JP6571529B2 - 藻類培養システム - Google Patents
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Description
本願は、2013年12月9日に日本に出願された特願2013−254530号に対して優先権を主張し、その内容をここに援用する。
光合成微細藻類は、培養液を収容する培養槽又は培養池を有する培養装置で培養される。このような培養装置では、光合成微細藻類と培養液の混合液を撹拌することで、培養された光合成微細藻類の沈降や堆積に伴う腐敗を防止し生産性を高めることが求められる(例えば、特許文献1参照)。
このような構成とされた藻類培養装置200を用いることで、培養された光合成微細藻類の沈降や堆積に伴う腐敗を防止し生産性を高めることが可能となる。
つまり、所定の量(例えば、1kg)の微細藻類の栽培に、多くの電力が必要になってしまうという問題があった。
上記数値から、従来、所定の量(例えば、1kg)の微細藻類の栽培には、多くの電力が必要になってしまうことが分かる。
前記藻類回収ラインの他方の端部は、前記一方の端部よりも低い位置に配置され、前記藻類回収ラインの双方の端部の高低差を利用して前記藻類を前記培養槽から回収してもよい。
図1では、後述する図2に示すシート32の図示を省略する。また、図1に示す流れ発生機33の周囲に描いた矢印は、培養槽31に対して流れ発生機33が回転することを示している。
図3は、図1に示す藻類培養システムのB−B線方向の断面図である。図2及び図3において、図1に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
また、培養槽31の内壁部31bに近い底板部31cには、槽内に収容された培養液13と共に培養した藻類14を回収する藻類回収ライン16の端部を通過させるための藻類回収口31eが設けられている。藻類回収ライン16の端部もシート32を貫通し、培養槽31の底に露出している。
さらに、培養槽31の底板部31cの上面側には、複数の光照射部材38を配置してその位置を規制する凹部が複数設けられている。
培養槽31内に収容された培養液13の深さDは、培養槽31の内径Rの値よりも小さくなるように構成されている。培養槽31内に収容される培養液13の深さDは、例えば、0.4m以上1m以下の範囲内で適宜選択することができるが、0.4m以上0.5m以下が好ましい。
具体的には、培養槽31の内径Rが5mの場合、培養槽31内に収容される培養液13の深さDは、例えば、0.4mとすることができる。
ところで、培養槽31の内壁部31bの形状は、円筒形状に限らず、多角形状であってもよい。また、藻類培養装置を含むシステムの設置場所に依っては、一様でない形状の槽を採用しても、本発明の主題が損なわれることはない。
このような構成とされた培養槽を用いることで、底板部31cが不要となるため、藻類培養装置11の軽量化を図ることが可能となるので、藻類培養装置11の運搬を容易に行うことができる。
このように、シート32として光透過性を有するシートを用いることで、光照射部材38が照射する光(例えば、太陽光)を、シート32に収容された培養液13中に存在する藻類14に照射することができる。
従来の藻類培養装置(特開2011−254724号公報)では、やはり速度勾配の要因といえるプロペラが、培養液の液面から離れた位置にあるので、プロペラの回転に対して反力を生じようとする培養液の粘性が、プロペラの上下を含むすべての部分に作用する。
一方、本実施形態では、羽根部材45が培養液13の液面13aよりも下の比較的浅い領域に配置されるので、支持部材46及び羽根部材45の回転に対して反力を生じようとする培養液の粘性が、従来の藻類培養装置よりも明らかに小さい。羽根部材45の上部は液面13aに近いため、羽根部材45と液面13aとの間の培養液に生じる速度勾配が小さいためである。なお、培養液13は液面13aを介して空気と接しているが、空気の粘性は培養液13の粘性に対して非常に小さいのでここでは無視できる。
つまり、本実施形態では、培養液の粘性に依存して生じる反力(回転する羽根部材45を押し返そうとする力)が従来の藻類培養装置よりも小さいので、羽根部材45を回転させるモータ41にかかる負荷が小さくて済む。したがって、モータ41すなわち流れ発生機33の消費電力を従来よりも抑えることができる。
羽根部材45を構成する材料としては、例えば、木、プラスチック、ステンレスを用いることができる。
使用するモータ41として出力の大きいものを用いた場合、モータ41及び減速機42の重量増が懸念されるが、フロートとしての支持部材46の数を増加させることにより、モータ41及び減速機42の重量増に対して流れ発生機33の浮力が担保されるので、安定した状態を損なうことなく流れ発生機33を培養液13上に浮かべておくことができる。
藻類14を培養する培養液13の体積(以下、「培養体積」という)当たりの投入エネルギー効率φは、下記(2)式で示される。
なお、投入エネルギー効率φは、培養体積を藻類14の培養に要した流れ発生機の出力(投入出力)で割ったパラメータであり、投入出力でどれだけ培養液13を撹拌できるかを示すパラメータである。
このとき、培養体積Vの単位としてm3(立法メートル)を使用し、投入出力Wattの単位としてW(ワット)を用いる。
投入エネルギー効率φは、例えば、0.20〜0.32(m3/W)を目標値とすることが好ましいが、上記数値範囲よりも大きい値の方がより好ましい。
従来のオープンポンドタイプの藻類培養装置を用いる場合、培養液の流速が12m/min以上にすると藻類の沈殿や死滅を抑制することが可能となる。
よって、培養槽31の外周縁における培養液13の流速vは、12m/min以上が好ましい。
つまり、藻類14の沈降や堆積に伴う腐敗を抑制した上で、従来の培養装置よりも少ない電力で所定の量の藻類を培養することができる。
第1及び第2の支柱51,52は、培養槽31を挟んで対向するように、台座部15の上面側に設けられている。第1及び第2の支柱51,52は、台座部15の上面15aからその上方に突出している。
第1のロープ56は、その一端がロープ固定部47に結ばれており、他端が第1のロープ固定部54に結ばれている。第2のロープ57は、その一端がロープ固定部48に結ばれており、他端が第2のロープ固定部55に結ばれている。
光照射部材38としては、例えば、太陽光を照射する光ファイバ(図示せず)と、内部に光ファイバ(図示せず)を収容可能な光ファイバ収容部(図示せず)を有する光透過性のチューブと、を有した部材を用いることができる。
このような光ファイバ収容部(図示せず)の材料としては、例えば、光透過性樹脂(例えば、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂等)、ガラス等を用いることができる。
上記構成とされた光照射部材38は、例えば、図1に示すようなレイアウトで配置することができる。
また、光照射部材38は、光合成に必要な光を培養中の藻類14に照射することが可能な部材を含んでおればよく、光ファイバを構成要素に含むものに限定されない。また、本実施形態では、外部光源としての太陽光を光ファイバを通じて藻類14に照射しているが、太陽光に限らず人工的な光源、例えば蛍光灯、LED等の光を利用して藻類の光合成を促すこともできる。蛍光灯、LED等の人工的な光源を光照射部材38として使用する場合は、それらを培養槽31の底板部31cの上面側に配置し、その光を光ファイバを介することなく藻類14に直接照射してもよい。
台座部15の上面15aは、平坦な面とされている。台座部15の上面15aは、藻類培養装置11が載置される複数の培養装置載置面15bを含む。培養装置載置面15bは、円形とされた面である。図1の場合、縦方向及び横方向に対してそれぞれ2つの培養装置載置面15bが隣り合うように配置されている。
藻類回収ライン16は、その一部が台座部15に内設されており、残りの部分が台座部15の外部(地盤62の上に配置された部分も含む)に配置されている。藻類回収ライン16のうち、台座部15に内設された部分(藻類回収ライン16の一方の端部16aを含む)は、地盤62の上に配置された部分(藻類回収ライン16の他方の端部16bを含む)よりも高い位置に配置されている。
これにより、藻類回収ライン16は、複数のシート32に収容された培養液13及び藻類14を回収可能な構成とされている。
これにより、二酸化炭素供給管17は、二酸化炭素供給口17cを介して、二酸化炭素供給源26内に充填された二酸化炭素を培養液13内に存在する藻類14に供給する。
最大出力が25Wのモータ41を含む流れ発生機33を4台有する藻類培養システム10(図1に示す構成とされた藻類培養システム10)を用いて、藻類14の培養を行う場合、太陽電池パネル21としては、例えば、220Wのパネルを4枚用いることができる。これにより、昼間にモータ41が使用する電力以上の電力を得ることが可能となる。
このように、複数の太陽電池パネル21により変換された電力のうち、昼間に使用しない電力を蓄電する蓄電部23を有することで、別途電力を準備することなく、蓄電部23に蓄えられた電力を用いて、夜間に藻類培養システム10を運転することができる。
なお、蓄電部23としては、例えば、車両であるトラックで使用するバッテリーを複数個組み合わせたものを用いることができる。
太陽光集光部24は、太陽光輸送ライン68を介して、複数の藻類培養装置11を構成する光照射部材38に集光した太陽光を供給する。
二酸化炭素供給源26としては、例えば、二酸化炭素が充填された高圧ガスボンベを用いることができる。
図3では、藻類回収ライン16のうち、台座部15の外周部に延在する部分の中心軸と、台座部15の上面15aと、が平行となるように、台座部15に藻類回収ライン16を内設させた場合を例に挙げて説明したが、例えば、図4に示すように、藻類回収ライン71のうち、台座部15の外周部に延在する部分の中心軸と、台座部15の上面15aと、が交差するように、台座部15に藻類回収ライン71を内設させてもよい。
培養槽31の内径Rは、5mとした。シートとしては、透明ポリ塩化ビニル製の厚さ3mmのシートを用いた。
培養液13である成分を改良したf/2培地を培養槽31内に供給し、培養槽31内における培養液13の深さDが0.4mとなるようにした。また、培養中の培養液13の温度は、15〜35℃の範囲内とした。
この培養液13に、藻類14として高オイル産生海洋珪藻Fistulifera sp. JPCC DA0580株を培地量に対して2%〜5%程度量植菌した。
各流れ発生機33を構成するモータ41としては、最大出力が25Wの交流モータを用いた。また、支持部材46の回転速度は、6rpm(1分間に6回転)とした。
藻類14の培養期間は、10日間(具体的には、24時間×10=240時間)とした。また、4枚の太陽電池パネル21から得られた電力を蓄電部23に蓄電し、これを使用することで、10日間の藻類14の培養を行った。
そこで、培養開始から7日目に、太陽光集光部24により集光した太陽光を培養槽31の底から照射した。
これにより、光不足を補い、藻類14の生産性及びオイルの生産性の向上を図ることができた。
これにより、培養液13に二酸化炭素を炭酸として溶解させて、培養液13のpHを8.2まで低下させた。
なお、培養液13に供給した二酸化炭素は、藻類14の光合成に必要なC源(言い換えれば、炭素)としても利用した。
このことから、1kg(所定の量)当たりの藻類を培養するために要した電力は、5kWhであることが分かった。
11…藻類培養装置、
13…培養液、
13a…液面、
14…藻類、
15…台座部、
15a…上面、
15b…培養装置載置面、
16…藻類回収ライン、
17…二酸化炭素供給管、
18…パネル支持部材、
21…太陽電池パネル、
23…蓄電部、
24…太陽光集光部、
26…二酸化炭素供給源、
31…培養槽、
31a…底面、
32…シート、
33…流れ発生機、
34…流れ発生機位置規制部材、
38…光照射部材、
41…モータ、
42…減速機、
43…回転軸、
45…羽根部材、
45a…上端面、
46…支持部材、
47,48…ロープ固定部、
51…第1の支柱、
52…第2の支柱、
54…第1のロープ固定部、
55…第2のロープ固定部、
56…第1のロープ、
57…第2のロープ、
62…地盤、
65…接続部材、
66…二酸化炭素供給ライン、
68…太陽光輸送ライン、
71…藻類回収ライン、
110…藻類培養システム、
C…中央部、
D…深さ、
E…循環流、
N,W1,W2…幅、
M…中心線、
R…内径、
GL…地表
Claims (21)
- 複数の藻類培養装置と、
複数の前記藻類培養装置と電気的に接続された蓄電部と、
前記蓄電部と電気的に接続された太陽電池パネルと、を備え、
前記藻類培養装置は、
藻類及び該藻類を培養する培養液を収容する培養槽と、
前記培養槽に設けられ、該培養槽内の液面及びその近傍の前記培養液を、前記培養槽の中央から該培養槽の内壁部に向かって移動させることで、前記培養液の液面及びその近傍に、前記培養槽の中央から該培養槽の内壁部に向かい、前記内壁部で向きを変えて前記内壁部に沿って下方に流れ、前記培養槽の底面に達してさらに向きを変え、前記内壁部から前記培養槽の中央に向かって流れ、前記培養槽の中央で、前記液面に向けて上昇する前記培養液の流れを生じさせる流れ発生機と、
前記流れ発生機が前記培養液に浮かんだ状態で、前記培養槽の中央部に前記流れ発生機の位置を規制する流れ発生機位置規制部材と、
を備え、
前記流れ発生機は、
モータと、
一方の端部が前記モータに接続された回転軸と、
基端部が前記回転軸の他方の端部に接続されて前記回転軸を中心に放射状に配置された複数の支持部材と、
前記支持部材の先端部に取り付けられた複数の羽根部材と、
を有し、
前記培養槽に収容された前記培養液の液面に対して前記回転軸が直交するように配置された状態で、前記複数の羽根部材が前記回転軸よりも前記培養槽の前記内壁部寄りに配置され、前記支持部材から垂下することで前記培養液に接し、
前記太陽電池パネルで発電した電気を前記蓄電部に供給し、複数の前記流れ発生機を駆動することを特徴とする藻類培養システム。 - 前記支持部材は前記培養液よりも比重が軽く、前記培養液に対し前記流れ発生機の浮力を確保するための浮力材であることを特徴とする請求項1に記載の藻類培養システム。
- 前記複数の支持部材は、隣接する該支持部材同士が成す角度が全て等しくなるように配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の藻類培養システム。
- 前記培養槽は、平面視すると前記内壁部が円筒形状であり、前記流れ発生機は前記培養槽の中央部に配置されることを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載の藻類培養システム。
- 前記流れ発生機は、前記培養槽の中央から前記内壁部に向かう前記培養液の流れを、前記培養液に対して前記培養槽の中央から全方向に生じさせることを特徴とする請求項1から4の何れか一項に記載の藻類培養システム。
- 前記藻類培養装置は、前記培養槽に収容された前記培養液中に存在する前記藻類に光を照射する光照射部材を備えることを特徴とする請求項1から5の何れか一項に記載の藻類培養システム。
- 前記光照射部材は前記培養槽の底面に配置された光ファイバを含み、外部光源の光を、前記光ファイバを通じて前記培養槽の底面に導いて前記藻類に照射することを特徴とする請求項6に記載の藻類培養システム。
- 前記光照射部材は前記培養槽の底面に配置され、前記藻類に自ら発する光を照射することを特徴とする請求項6に記載の藻類培養システム。
- 前記培養槽は、地盤を地表よりも掘り下げて形成されていることを特徴とする請求項1から8の何れか一項に記載の藻類培養システム。
- 前記培養槽に被せられ、該培養槽の内壁部及び底部を覆うシートを前記藻類培養装置がさらに備え、
前記培養液は前記シートを介して前記培養槽に収容されていることを特徴とする請求項1から9の何れか一項に記載の藻類培養システム。 - 前記培養槽に、該培養槽内に収容された前記培養液に二酸化炭素を供給するための二酸化炭素供給口が設けられていることを特徴とする請求項1から10の何れか一項に記載の藻類培養システム。
- 前記二酸化炭素供給口は、前記培養槽の底面の中央に配置されていることを特徴とする請求項11に記載の藻類培養システム。
- 前記培養槽に、前記培養液中で培養した前記藻類を前記培養液とともに回収するための藻類回収口が設けられていることを特徴とする請求項1から12の何れか一項に記載の藻類培養システム。
- 前記藻類回収口は、前記培養槽の底面に配置されていることを特徴とする請求項13に記載の藻類培養システム。
- 前記流れ発生機は、1つの前記培養槽に対して1つ設けられることを特徴とする請求項1から15の何れか一項に記載の藻類培養システム。
- 前記培養槽内に収容された前記培養液に、前記培養槽に設けられた二酸化炭素供給口を通じて二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給源を備えることを特徴とする請求項1から16の何れか一項に記載の藻類培養システム。
- 太陽光を集光し、該集光した太陽光を藻類培養装置に設けられた光照射部材に供給する太陽光集光部を備えることを特徴とする請求項1から17の何れか一項に記載の藻類培養システム。
- 一方の端部が前記培養槽に設けられた藻類回収口に接続され、前記培養液中で培養した前記藻類を前記培養液とともに回収する藻類回収ラインを備え、
前記藻類回収ラインの他方の端部は、前記一方の端部よりも低い位置に配置され、前記藻類回収ラインの双方の端部の高低差を利用して前記藻類を前記培養槽から回収することを特徴とする請求項1から18の何れか一項に記載の藻類培養システム。 - 前記藻類回収ラインの少なくとも一部が、前記一方の端部から前記他方の端部に向けて傾斜していることを特徴とする請求項19に記載の藻類培養システム。
- 前記太陽電池パネルが、前記培養槽の上方に設置されていることを特徴とする請求項1から20の何れか一項に記載の藻類培養システム。
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