JP6165523B2 - 藻類培養照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、藻類を培養する際に用いる藻類培養照明装置に関するものである。

藻類とは、酸素発生型光合成を行う生物のうち、主に地上に生息する植物を除いた、単細胞生物から多細胞生物に至るまで進化的に全く異なるグループを含む便宜的な総称であるが、近年、炭化水素（原油相当物質）を生成する藻類等が発見されるなど藻類の有用性が再認識されるに至り、これらの藻類を効率よく培養することが様々な角度から研究されている。

しかし、藻類培養はいずれも研究段階のものがほとんどであり、確立された藻類培養装置も存在せず、各研究者は、フラスコ等の培養器、培養器の滅菌、培養液濃度、培養液温度、照射光量、光照射ＯＮ／ＯＦＦ時間（照射時間）、培養液攪拌速度、培養液通気量等の培養条件を、研究内容によって取捨選択し、条件に見合う装置を寄せ集めて使用しているのが現状である。
そのため、利便性が悪いうえ、培養のスピードが遅く、光合成に必要な光の照射量が不均一であるなど、藻類培養の再現性が保てず実験ごとの誤差が大きくなり、研究のスピードアップを図れないなどの問題があった。

従来の藻類培養装置としては、例えば、クリーンベンチ内で滅菌された１Ｌルー型培養瓶に、調整し濃度管理された培養液を入れ、このルー型培養瓶の開放口に栓をして横置きにしたうえ、この栓を貫通し培養瓶内と連通するチューブを介して二酸化炭素等を通気し、通気の際にその勢いで培養液を攪拌するものが知られている。
また、培養液の温度管理は、これらの装置をインキュベータに入れ、インキュベータ内の空気の温度を制御することで、空気からの熱伝達で二次的に培養液の温度を一定にする方法が取られることが多かった。

そして、このような藻類培養装置に用いられる照明装置としては、前記インキュベータ内部の天井面に配置された蛍光灯やＬＥＤ等の光照射手段を、前述の横置きにされた培養瓶に向け照射して、光量調整を行いつつ、タイマーコントロールにより任意時間にＯＮ／ＯＦＦ制御を行うものが一般的である。

しかし、熱源でもある光照射手段ごと培養瓶等を空調（冷暖房）することは、それだけで空調するスペースが大きくなり非効率となるのに加え、光照射の効率を高めるために培養瓶に近接すると空気の流れが悪くなり空調の効率が低下するだけでなく、光源の回路（チップ）などの発熱等により培養器に直接影響が及び温度管理できずに培養液に温度ムラができて好ましくない。
また、空調の効率を高めるために光照射手段を培養瓶から離すと光照射の効率が低下し、照射光量を上げなければならず、その分発生する熱量も増加して空調の効率も低下してしまう。このように、光照射と空調は、二律背反の関係にあり、光照射の強度管理と空調管理を同時に効率良くすることができないという問題がある。

それに加え、藻類培養装置としてインキュベータを用いる場合は、空気を介して培養瓶内の培養液の温度を二次的に制御するため、効率が悪いうえ、どうしてもインキュベータ内の室温と培養液の液温とが同等になるまでにタイムラグが生じ、温度管理の精度も不確かとなるという問題がある。また、培養瓶等で空気の循環が妨げられるため、インキュベータ内の各所の温度分布にもバラツキが生じるという問題もある。

このような問題を解決するために、特許文献１には、光透過可能な透明材料からなる薄い箱型状の培養槽本体１と、この培養槽本体１の下半分を収容し、恒温水槽と連通して恒温水が流通可能なジャケット２と、前記培養槽本体１の少なくとも側面の近接した位置に、培養槽内の培養液に光を供給する光供給手段（蛍光灯群３０）と、を備えた光合成微生物培養装置が開示されている。

しかし、特許文献１の光合成微生物培養装置では、培養槽本体１として特殊な専用水槽が必要であり、培養する微生物を変えたり、研究又は実験の条件を変更したりする度に、培養槽本体１の洗浄、殺菌等をするのに手間が掛かるため利便性が悪いうえ、別途、恒温水槽が必要であり、装置が大型化して設置コストが嵩み、省スペース化に反するという問題がある。

また、培養槽本体１の上半分には、光供給手段（蛍光灯群３０）から発生する熱が直接伝達されるため、前述の培養液に温度ムラができてしまう問題や、温度管理の精度が不確かである問題も完全には解決することができていないし、光の強度管理も光供給手段（蛍光灯群３０）と培養槽本体１との距離によって調節するため時間等に応じて変化させるなど細かい対応ができず利便性が悪いうえ、不正確で再現性が悪い。
つまり、光照射の強度管理と培養液の温度管理とを同時に正確に再現性が高く、省エネルギーで効率的に行うことができないものであった。

特開平１０−１５０９７４号公報

そこでこの発明は、前記従来の問題を解決し、安価で簡潔な機構により、培養する藻類に与える熱の影響が小さく、培養液の温度管理を効率的に精度よく確実に行うことができるとともに、同時に照射する光の波長・光量の管理を精度よく確実に行うことができ、培養の再現性、確実性、均一性、利便性を向上させることができ、耐久性、安全性、省エネルギー性にも優れた藻類培養照明装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、上面が開口した有底の水槽と、この水槽の側面外側に沿って立設され、藻類を培養する培養瓶に向け光を照射する光照射手段と、を備えた藻類培養照明装置であって、前記水槽内に溜めた液体の温度を調節する温度調節手段を有し、前記水槽は、上面の開口を塞ぐ蓋を備え、この蓋は、前記培養瓶の口を位置決めする位置決め孔を有しているとともに、この位置決め孔の中心を通る線で２分割されており、これらの分割された蓋は、それぞれ前記培養瓶内に通じるチューブを挿通するための貫通孔及び／又は欠き込みが形成されており、前記温度調節手段により前記水槽内の液体の温度を調節することにより、前記水槽内の液体に浸漬した前記培養瓶の温度を調節しつつ、前記光照射手段により前記水槽の近接位置から前記水槽越に前記培養瓶に光を照射することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の藻類培養照明装置において、前記光照射手段は、３原色の光を発する発光ダイオードがそれぞれ設けられた発光素子を有し、発光する光の光量調整及び演色調整が可能となっている。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の藻類培養照明装置において、前記光照射手段は、タイマによりＯＮ／ＯＦＦの切り換えが自在となっている。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の藻類培養照明装置において、前記温度調節手段は、前記水槽内の液体の温度を測定する温度測定手段と、前記水槽内の液体を温めるヒータと、このヒータの通電を前記温度測定手段で測定した温度に応じてＯＮ／ＯＦＦするサーモスタットと、を備える。

この発明は、前記のようであって、請求項１に記載の発明によれば、上面が開口した有底の水槽と、この水槽の側面外側に沿って立設され、藻類を培養する培養瓶に向け光を照射する光照射手段と、を備えた藻類培養照明装置であって、前記水槽内に溜めた液体の温度を調節する温度調節手段を有し、前記水槽は、上面の開口を塞ぐ蓋を備え、この蓋は、前記培養瓶の口を位置決めする位置決め孔を有しているとともに、この位置決め孔の中心を通る線で２分割されており、これらの分割された蓋は、それぞれ前記培養瓶内に通じるチューブを挿通するための貫通孔及び／又は欠き込みが形成されており、前記温度調節手段により前記水槽内の液体の温度を調節することにより、前記水槽内の液体に浸漬した前記培養瓶の温度を調節しつつ、前記光照射手段により前記水槽の近接位置から前記水槽越に前記培養瓶に光を照射するので、水槽内の熱容量の大きな液体の存在により培養瓶内の温度変動が起きにくく、培養瓶内の培養液で培養する藻類に与える熱の影響が小さい。そのため、温度調節手段により培養液の温度管理を効率的に精度よく確実に行うことができる。また、振動を伴わない安価で簡潔な機構で至近距離から光を照射するので、省エネルギーで耐久性、安全性にも優れている。それに加え、障害物が少なく、発光による温度変動の影響が少ない状態で光を照射するので、培養の再現性、確実性、均一性、利便性が良好で、実験や研究・開発等の再現性を向上させて実験・研究・開発等のスピードアップを図ることができる。
また、培養瓶等を位置決めして固定することが容易なうえ、蓋を開放せずに培養瓶内に通じるチューブを挿通して固定し易く、コンタミネーションの問題が起きにくいため、実験や研究・開発等の再現性を向上させて実験・研究・開発等のスピードアップを図ることができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の藻類培養照明装置において、前記光照射手段は、３原色の光を発する発光ダイオードがそれぞれ設けられた発光素子を有し、発光する光の光量調整及び演色調整が可能となっているので、照射する光の波長・光量の管理を精度よく確実に行うことができ、更に、実験や研究・開発等の再現性を向上させて実験・研究・開発等のスピードアップを図ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の藻類培養照明装置において、前記光照射手段は、タイマによりＯＮ／ＯＦＦの切り換えが自在となっているので、照射時間の管理が容易となり、更に、実験や研究・開発等の再現性を向上させて実験・研究・開発等のスピードアップを図ることができる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１ないし３のいずれかに記載の藻類培養照明装置において、前記温度調節手段は、前記水槽内の液体の温度を測定する温度測定手段と、前記水槽内の液体を温めるヒータと、このヒータの通電を前記温度測定手段で測定した温度に応じてＯＮ／ＯＦＦするサーモスタットと、を備えるので、培養瓶内の培養液の温度管理が更に容易となる。

本発明の一実施の形態である実施例１に係る藻類培養照明装置１を示す右側面図である。 同上の藻類培養照明装置１の外観を斜視的に示す写真である。 同上の藻類培養照明装置１を示す正面図である。 同上の藻類培養照明装置１を示す平面図である。 同上の藻類培養照明装置１の光照射手段３を示す正面図である。 同上の光照射手段３の三原色の発光ダイオードの光量比率を示すグラフである。 本発明の一実施の形態である実施例２に係る藻類培養照明装置１’を示す右側面図である。 同上の藻類培養照明装置１’を示す平面図である。

図１〜図８を用いて、本発明の一実施の形態である実施例１及び２に係る藻類培養照明装置について説明する。

先ず、図１〜図６を用いて実施例１に係る藻類培養照明装置について説明する。
藻類培養照明装置１は、最下部を構成する架台２と、この架台２の中央に載置された水槽３と、この水槽３の正面に立設された正面パネル４と、水槽３の背面に立設された背面パネル５と、水槽３内の底部に挿置された水槽底板６など、から構成され、水槽３に挿置された培養瓶Ｂ内で培養する微細藻類に光を照射する機能を有し、光合成で増殖する光合成微細藻類（いわゆる光合成微生物）の培養に用いられる照明装置としての機能に加え、培養瓶Ｂ内の培養液の温度管理を容易に行うことのできる機能を兼ね備えた装置である。

架台２は、平面視で長方形のステンレス鋼板からなる架台である。
また、水槽３は、上部が開口した平面視で横長な長方形の直方体形状（図４参照）をした透明ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）樹脂からなる水槽本体３０を主な構成要素とする水槽であり、この水槽本体の上部開口を塞ぐ上蓋３１を備え、比較的熱容量の大きな物質（液体）である水を収容してその中に培養瓶Ｂを挿置することで培養瓶Ｂ内の培養液の温度を安定させる機能を有している。

この上蓋３１は、図４等に示すように、架空線（一点鎖線）で示す培養瓶Ｂの口Ｂ１を位置決めする位置決め孔Ｃ，Ｃを有しており、これらの位置決め孔Ｃ，Ｃの中心を通る線Ｘで同形状の上蓋前部３２と上蓋後部３３とに２分割されている。
また、これらの上蓋前部３２と上蓋後部３３には、それぞれ培養瓶Ｂ内に通じるチューブ（図示せず）を挿通するための貫通孔３４，３５及び欠き込み３６，３７（図２も参照）が形成されているとともに、上蓋前部３２と上蓋後部３３とが点対称の位置に配置されることで、貫通孔３４，３５と欠き込み３６，３７とが、互いに相対する位置に配置されることとなっている。
このため、培養瓶Ｂ内に通じるチューブがいずれの方向から配管される場合でも上蓋３１を開放状態のままにすることなく、培養瓶Ｂへ挿通することができる。

正面パネル４は、メラミン樹脂が焼き付け塗装された鋼板からなる筺体内に、後述の光照射手段や温度調節手段をＰＷＭ制御等で制御する制御手段４０が収められたパネルであり、正面パネル４の正面が、制御手段４０を操作する操作パネル４１となっている。
また、この操作パネル４１には、図３に示すように、下部左部分に、水槽３内の水温を測定する図示しない温度測定手段と電気的に接続して水槽３内の水温を表示する水温表示計４２が設けられている。

そして、操作パネル４１の上部斜面の左下部分には、後述の光照射手段の電源をＯＮ／ＯＦＦする照光スイッチ４３が設けられ、その照光スイッチ４３の上には、後述の発光ダイオードの３原色の発光比率を０〜１００％（図６参照）で調整するとともに発光光量を調整できるＬＥＤ調光器４４が設けられ、このＬＥＤ調光器４４の右隣には、光照射手段の発光時間を１５分毎に２４時間設定可能な照明タイマ４５が設けられている。

このため、操作パネル４１により、容易に照射する光の光量や波長及び色彩を任意に設定することができるとともに、水槽３内の水温も確認することができる。
よって、藻類増殖の環境設定が容易で実験や研究対象のパラメータの差異が明確となるうえ、実験、研究等の再現性を高め、実験、研究、開発などのスピードアップを図ることができる。

背面パネル５は、メラミン樹脂が焼き付け塗装された鋼板からなる筺体内に、光照射手段であるＬＥＤ照明ユニット５０が収められたパネルであり、長孔にネジ止め固定することにより、このＬＥＤ照明ユニット５０と前述の水槽３の水槽本体３０の側面との離間距離が所定範囲（本実施例では５ｍｍ〜２５ｍｍ）内の任意の距離に設定可能となっている。

このため、後述のＬＥＤ照明ユニット５０自体の光量調整だけでなく、水槽本体３０の側面との離間距離を調整できるので、培養瓶Ｂ内で培養する藻類への照射する光を至近距離から高精度で微調整することができる。

ＬＥＤ照明ユニット５０は、光の三原色であるＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の発光ダイオード（ＬＥＤ）を３ｍｍ角のパッケージ内に封入したものが、図５に示すように、１６列×８段の計１２８個、透明なアクリル板の間に挿置された発光ユニットであり、この三原色の発光ダイオードは、それぞれ波長のピークがＲ（赤）＝６６０ｎｍ、Ｇ（緑）＝５２０ｎｍ、Ｂ（青）＝４４５ｎｍで図６に示す発光スペクトルの出力範囲で発光するダイオードである。

このため、ＬＥＤ照明ユニット５０は、操作パネル４１のＬＥＤ調光器４４を手動で操作することにより、制御手段４０でＰＷＭ制御等で制御され、三原色のそれぞれの色の光を０〜１００％の発光比率で光量調整可能（本実施例では、水槽内中央付近において最大光量子束密度１５０μｍｏｌ／ｍ^２／ｓ）、且つ任意の色彩の光に演色可能となっている。

また、背面パネル５によれば、至近距離ながらＬＥＤ照明ユニット５０と水槽本体３０とは、離間しているため、ＬＥＤ照明ユニット５０に接することにより温められた空気は上方から逃げて行き、ダイオード自体の発光による発熱は、輻射による伝熱を除き直接伝熱されない。
このため、温度の変動を極力小さくして、培養の確実性、利便性、均一性を向上させることができる。
なお、ＬＥＤ照明ユニット５０の発熱は、背面パネル５の背面、上面等に設けられた孔（図示せず）から自然に排熱されるが、パネル内にファン等を設けることで強制的に排熱しても構わない。

水槽底板６は、水を透過するためパンチングにより多数の長孔が形成されたステンレス鋼板からなり、その中に温度調節手段である水槽用ヒータ６０が収められ、培養瓶Ｂが直接水槽３の底に当接しないようにする培養瓶Ｂの載置台としての機能を有している。

この水槽用ヒータ６０は、水槽３の水温を測定する図示しない温度測定手段で測定した温度に応じて水槽用ヒータ６０への通電をＯＮ／ＯＦＦするサーモスタット６１と連携して、水槽３内の水温を所定範囲（本実施例では１５〜３２℃を想定している）内にするために加温する温度調節手段としての機能を有している。

なお、培養する藻類の種類等により、低温で培養することが考えられるが、その場合は、温度調節手段として、加温する水槽用ヒータ６０に加え、ペルチェ素子や冷媒の気化熱を利用して冷却するクーラなどの冷却手段を別途設けることが好ましい。

以上のように、実施例１に係る藻類培養照明装置によれば、水槽３内の水の存在により培養瓶Ｂ内の温度変動が起きにくく、培養瓶Ｂ内の培養液で培養する藻類に与える熱の影響が小さいため、水槽用ヒータ６０等の温度調節手段により培養液の温度管理を効率的に精度よく確実に行うことができる。
また、振動を伴わない安価で簡潔な機構で至近距離から光を照射するので、省エネルギーで耐久性、安全性にも優れているだけでなく、障害物が少なく、発光による温度変動の影響が少ない状態で光を照射するので、培養の再現性、確実性、均一性、利便性が良好で、実験や研究・開発等の再現性を向上させて実験・研究・開発等のスピードアップを図ることができる。
それに加え、光の照射時間の管理や、培養瓶Ｂ内の培養液の温度管理が容易であり、更に実験や研究・開発等の再現性を向上させて実験・研究・開発等のスピードアップを図ることができる。

次に、図７及び図８を用いて実施例２に係る藻類培養照明装置１’について説明する。実施例１に係る藻類培養照明装置１との相違点は、藻類培養照明装置１の正面パネル４内に、ＬＥＤ照明ユニット５０がもう一セット付け加えられている点だけなので、その点について説明し、その他の構成についての説明は省略する。

図７及び図８に示すように、藻類培養照明装置１’の正面パネル４’の背面部分には、前述のＬＥＤ照明ユニット５０がもう一セット設けられており、背面パネル５と同様に、長孔にネジ止め固定することにより、ＬＥＤ照明ユニット５０と水槽本体３０の側面との離間距離が所定範囲（本実施例では５ｍｍ〜２５ｍｍ）内の任意の距離に設定可能となっているとともに、ＬＥＤ照明ユニット５０の発熱は、正面パネル４’の上面等に設けられた孔（図示せず）から自然に排熱可能となっている。

実施例２に係る藻類培養照明装置１’によれば、水槽３内の水を介して培養瓶Ｂの両面から光を照射することが可能となるため、前記作用効果に加え、更に藻類の増殖スピードを上げ、実験・研究・開発等のスピードアップを図ることができる。

以上のように、本実施例１及び２に係る藻類培養照明装置を説明したが、図面で示した各構成部材の形状や構造、材質等も、あくまでも好ましい一例を示すものであり、特許請求の範囲内で適宜設計変更が可能であることは云うまでもない。
特に、発光時間を１５分毎に設定できるタイマを例示して説明したが、秒単位に設定可能としても構わないし、別途の制御プログラム等によりパソコンなどの電気計算機等から発光時間を任意に設定でき、且つ、ＬＥＤ照明ユニット５０のパルス時間やデューティー比を設定できるようにしても良い。

１，１’ 藻類培養照明装置
２ 架台
３ 水槽
３０ 水槽本体
３１ 上蓋（蓋）
３２ 上蓋前部
３３ 上蓋後部
３４，３５ 貫通孔
３６，３７ 欠き込み
４，４’ 正面パネル
４０ 制御手段
４１ 操作パネル
５ 背面パネル
５０ ＬＥＤ照明ユニット（光照射手段）
６ 水槽底板
６０ 水槽用ヒータ（温度調節手段）
６１ サーモスタット（温度調節手段）

Claims (4)

1. 上面が開口した有底の水槽と、この水槽の側面外側に沿って立設され、藻類を培養する培養瓶に向け光を照射する光照射手段と、を備えた藻類培養照明装置であって、
   前記水槽内に溜めた液体の温度を調節する温度調節手段を有し、
   前記水槽は、上面の開口を塞ぐ蓋を備え、この蓋は、前記培養瓶の口を位置決めする位置決め孔を有しているとともに、この位置決め孔の中心を通る線で２分割されており、これらの分割された蓋は、それぞれ前記培養瓶内に通じるチューブを挿通するための貫通孔及び／又は欠き込みが形成されており、
   前記温度調節手段により前記水槽内の液体の温度を調節することにより、前記水槽内の液体に浸漬した前記培養瓶の温度を調節しつつ、前記光照射手段により前記水槽の近接位置から前記水槽越に前記培養瓶に光を照射することを特徴とする藻類培養照明装置。
2. 前記光照射手段は、３原色の光を発する発光ダイオードがそれぞれ設けられた発光素子を有し、発光する光の光量調整及び演色調整が可能となっている請求項１に記載の藻類培養照明装置。
3. 前記光照射手段は、タイマによりＯＮ／ＯＦＦの切り換えが自在となっている請求項１又は２に記載の藻類培養照明装置。
4. 前記温度調節手段は、前記水槽内の液体の温度を測定する温度測定手段と、前記水槽内の液体を温めるヒータと、このヒータの通電を前記温度測定手段で測定した温度に応じてＯＮ／ＯＦＦするサーモスタットと、を備える請求項１ないし３のいずれかに記載の藻類培養照明装置。