に進み、溶存ＣＯ₂濃度計３で培養液Ｍの溶存ＣＯ₂濃度を計測する。
そして、計測した溶存ＣＯ₂濃度が基準値より小さい場合（ステップＳ２５にて「溶存ＣＯ₂濃度＜基準値」の場合）は、ステップＳ２６に進んでＣＯ₂含有ガスの配管バルブ４２を開いてＣＯ₂含有ガスの供給量を増加させる。なお、溶存ＣＯ₂濃度の基準値は、前記したものと同様とすることができる。

また、計測した溶存ＣＯ₂濃度が基準値である場合（ステップＳ２５にて「溶存ＣＯ₂濃度＝基準値」の場合）は、ステップＳ２７に進んでＣＯ₂含有ガスの配管バルブ４２の開度をそのまま維持する。

そして、計測した溶存ＣＯ₂濃度が基準値より大きい場合（ステップＳ２５にて「溶存ＣＯ₂濃度＞基準値」の場合）は、ステップＳ２２の計測した光強度が光補償点よりも低い場合（「光強度＜光補償点」の場合）と同様、ステップＳ２３に進んでＣＯ₂含有ガスの配管バルブ４２を閉じてＣＯ₂含有ガスの供給量を減少させ、またはＣＯ₂含有ガスの供給を停止させる。

また、光合成微生物培養装置１０のように光強度計７を具備している場合、ＣＯ₂含有ガス供給量制御手段４によるＣＯ₂含有ガスの供給量の制御の他の実施形態として、次のように制御することもできる。

図６に示すように、ステップＳ３１にて光強度計７で光強度を計測し、計測した光強度をデータとして取得する（ステップＳ３２）。
また、ステップＳ３３にて溶存ＣＯ₂濃度計３で溶存ＣＯ₂濃度を計測し、計測した溶存ＣＯ₂濃度をデータとして取得する（ステップＳ３４）。
前記したＣＯ₂含有ガス供給量制御手段４の制御部４１では、取得した光強度のデータおよび溶存ＣＯ₂濃度のデータから、光合成微生物の光合成を好適に行わせることができるよう、培養液中の溶存ＣＯ₂濃度を最適とするためのＣＯ₂含有ガス供給量を計算し（ステップＳ３５）、ＣＯ₂含有ガス供給量のデータを取得する（ステップＳ３６）。

そして、ＣＯ₂含有ガス供給量制御手段４は、ＣＯ₂含有ガス供給量のデータに基づいて配管バルブ４２を開く、維持するまたは閉じる制御を行ない（ステップＳ３７）、計算されたＣＯ₂含有ガス供給量のＣＯ₂含有ガスをＣＯ₂含有ガス供給手段５が供給することで、培養液中の溶存ＣＯ₂濃度を最適な濃度とする。

＜光合成微生物培養方法＞
次に、本発明に係る光合成微生物培養方法の一実施形態について説明する。
この実施形態に係る光合成微生物培養方法は、培養槽２内を循環する培養液ＭにＣＯ₂含有ガスを供給して光合成微生物を培養する光合成微生物培養方法であって、培養液Ｍの溶存ＣＯ₂濃度を計測し、計測した溶存ＣＯ₂濃度に応じてＣＯ₂含有ガスを供給するというものである。

この実施形態に係る光合成微生物培養方法の内容を具体的に説明すると、図７に示すように、溶存ＣＯ₂濃度計測ステップＳ４２と、ＣＯ₂含有ガス供給量制御ステップＳ４３と、ＣＯ₂含有ガス供給ステップＳ４４と、を有する。

溶存ＣＯ₂濃度計測ステップＳ４２は、培養液Ｍの溶存ＣＯ₂濃度を計測するステップである。
この溶存ＣＯ₂濃度計測ステップＳ４２は、前記した溶存ＣＯ₂濃度計３で培養液Ｍの溶存ＣＯ₂濃度を計測することにより行うことができる。

次いで行うＣＯ₂含有ガス供給量制御ステップＳ４３は、前記した溶存ＣＯ₂濃度計測ステップＳ４２で計測した溶存ＣＯ₂濃度に応じてＣＯ₂含有ガスの供給量を制御するステップである。
このＣＯ₂含有ガス供給量制御ステップＳ４３は、前記したＣＯ₂含有ガス供給量制御手段４で行うことができる。

次いで行うＣＯ₂含有ガス供給ステップＳ４４は、ＣＯ₂含有ガス供給量制御ステップＳ４３によって供給量が制御されたＣＯ₂含有ガスを培養液Ｍに供給するステップである。
このＣＯ₂含有ガス供給ステップＳ４４は、前記したＣＯ₂含有ガス供給手段５により行うことができる。

次に、他の実施形態に係る光合成微生物培養方法について説明する。
この他の実施形態に係る光合成微生物培養方法は、前記した一実施形態に係る光合成微生物培養方法の内容に加えて、さらに、光強度を計測し、計測した光強度と前記溶存ＣＯ₂濃度に応じて前記ＣＯ₂含有ガスを供給するというものである。

他の実施形態に係る光合成微生物培養方法の内容を具体的に説明すると、図７に示すように、溶存ＣＯ₂濃度計測ステップＳ４２の前に光強度を計測する光強度計測ステップＳ４１を有する点で、前記した実施形態に係る光合成微生物培養方法とは相違している。
つまり、この他の実施形態に係る光合成微生物培養方法は、光強度計測ステップＳ４１を行った後、前記した溶存ＣＯ₂濃度計測ステップＳ４２と、ＣＯ₂含有ガス供給量制御ステップＳ４３と、ＣＯ₂含有ガス供給ステップＳ４４と、を行う。

この他の実施形態に光合成微生物培養方法の場合、ＣＯ₂含有ガス供給量制御ステップＳ４３では、光強度計測ステップＳ４１で計測した光強度と、溶存ＣＯ₂濃度計測ステップＳ４２で計測した溶存ＣＯ₂濃度と、に応じてＣＯ₂含有ガスの供給量を制御する。

以上、発明を実施するための形態により、本発明に係る光合成微生物培養装置および光合成微生物培養方法について、詳細に説明したが、本発明の内容は前記した説明に限定されるものではなく、発明の趣旨は特許請求の範囲の記載された範囲内で広く解釈されなければならない。また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変、変形等することができ、これらも本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、図８に示す光合成微生物培養装置２０のように、溶存ＣＯ₂濃度計３と、ポンプ５２および散気管５３で構成されるＣＯ₂含有ガス供給手段５と、配管バルブ４２と、を複数設けるようにしてもよい。なお、このＣＯ₂含有ガス供給手段５の下流に、培養液Ｍを循環させるためのパドル６を併せて設けるのが好ましい。そして、この一組の溶存ＣＯ₂濃度計３、ＣＯ₂含有ガス供給手段５およびパドル６は、培養槽２において、等間隔となるように設置するのが好ましい。

このようにすれば、例えば、無終端開水路として構成した培養槽２の水路の長さが長い場合であっても、培養液中の溶存ＣＯ₂濃度を均一に保つことが容易となるため、光合成微生物の光合成をより好適に行わせることができるようになる。

また、例えば、図９に示す光合成微生物培養装置３０のように、培養液Ｍを循環させるための手段として、パドル６に替えて、エアリフト部６１としても培養液Ｍを循環させることができる。

このエアリフト部６１は、無終端水路として構成した培養槽２の一部を深く掘り下げた深溝部８１と、この深溝部８１内において水路の幅方向と平行な方向であって水路の深さよりも深い位置に下端が配置されるように設けられた仕切板８２と、前記した仕切板８２で仕切られた深溝部８１内のいずれか一方の区画の底部近傍に設けられた散気管５３（ＣＯ₂含有ガス供給手段５）と、で構成される。

このような構成のエアリフト部６１とすれば、いずれか一方の区画に設けられた散気管５３から吐出されたＣＯ₂含有ガスの気泡の上昇によって、培養液Ｍに対して培養槽２内を循環させる推進力を付与することができる（エアリフト効果）。
なお、深溝部８１と仕切板８２とで構成される他方の区画、つまり、散気管５３が設けられていない区画から、前記した一方の区画に向けて継続的に培養液Ｍが流入し、当該一方の区画において散気管５３により培養槽２内を循環する推進力が付与される。

この場合、パドル６のような装置を駆動させる必要がないことから、初期設備投資コストやこれを駆動させるランニングコストを抑えることができる点で好適である。また、培養液Ｍと培養槽２の底部に沈みがちである光合成微生物と、をより確実に撹拌し得る点でも好適である。

光合成微生物培養装置３０の場合、溶存ＣＯ₂濃度計３は、前記した散気管５３が設けられていない区画（他方の区画）に設けるとよい。かかる区画は、ＣＯ₂含有ガス供給手段５の上流側であり、培養液中の溶存ＣＯ₂濃度が最も低くなるため、この位置の溶存ＣＯ₂濃度を十分なものとすれば、培養槽２内の培養液Ｍ全体が十分な溶存ＣＯ₂濃度を有するように制御することが可能となる。

また、光合成微生物培養装置３０の場合も図９に示すように、溶存ＣＯ₂濃度計３およびＣＯ₂含有ガス供給手段５を含むエアリフト部６１を複数設けるようにしてもよい。より好ましくは、溶存ＣＯ₂濃度計３およびＣＯ₂含有ガス供給手段５を含むエアリフト部６１は、これらを１セットとした場合に複数セットを等間隔に設けるようにするとよい。このようにすれば、ＣＯ₂含有ガス供給量制御手段４でそれぞれのＣＯ₂含有ガス供給手段５を適宜に制御することにより、無終端開水路として構成した培養槽２の水路の長さが長い場合であっても、培養液中の溶存ＣＯ₂濃度を均一に保つことが容易となるため、光合成微生物の光合成をより好適に行わせることができるようになる。

さらに、図９に示すように、散気管５３の上方には、培養液Ｍ中に溶存しなかったＣＯ₂含有ガスを回収するためのＣＯ₂含有ガス回収カバー９、９を設けるのが好ましい。さらに、配管パイプ５４によって、このＣＯ₂含有ガス回収カバー９、９とポンプ５２とを接続するようにするのが好ましい。このようにすれば、ＣＯ₂含有ガス回収カバー９、９で回収したＣＯ₂含有ガスを、ポンプ５２を介して再びＣＯ₂含有ガス供給手段５の散気管５３から培養液Ｍに溶存させることができる。また、このようにすれば、大気中へのＣＯ₂含有ガスの放散を抑制することができる。

さらに、本発明に係る光合成微生物培養装置の制御部４１は、用いる光合成微生物が、例えば、午前に光合成が活発であるならば午前にＣＯ₂の供給量を多くするように制御し、午後に光合成が活発であるならば午後にＣＯ₂の供給量を多くするように制御し、夜間に光合成が行われないならば夜間はＣＯ₂の供給を停止するというように、より細かく適切な制御を行うように設定することもできる。このようにすれば、用いる光合成微生物の活動状況に応じて適切にＣＯ₂を供給することができ、ＣＯ₂の無駄な消費を抑制することや、光合成微生物に取り込まれなかったＣＯ₂が大気中に放散されることを抑制することができる。

１、１０、２０、３０ 光合成微生物培養装置
２ 培養槽
３ 溶存ＣＯ₂濃度計
４ ＣＯ₂含有ガス供給量制御手段
４１ 制御部
４２ 配管バルブ
５ ＣＯ₂含有ガス供給手段
５１、５４ 配管パイプ
５２ ポンプ
５３ 散気管
６ パドル
６１ エアリフト部
７ 光強度計
８１ 深溝部
８２ 仕切板
９ ＣＯ₂含有ガス回収カバー
Ｍ 培養液
Ｓ４１ 光強度計測ステップ
Ｓ４２ 溶存ＣＯ₂濃度計測ステップ
Ｓ４３ ＣＯ₂含有ガス供給量制御ステップ
Ｓ４４ ＣＯ₂含有ガス供給ステップ

Claims (14)

1. 培養槽と、当該培養槽内を循環する培養液にＣＯ₂含有ガスを供給するＣＯ₂含有ガス供給手段と、を有する光合成微生物培養装置であって、
   前記培養液の溶存ＣＯ₂濃度を計測する溶存ＣＯ₂濃度計を有し、
   前記溶存ＣＯ₂濃度計で計測した溶存ＣＯ₂濃度に応じて前記ＣＯ₂含有ガスを供給する
   ことを特徴とする光合成微生物培養装置。
2. 請求項１に記載の光合成微生物培養装置において、
   光強度を計測する光強度計を有し、
   当該光強度計で計測した光強度と前記溶存ＣＯ₂濃度に応じて前記ＣＯ₂含有ガスを供給する
   ことを特徴とする光合成微生物培養装置。
3. 培養液にＣＯ₂含有ガスを供給しつつ培養槽内を循環させて光合成微生物を培養する光合成微生物培養装置であって、
   前記培養液の溶存ＣＯ₂濃度を計測する溶存ＣＯ₂濃度計と、
   前記溶存ＣＯ₂濃度計で計測した溶存ＣＯ₂濃度に応じてＣＯ₂含有ガスの供給量を制御するＣＯ₂含有ガス供給量制御手段と、
   前記ＣＯ₂含有ガス供給量制御手段によって供給量が制御されたＣＯ₂含有ガスを前記培養液に供給するＣＯ₂含有ガス供給手段と、を具備する
   ことを特徴とする光合成微生物培養装置。
4. 請求項３に記載の光合成微生物培養装置において、
   さらに、光強度を計測する光強度計を具備し、
   前記ＣＯ₂含有ガス供給量制御手段は、前記光強度計で計測した光強度と、前記溶存ＣＯ₂濃度計で計測した溶存ＣＯ₂濃度と、に応じてＣＯ₂含有ガスの供給量を制御する
   ことを特徴とする光合成微生物培養装置。
5. 請求項２または請求項４に記載の光合成微生物培養装置において、
   前記光強度が光合成を行うのに十分でない場合には、前記ＣＯ₂含有ガスの供給を減少または停止する
   ことを特徴とする光合成微生物培養装置。
6. 請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の光合成微生物培養装置において、
   前記溶存ＣＯ₂濃度計で計測される溶存ＣＯ₂濃度が１００〜４５０ｍｇ／Ｌとなるように前記ＣＯ₂含有ガスを供給する
   ことを特徴とする光合成微生物培養装置。
7. 請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載の光合成微生物培養装置において、
   循環する前記培養液との関係で、前記溶存ＣＯ₂濃度計を前記ＣＯ₂含有ガス供給手段の上流側に設けた
   ことを特徴とする光合成微生物培養装置。
8. 請求項１から請求項７のうちのいずれか１項に記載の光合成微生物培養装置において、
   前記溶存ＣＯ₂濃度計および前記ＣＯ₂含有ガス供給手段を複数設けた
   ことを特徴とする光合成微生物培養装置。
9. 培養槽内を循環する培養液にＣＯ₂含有ガスを供給して光合成微生物を培養する光合成微生物培養方法であって、
   前記培養液の溶存ＣＯ₂濃度を計測し、計測した溶存ＣＯ₂濃度に応じて前記ＣＯ₂含有ガスを供給する
   ことを特徴とする光合成微生物培養方法。
10. 請求項９に記載の光合成微生物培養方法において、
    光強度を計測し、計測した光強度と前記溶存ＣＯ₂濃度に応じて前記ＣＯ₂含有ガスを供給する
    ことを特徴とする光合成微生物培養方法。
11. 培養液にＣＯ₂含有ガスを供給しつつ培養槽内を循環させて光合成微生物を培養する光合成微生物培養方法であって、
    前記培養液の溶存ＣＯ₂濃度を計測する溶存ＣＯ₂濃度計測ステップと、
    前記溶存ＣＯ₂濃度計測ステップで計測した溶存ＣＯ₂濃度に応じてＣＯ₂含有ガスの供給量を制御するＣＯ₂含有ガス供給量制御ステップと、
    前記ＣＯ₂含有ガス供給量制御ステップによって供給量が制御されたＣＯ₂含有ガスを前記培養液に供給するＣＯ₂含有ガス供給ステップと、を有する
    ことを特徴とする光合成微生物培養方法。
12. 請求項１１に記載の光合成微生物培養方法において、
    前記溶存ＣＯ₂濃度計測ステップの前に、光強度を計測する光強度計測ステップを有し、
    前記ＣＯ₂含有ガス供給量制御ステップは、前記光強度計測ステップで計測した光強度と、前記溶存ＣＯ₂濃度計測ステップで計測した溶存ＣＯ₂濃度と、に応じてＣＯ₂含有ガスの供給量を制御する
    ことを特徴とする光合成微生物培養方法。
13. 請求項１０または請求項１２に記載の光合成微生物培養方法において、
    前記光強度が光合成を行うのに十分でない場合には、前記ＣＯ₂含有ガスの供給を減少または停止する
    ことを特徴とする光合成微生物培養方法。
14. 請求項９から請求項１３のうちのいずれか１項に記載の光合成微生物培養方法において、
    計測される前記溶存ＣＯ₂濃度が１００〜４５０ｍｇ／Ｌとなるように前記ＣＯ₂含有ガスを供給する
    ことを特徴とする光合成微生物培養方法。

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