JP7216239B1 - 藻類培養装置 - Google Patents

Abstract

【課題】管型の閉鎖系フォトバイオリアクターで微細藻類を培養するに当り、二酸化炭素が消耗する前に二酸化炭素供給口まで培養液が戻れるようにポンプの流量制御を行うことを目的とする。【解決手段】藻類を含む培養液を光合成により当該藻類を育成するガラス管３２からなるリアクター３と、リアクター３の出口にて培養液の内的環境要因を測定するための内的センサー８ｂ、８ｃと、リアクター３の外部近傍に備えられ外的環境要因を測定するための外的センサー９ａ、９ｂと、培養液をガラス管３２に圧送するポンプ４と、内的センサーと外的センサーの少なくともいずれかの出力結果によりポンプの流量制御が可能とされるインバータ９ｃと、を自動的に制御する制御システム９と、ポンプから培養液が圧送される流量を測定する流量計６１と、さらに、流量計の出力結果が制御システムにフィードバックされポンプの流量制御が可能とされる。【選択図】図１

Description

本発明は、藻類培養装置、特に、閉鎖系フォトバイオリアクター（ＰＢＲ）内部の培養液を循環させ流量制御可能な藻類培養装置に関する。

藻類培養装置において、微細藻類等の光合成生物を培養するに当り、光合成を促進させ生長・増殖させるためには、太陽光にできる限り当てるようにする。一方で培養液中の栄養素（窒素、リン、カリウム、微量元素）が不可欠であると共に、光合成反応を行うために二酸化炭素を吸収しなければならない。細菌や動物が呼吸のために酸素を常に取り込むのと同様に、微細藻類等も日中は常に二酸化炭素を取り込む必要がある。

従来からレースウェイ型などのオープンポンドの藻類培養装置は、分散して必要な場所に二酸化炭素供給（散気管等設置）を行っている。例えば、特許文献１の培養装置は、培養槽が長楕円形の循環水路を有するレースウェイ型で、培養槽内の培養液の二酸化炭素濃度を適切な濃度に制御するため、培養槽から取り出した一部の培養液に二酸化炭素（気体）を溶解させた後、この二酸化炭素が溶解した培養液を培養槽に戻す気体溶解装置の発明が記載されている。

特開２０２０－６５９９２号公報

しかしながら、レースウェイ型などのオープンポンドと異なり、閉鎖系フォトバイオリアクター（ＰＢＲ）は、外気に接していない分、溶解した炭酸イオンがガスとして逃げることがない一方、構造上、二酸化炭素を吹き込む位置を必要に応じ自由に設置することが難しい。このため、リアクター管内部の流速は微細藻類が沈殿や滞留しないように最低の流速を維持しつつ、天候や培養濃度に応じ、光合成で消費する炭酸イオンが不足しないように、短い滞留時間で循環する必要がある。

ただ、常に早い流速をポンプで与えると、電力消費がかかり、また生物的なダメージも与えてしまう問題がある一方、透明のリアクター管内を培養液が循環する間に二酸化炭素が無くならないようにしないと、微細藻類等が窒息と同様な状態に陥ってしまうという問題もある。

そこで、管型の閉鎖系フォトバイオリアクター（ＰＢＲ）で微細藻類等の光合成生物を培養するに当り、押し出し流れのため供給した二酸化炭素が消耗する前に二酸化炭素供給口まで培養液が戻れるように、必要に応じたポンプの流量制御を行うことを目的とする。

前記課題の目的を達成する第１の発明は、藻類を育成する管型の閉鎖系フォトバイオリアクターによる藻類培養装置であって、
藻類を含む培養液を内部に収容する循環タンクと、
光合成により当該藻類を育成する透明なガラス管からなるリアクターと、
前記培養液を前記ガラス管に一定容積分量を圧送する容積式のポンプと、
前記循環タンクの培養液が前記リアクターに流入される流路の第１接続管と、
前記リアクターの培養液が前記循環タンクに流出される流路となる第２接続管と、
前記リアクターの流路出口側に配置され第２接続管と接続された第１配管と、前記循環タンク側に配置され前記第２接続管と接続された第２配管とからなり、かつ前記第１配管と前記第２配管はそれぞれ鉛直方向の上下に延在され、上方向は前記第２接続管に接続されると共に、下方向は第１配管と第２配管とが屈曲して互いに接続されてＵ字状の流路を構成してなるガス溶解管と、
前記ガス溶解管の前記第１配管の下部に供給口を介して接続され、前記培養液の液中に二酸化炭素ガスを溶解させる二酸化炭素ガス供給部と、
前記リアクターの流路出口の前記第２接続管に配され、前記培養液の内的環境要因を測定するための内的センサーと、
前記リアクターの外部近傍に備えられ外的環境要因を測定するための外的センサーと、
前記内的センサーの出力結果により、前記二酸化炭素ガス供給部からの二酸化炭素ガス供給量を自動的に制御すると共に、前記内的センサーと前記外的センサーの少なくともいずれかの出力結果により前記ポンプの流量制御が可能とされるインバータを自動的に制御する制御システムと、
前記ポンプから前記培養液が圧送される流量を測定する流量計と、を含むことを特徴とする。
第２の発明は、藻類を育成する管型の閉鎖系フォトバイオリアクターによる藻類培養装置であって、
藻類を含む培養液を内部に収容する循環タンクと、
光合成により当該藻類を育成する透明なガラス管からなるリアクターと、
前記培養液を前記ガラス管に一定容積分量を圧送する容積式のポンプと、
前記循環タンクの培養液が前記リアクターに流入される流路の第１接続管と、
前記リアクターの培養液が前記循環タンクに流出される流路となる第２接続管と、
前記リアクターの流路出口側に配置され第２接続管と接続された第１配管と、前記循環タンク側に配置され前記第２接続管と接続された第２配管とからなり、かつ前記第１配管と前記第２配管はそれぞれ鉛直方向の上下に延在され、上方向は前記第２接続管に接続されると共に、下方向は第１配管と第２配管とが屈曲して互いに接続されてＵ字状の流路を構成してなるガス溶解管と、
前記ガス溶解管の前記第１配管の下部に供給口を介して接続され、前記培養液の液中に二酸化炭素ガスを溶解させる二酸化炭素ガス供給部と、
前記リアクターの流路出口の前記第２接続管に配され、前記培養液の内的環境要因を測定するための内的センサーと、
前記内的センサーの出力結果により、前記二酸化炭素ガス供給部からの二酸化炭素ガス供給量を自動的に制御すると共に、前記内的センサーの出力結果により前記ポンプの流量制御が可能とされるインバータを自動的に制御する制御システムと、
前記ポンプから前記培養液が圧送される流量を測定する流量計と、を含むことを特徴とする。
第３の発明は、第１の発明又は第２の発明において、前記内的センサーは、前記培養液の溶存酸素量を測定する溶存酸素濃度計及び前記培養液のｐＨを測定するｐＨ計、培養液の溶存二酸化炭素濃度を測定するＤＣＯ_２センサー、培養液の水温を測定する液温センサーの少なくとも一つであることを特徴とする。
第４の発明は、第１の発明において、前記外的センサーは、前記リアクターの外部に備えられた日射量センサー又は気温センサーであることを特徴とする。
第５の発明は、第１の発明において、前記外的センサーの代わりにインターネットを用いて気象情報を自動入手することを特徴とする。

本発明によれば、管型の閉鎖系フォトバイオリアクター（ＰＢＲ）で微細藻類等の光合成生物を培養するに当り、押し出し流れのため供給した二酸化炭素が消耗する前に二酸化炭素供給口まで培養液が戻れるように、必要に応じたポンプの流量制御を行うことができる。

本実施形態に係る藻類培養装置を模式的に示す図である。 （ａ）は本実施形態に係る藻類培養装置のｐＨ計による流量制御のフロー図で、（ｂ）は本実施形態に係る藻類培養装置の溶存酸素計による流量制御のフロー図で、（ｃ）は本実施形態に係る藻類培養装置の日射量計による流量制御のフロー図である。

［閉鎖系フォトバイオリアクター］
本実施形態に係る藻類培養装置は、管型の閉鎖系フォトバイオリアクターで、例えば太陽光やＬＥＤの照射を十分に受けることが可能な屋外や屋内場所に設置される。このような閉鎖系フォトバイオリアクターは、藻類を含む培養液を内部に収容する循環タンクと、藻類を光合成により培養するガラス管式のリアクターと循環タンクの培養液がリアクターに流入される流路の第１接続管と、リアクターの培養液が循環タンクに流出される流路の第２接続管とを備えている。
なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、藻類を含んだ培養液（以下、単に培養液ともいう。）Ｍの供給と蓄積のための循環タンク２と、微細藻類を培養するリアクター３と、培養液をリアクター３に圧送するポンプ４と、培養液に二酸化炭素を供給するガス溶解管５とを備える。循環タンク２の底方から出た循環液を圧送するポンプ４と、さらにポンプ４からとリアクター３の入口とは第１接続管６で連通しており、リアクター３の流路出口から循環タンク２とは第２接続管７で連通している。ガス溶解管５は、循環タンク２寄りに位置して第２接続管７と連通している。

第１接続管には、ポンプ４からの流量を測定する流量計６１と、第１接続管内部の清掃時のドレン溜めとして用いられるドレン弁６２が設けられている。
また、第２接続管７におけるガス溶解管５とリアクター３との中間位置に、液中のｐＨ（水素イオン指数）、溶存二酸化炭素濃度、溶存酸素濃度、液温を測定するための測定槽８が備えられている。

培養液は、微細藻類を培養するための液で、例えば窒素、リン等の養分及び二酸化炭素を含んだ水である。

循環タンク２は、タンク本体２１と、タンク蓋２２と、排気管２３と、ジャケット２４を有する。タンク本体２１は、槽状の空間で、その底面には、タンク本体２１内部の清掃時のドレン溜めとして用いられるドレン弁２６が設けられている。タンク本体２１は、フレーム２５により支持されている。
また、タンク蓋２２は、例えば板状で、ごみ等の異物が入らないようにタンク本体２１の上部を閉塞している。

また、循環タンク２には、図１の▽符号の液位まで藻類を含んだ培養液が満たされている。このため、液位レベル計（図示せず。）が循環タンク２内の培養液の液位を検出して、この液位レベル計の検出結果に基づいて、培養液の液位（▽符号）が絶えず所定値範囲となるように制御可能とされる。また、温度計（図示せず。）が循環タンク２内の培養液の水温を検出して、この温度計の検出結果に基づいて、培養液温度が絶えず所定値範囲となるように制御可能とされる。

また、培養液の液中の温度を測定する液温計（Ｔ１）８ａが備えられている。この液温計８ａは、例えば、二種類の異なる金属導体で構成された温度センサーを用いた熱電対式の工業用温度計である。この測定結果は、後述する制御システム９に送られ、ポンプ４の流量制御のインバータ（ＩＮＶ）９ｃの指示パラメータとして用いられる。

排気管２３は、タンク蓋２２から突出したＵ字管が設けられている。これにより、循環タンク２内の培養液に悪影響を及ぼす不純物、例えば、本実施形態では、ガス溶解管５から供給されるガス（気体）が化石燃料を燃焼させた際に発生する排気ガスであった場合等、二酸化炭素以外の気体窒素や酸素が大気中に放出される。
また、外部からの異物混入が無いように排気管２３の外側先端にネット２３ａが設けられている。

また、ジャケット２４は、循環タンク２内の培養液の温度を所定の温度に保つために、温水の配管にて円筒状に覆われている。そして、ジャケット２４に連通した加熱用温水流入口２４ａと加熱用温水流出口２４ｂとを有する。加熱用温水流入口２４ａは、循環タンク２よりも鉛直方向の高さが高く、加熱用温水流出口２４ｂはそれよりも低い位置に配置される。
これにより、冬場の寒さにより循環タンク２の培養液の温度が低くなると藻の育成が阻害され、逆に夏場の暑さにより循環タンク２の培養液の温度が高くなっても、やはり藻の育成が阻害されるため、所定の温度として例えば約２０℃以上に保たれるようになっている。なお、藻類の培養温度の好ましくは約２３℃とされる。所定の温度の設定については、一例であり、藻類に適した温度に設定することが好ましい。

ドレン弁２６は、循環タンク２内の培養液Ｍを排出する弁である。循環タンク２内の清掃ときの排液に使用する。また、レベル計（図示せず。）の検出結果に基づいて、培養液の液位が所定値を超える場合、ドレン弁２６から培養液を回収し調整することも可能である。
ドレン弁２７は、循環タンク２内の培養液Ｍをサンプリングする弁である。循環タンク２内ドレン状況の確認検査に使用する。
また、ドレン弁２６の手前にポンプ４との流路（第１接続管６）を開閉する止水弁２８が設けられている。ポンプ４を長期停止してメンテナンス作業の際に使用する。

リアクター３は、培養液に含まれる藻類に光合成を行うための光を透過可能な材料を用いて円筒の管状に形成され、免振構造のリアクターフレーム３１により支持される。また、円筒の管端部をＵ字管で繋ぎ、上下方向に多段的に管路（流路）が形成される。このようなリアクター３の管路の繋目は、例えば、管路の洗浄用ピグ（図示せず。）が管内を止まらずに円滑に進むように隙間や段差が発生しないように結合されている。

このようなリアクター３は、管路（流路）が長さ３０ｍ、５０ｍの規模が大きい屋外用の閉鎖系フォトバイオリアクターの場合であっても、多段式の螺旋形状とすることによりリアクター３の設置面積を抑えつつ、リアクター３の表面積を増やすことができる。この結果、藻類に対して光合成可能な波長の光をより多く照射することができる。
また、藻類が光合成可能な波長の光を照射する光源部（図示せず。）を備えて光を効率的に供給することができるようにしても良い。

ここでのリアクター３のリアクター管（以下、ガラス管という。）３２は、軟化温度が高く熱膨張係数が小さく化学的に安定であるケイ酸（ＳｉＯ２）ガラス管が用いられているが、これに限定されることはなくソフトプラスチック（ＬＤＰＥ）等の光透過性を有する樹脂製のものを用いても良い。
また、最下段の管路には、第１接続管６と接続されて培養液が供給されリアクター３への流路入口３ａと、第２接続管７と接続されて培養液がリアクター３から排出される流路出口３ｂが設けられている。

ポンプ４は、培養液及び図示しない薬液洗浄用ピグ（図示せず。）をリアクター３に圧送するものである。本実施形態のポンプ４は、回転数の高い回転式ポンプではなく、回転数の低い容積式ポンプが用いられる。これは、回転式ポンプの強い流れによって培養液が供給されると、その強い流れによって培養される微細藻類の種類によっては藻類がちぎれて死滅するおそれがある。これを回避するため、一定容積にある分量だけ流れる容積式ポンプであれば微細藻類の育成に沿った緩やかな流れとしている。

ガス溶解管５はＵ字管で、リアクター３の流路出口３ｂ側に配置され第２接続管７と接続された第１配管５ａと、循環タンク２側に配置され第２接続管７と接続された第２配管５ｂとからなり、それぞれ鉛直方向の上下に延在している。上方向は第２接続管７に接続され、下方向は第１配管５ａと第２配管５ｂとが屈曲して互いに接続されている。これにより、第１配管５ａの流路と第２配管５ｂの流路がＵ字状の流路となる。

また、第１配管５ａのＵ字状近傍には、培養液に二酸化炭素ガスを供給して液中に溶解させるための二酸化炭素ガス供給部５ｃが備えられている。二酸化炭素ガス供給部５ｃの供給口５ｄから供給される二酸化炭素は、培養液中で気泡となるが、溶解しやすくするため、気泡の径が例えば、５ｍｍ以下であることが望ましい。また、二酸化炭素ガス供給部５ｃから培養液に供給される第１配管５ａの流路の断面積における気体量は、例えば、２．０ＮＬ（ノルマルリットル）／ｃｍ^２／ｍｉｎ以下であることが好ましく、１．０ＮＬ（ノルマルリットル）／ｃｍ^２／ｍｉｎ以下となることがより好ましい。

ガス溶解管５から供給されるガス（気体）は、化石燃料を燃焼させた際に発生する排気ガスであっても良い。例えば、水素製造装置が都市ガスから水素を製造する際に排出する二酸化炭素をフォトバイオリアクターに直接投入できる。このような排気ガスは、二酸化炭素を含んでいるため、大気中に放出する二酸化炭素の量を低減でき、環境エコに貢献可能とされる。また、光合成により生成する酸素分子を効率よく培養液M中から取り除くために、排気ガス中に含まれる酸素の濃度は、１０％以下となることが望ましい。

二酸化炭素ガス供給部５ｃの供給口５ｄは、第１配管５ａの下部に配置されていることから、二酸化炭素ガスの微細な気泡が下部で生成される。そして、生成された気泡が上昇すると、第１配管５ａ内の培養液は、上向きの推進力を受ける。よって、第１配管内の培養液は上昇して第２接続管７へ流れる。一方で、第２配管５ｂ内の培養液は、第２接続管７から引き込まれる。さらに第２配管５ｂ内の培養液が下向きに流れるために第２接続管７を流れる培養液Ｍの一部が第２配管５ｂ内に引き込まれる。これにより、第２配管５ｂ内から第２接続管７内に戻った培養液の一部は、再びガス溶解管５内にひきこまれるようになっている。

ガス溶解管５の供給口５ｄから第２接続管７の液面までの距離は、１．５ｍ以上、好ましくは、１．５ｍ以上６ｍ未満、さらに好ましくは１．５ｍ以上、２．５ｍ未満である。これによれば、気泡サイズ５ｍｍ以下の場合、二酸化炭素の溶解率が９０％以上となり、効率的な溶解が可能となる。すなわち、二酸化炭素が溶解するのに十分な距離が確保されていることから培養液に溶解する二酸化炭素の量が従来と比べて格段に増加する。

また、ガス溶解管５の第１配管５ａ及び第２配管５ｂは、鉛直方向に対して傾斜していない。よって、配管の内面に気泡が付着しにくい。仮に気泡が付着すると気泡同士が接触して径が大型化した気泡が形成され二酸化炭素の溶解効率が低下するが、そのような事態が避けられる。

ガス溶解管５とリアクター３とを接続連通する第２接続管７上にリアクター３の配内の液中のｐＨ、溶存二酸化炭素濃度、溶存酸素濃度、液温を測定するための測定槽８が備えられている。

この測定槽８は、貯留タンクで、リアクター３から流れ込みガス溶解管５に向かって流れ出て、一定の液面の高さまで満たされている。そして、溶存酸素濃度を測定する溶存酸素濃度計８ｃ、ｐＨを測定するｐＨ計８ｂがある。

そして、これらの測定結果は、図示しない無線通信手段を介して作業管理者に通知され、時間スケール毎にグラフ化されて常時モニター監視される。
なお、測定槽８に限定されないで、第２接続管への埋め込みセンサーを用いて監視することでも構わない。これらをモニター監視で常時することによって、微細藻類の光合成効率（生産効率）を最適化することができるともに、循環流量の自動制御ポンプの制御パラメータとして用いられる。

［循環流量の自動制御ポンプシステム］
本実施形態の藻類を育成する管型の閉鎖系フォトバイオリアクターよる藻類培養装置の循環流量の自動制御ポンプの構成は、図１に示すように、藻類を含む培養液Ｍを光合成により当該藻類を育成するリアクター３を有し、リアクター３のガラス管３２の出口３ｂにて培養液Ｍの内的環境要因を測定するための内的センサーと、リアクター３の外部近傍にて外的環境要因を測定するための外的センサーと、培養液Ｍをリアクター３に圧送するポンプ４と、内的センサーと外的センサーの少なくともいずれかの出力結果によりポンプ４の流量制御が可能とされるインバータ（ＩＮＶ）９ｃと、を自動的に制御する制御システム９と、ポンプ４からの圧送の流量を測定する流量計６１と、を備えている。

外的センサーは、リアクター３の外部に備えられ、光合成に影響を与える外部環境要因を測定するセンサー（日射量センサー９ａ、気温センサー９ｂ）を備えている。
日射量センサー９ａは、フォトダイオードを用いて測定するもので、センシング部、通信部、マイコン部及び電源部が内蔵されていて、測定結果をアナログ或いはデジタル化して出力されるものであればよいので、ここでの説明は省略する。日射量センサー９ａは、光量子束密度センサーで代用してもよい。
気温センサー９ｂは、熱電対、サーミスタ、白金測温抵抗体などを用いた温度センサーで、センシング部、通信部、マイコン部及び電源部が内蔵されていて、測定結果をアナログ或いはデジタル化して出力される。本実施形態では、夏場や冬場の温度が測定できるものであればよいので、ここでの説明は省略する。

また、上記の外的センサー以外に、本実施形態の管型の閉鎖系フォトバイオリアクター（培養装置）が設置されている地域における、現在又は過去に実際に観測された気象観測情報や現在以降に観測されることが予測される気象予測情報でも構わない。例えば、インターネットを用いて気象情報（気象観測情報や気象予測情報等）を自動入手することができる。

内的センサーは、培養液Ｍの溶存酸素量を測定する溶存酸素濃度（Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ Ｏｘｙｇｅｎ：ＤＯ）を測定する溶存酸素濃度計８ｃ及び培養液のｐＨ度を測定するｐＨ計８ｂである。これらの測定機器は、光合成に必要な量の二酸化炭素がリアクター３のガラス管３２内培養液が循環する間に無くなり、微細藻類が窒息と同様な状態に陥らないように、培養液の状態を測定するためのセンサーである。

すなわち、ｐＨ計８ｂは、光合成によって、藻類は生育すると、培養液中の溶存二酸化炭素や養液成分を吸収してｐＨ値は上昇し、そのｐＨ値を測定する。
また、溶存酸素濃度計８ｃは、微細藻類に光があたると、二酸化炭素を吸収して酸素を生成することから、その溶存酸素量を測定する。この溶存酸素濃度計８ｃは、水中に溶解している酸素（Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ Ｏｘｙｇｅｎ）を計測でき、その濃度は単位容積当たりの酸素量（ｍｇ／Ｌ）で表す。光合成による培養プロセスにおいて溶存酸素を計測することは、培養経過を監視する基本的かつ重要な仕様とされる。

ポンプ４は、止水弁２８の川下に配置され、培養液及び図示しない薬液洗浄用ピグ（図示せず。）をリアクター３に圧送可能とし、インバータ（ＩＮＶ）９ｃによって制御され、リアクター３内部の培養液を循環・流速維持される。ここでのポンプ４は、上述のとおり、回転数の高い回転式ポンプではなく、回転数の低い容積式ポンプが用いられ、一定容積にある分量だけ流れるものである。

インバータ（ＩＮＶ）９ｃは、ポンプ４と電気的に接続され、ポンプ４のモータに供給する電力の周波数を制御することによりモータの回転速度を制御可能とし、微細藻類が培養液の流れと共に移動することのできる最低限のポンプ流量に制御される。このようなインバータがないと、モータはフルスピードで動くため速度が制御できないが、インバータを使うことによりポンプ４のモータの速度と加速度を調整でき、自動的にポンプ流量を可変できる。また、このインバータ（ＩＮＶ）９ｃは、制御システム９からの電気信号により制御されている。

流量計６１は、電磁流量計であって、ポンプ４の川下とリアクター３との間で配置され、モータ４によって調整された培養液Ｍの流速を測定する。この測定結果により藻類培養に適切な流量であるか確認することができる。また、ポンプ４の回転制御を行うインバータ（ＩＮＶ）９ｃへフィードバック制御されることにより、正確で適切な流量にポンプ４の流量制御が可能とされる。
この流量計６１の検出部は、流量計６１本体から常に磁界が発せられ、測定対象の培養液がこの磁界中を通過し、起電力が発生を検出することで、培養液の流速・体積流量を算出するものである。

二酸化炭素ガス供給部５ｃは、上述で説明のとおり、第１配管５ａのＵ字状近傍には、培養液に二酸化炭素ガスを供給して液中に溶解させるために備えられている（散気管など、複数も可）。また、二酸化炭素ガス供給部５ｃの供給口５ｄは、第１配管５ａの下部に配置されている。また、この二酸化炭素ガス供給部５ｃは、制御システム９からの信号により制御されている。

制御システム９は、二酸化炭素供給量及びポンプ流量を制御するための環境要因の測定値と培養液の流速の測定値を制御パラメータとして入力させ、培養液に二酸化炭素ガスを供給の制御とポンプ流量を制御するインバータ（ＩＮＶ）９ｃを制御するものである。

次に、循環流量を自動制御するポンプ４の作動について説明する。
管型の閉鎖系フォトバイオリアクター（ＰＢＲ）では、レースウェイと異なり、外気に接していない分、溶存二酸化炭素がガスとして逃げることがない一方、構造上、二酸化炭素を吹き込む位置を必要に応じ自由に設置することが難しい。このため培養する藻類種の沈降性・浮上性・凝集性を考慮し、リアクター管内部の流速を微細藻類が沈殿や滞留しないようにリアクター管内で維持すべき最低限の流量を確保することが求められる。すなわち、数ミクロン程度の微細藻類は流量によっては流されてしまう一方、流量が無いと大きめ藻類は固形化し沈殿するもある。
また、日射量の少ない時間帯や雨模様であれば、光合成が抑えられるので流量を多くする必要もない。

そこで、最低の流速を維持しつつ、天候や培養濃度に応じ、光合成で消費する溶存二酸化炭素が不足しないように短い滞留時間で循環する必要がある。しかし、常に早い流速をポンプ４で与えると、電力消費がかかり、また微細藻類に生物的なダメージも与えてしまうので、必要に応じたポンプ４の流量制御が望ましい。

そこで、最低限の流量は確保しつつ、リアクター３のガラス管３２内の二酸化炭素不足が局部的に発生しないよう、リアクター３全体の滞留時間を考え、インバータ（ＩＮＶ）９ｃ等で自動的にポンプ流量を可変させ、ポンプ４の回転制御を行うインバータ（ＩＮＶ）９ｃへのフィードバック制御することで、より正確で適切な流量にする循環流量の自動制御ポンプシステムとしている。なお、本実施形態では、インバータ（ＩＮＶ）９ｃの最低回転数を設定し循環培養液の最低流量としている。

次に、環境要因を測定するためのセンサーの測定結果に基づきポンプ流量を可変制御について、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のフローを用いて説明する。この図２（ａ）はｐＨ、（ｂ）は溶存酸素（ＤＯ）、（ｃ）は光量と、主要測定項目が相違するもののフロー流れは、基本的に共通している。

これらのセンサーの主要測定項目は、単独または複合的に制御に用いられる。図に示していないが、制御に用いられる主要測定項目が循環流量を自動制御するポンプに反映するか否かの設定を行い、主要測定項目を反映する場合の優先順位の設定を行う。例えば、図２（ａ）の目標ｐＨ、（ｂ）の目標溶存酸素（ＤＯ）のうち、１位が目標溶存酸素（ＤＯが範囲内で、２位が目標ｐＨ範囲外の場合、２位の目標ｐＨを優先的に範囲内になるように優先制御される。

先ず、本実施形態は、図２（ａ）において、目標ｐＨ値が任意の数値以下で不足状況になる場合段階的に流速を高め、逆に任意の数値に戻るに従い流速を段階的に戻すものである。自動制御されるポンプ４は、一定容積にある分量だけ流れる容積式ポンプであり、所定の時間単位毎の流量増をＸｍ^３／ｈ及び、流量減をＹｍ^３／ｈで示している。なお、所定の時間単位毎の流量増をＸｍ^３／ｈ及び流量減をＹｍ^３／ｈについては、育成する藻類によって異なるなっている。

フロー図では、ステップＳ１において目標ｐＨ値が任意の数値以下ならば、ステップＳ２において循環流量増（Ｘｍ^３／ｈ）とし、ステップＳ３においてタイマー設定による所定の時間に任意の数値になるようにインバータ（ＩＮＶ）９ｃ制御によるポンプの流速を段階的に操作し、ステップ１に戻り再度判定するものである。一方、フロー図では、ステップＳ１において目標ｐＨ値が任意の数値以上でならば、ステップＳ４において循環流量減（Ｙｍ^３／ｈ）とし、ステップＳ５においてタイマー設定による所定の時間に任意の数値に戻すようにインバータ（ＩＮＶ）９ｃ制御によるポンプ流速を段階的に操作し、ステップＳ１に戻り再度判定することを繰り返すものである。

また、ｐＨ計８ｂによりｐＨ値が目標値より上昇したことを検知すると、制御システム９の制御により二酸化炭素供給部５ｃの開閉バルブが開き二酸化炭素が培養液に供給される。

次に、図２（ｂ）において、溶存酸素（ＤＯ）が任意の数値以上にならないよう酸素発生量が増えた場合段階的に流速を高め、逆に溶存酸素が低下する傾向を示した場合に流速を段階的に戻すものである。自動制御されるポンプ４は、一定容積にある分量だけ流れる容積式ポンプであり、所定の時間単位毎の流量増をＸｍ^３／ｈ、流量減をＹｍ^３／ｈで示している。

フロー図では、ステップＳ１１において目標溶存酸素（ＤＯ）値（ｍｇ／ｌ）が任意の数値以上ならば、ステップＳ１２において循環流量増（Ｘｍ^３／ｈ）とし、ステップＳ１３においてタイマー設定による所定の時間に任意の数値になるようにインバータ（ＩＮＶ）９ｃ制御によるポンプ流速を段階的に操作し、ステップＳ１１に戻り再度判定するものである。一方、フロー図では、ステップＳ１１において目標溶存酸素（ＤＯ）値（ｍｇ／ｌ）が任意の数値以下でならば、ステップＳ１４において循環流量減（Ｙｍ^３／ｈ）とし、ステップＳ１５においてタイマー設定による所定の時間に任意の数値に戻すようにインバータ（ＩＮＶ）９ｃ制御によるポンプ流速を段階的に操作し、ステップＳ１１に戻り再度判定することを繰り返すものである。

溶存酸素濃度計８ｃにより溶存酸素濃度が目標値より上昇したことを検知すると、制御システム９の制御により二酸化炭ガス供給配管５ｃの開閉バルブが開き二酸化炭素が培養液に供給される。

次に、図２（ｃ）において、日射量が午前中に増加傾向を示した時に段階的に流速を高め午後に低下傾向になった場合に流速を段階的に戻し、夜間は最低流量とする。自動制御されるポンプ４は、一定容積にある分量だけ流れる容積式ポンプであり、所定の時間単位毎の流量増をＸｍ^３／ｈ、流量減をＹｍ^３／ｈで示している。

フロー図では、ステップＳ２１において目標光量（フォトン）が任意の数値以上ならば、ステップＳ２２において循環流量増（Ｘｍ^３／ｈ）とし、ステップＳ２３においてタイマー設定による所定の時間に任意の数値になるようにインバータ（ＩＮＶ）９ｃ制御し、ポンプ流速を段階的に操作し、ステップＳ２１に戻り再度判定するものである。一方、フロー図では、ステップＳ２１において目標光量（フォトン）が任意の数値以下でならば、ステップＳ２４において循環流量減（Ｙｍ^３／ｈ）とし、ステップＳ２５においてタイマー設定による所定の時間に任意の数値に戻すようにインバータ（ＩＮＶ）９ｃ制御によるポンプ流速を段階的に操作し、ステップ１に戻り再度判定することを繰り返すものである。

これらのフロー制御については、指令された経緯や状況が正常であったか否かはその都度、制御システム４にフィードバックされ、記録として作業管理者のＰＣの記憶装置に記憶される。

これにより、透明のリアクター管内を培養液Ｍが循環する間に二酸化炭素が無くならないようにしつつ、微細藻類等の光合成生物を培養するに当り、押し出し流れのため供給した二酸化炭素が消耗する前に、二酸化炭素供給口まで培養液が戻れるように、必要に応じたポンプの流量制御を行うことが可能となる。

[流量制御の他の実施形態]
藻類を育成する管型の閉鎖系フォトバイオリアクターよる藻類培養装置における流量制御の他の実施形態について、図１にて説明する。
本実施形態の構成は、藻類を含む培養液を光合成により当該藻類を育成するリアクター３を有し、培養液をリアクター３に圧送するポンプ４と、ポンプ４の流量制御が可能とされるインバータ（ＩＮＶ）９ｃを培養液の液温計（Ｔ１）８ａの水温と、リアクター３の外部に備えられた日射量センサー９ａが目標光量（フォトン）が任意の数値以上かつ気温センサー９ｂが所定の温度以上ならば自動的にポンプ流量を増量に制御する制御システム９と、を備えている。

例えば、培養液が藻類種による任意の水温（例えば３５℃）以上となり、外気温との差が所定の温度として、５℃以上ある場合にリアクターに清水を散水する。培養液水温、外気温の測定値から、ポンプ４をインバータ（ＩＮＶ）９ｃを介して制御システム９から自動制御するものである。

具体的には、作業管理者は、先ず、水温と外気温との差を抑制する必要があるため、任意の水温以上となる所定の温度を設定する。気温センサー９ｂにより測定される気温は、リアクター３が日射を受けると、ガラス管３２の温度が上昇し、ガラス管３２の培養液の水温も上昇するからである。

所定の水温（例えば、２５℃）以上で、水温と外気温（３０℃）の差が任意の温度（例えば、５℃）以上か否かを制御システム９では判定し、そうならばインバータ（ＩＮＶ）９ｃにポンプ４の回転数をあげて流量を増加するように指令を送る。

これらの制御については、指令された経緯や状況が正常であったか否かはその都度、制御システム９にフィードバックされ、記録として作業管理者のＰＣの記憶装置に記憶される。

これにより、培養液の水温が高くなりすぎ、微細藻類等の光合成生物の培養育成を阻害することを避けるように、必要に応じたポンプによる流量制御を行うことが可能となる。

[二酸化炭素ガス供給の自動制御]
藻類を育成する管型の閉鎖系フォトバイオリアクターよる藻類培養装置における二酸化炭素ガス供給の自動制御の実施形態について、図１にて説明する。ここでの二酸化炭素ガス供給の自動制御の説明は、今までの二酸化炭素ガス供給に係るガス溶解管５における説明と一部重複する記載となるが内容説明のため省略しないで記載し説明をする。
本実施形態の構成は、藻類を含む培養液を光合成により当該藻類を育成するガラス管３２からなるリアクター３を有し、リアクター４のガラス管３２出口にて培養液の内的環境要因を測定するための内的センサーと、培養液に二酸化炭素ガスを供給して液中に溶解させるための二酸化炭素ガス供給部５ｃと、内的センサーの出力結果により、二酸化炭素ガス供給部５ｃからの二酸化炭素ガス供給量が自動的に制御される制御システム９と、ポンプ４から培養液が圧送される流量を測定する流量計６１と、さらに、流量計６１の出力結果が制御システム９にフィードバックされポンプ４の流量制御が可能とされること特徴としている。

内的センサーは、培養液の溶存酸素量を測定する溶存酸素センサー８ｃ及び培養液のｐＨを測定するｐＨ計８ｂ、培養液のＤＣＯ_２（溶存二酸化炭素）濃度を測定するＤＣＯ₂センサー、培養液の水温を測定する液温センサーの少なくとも一つである。その詳細は説明済であるので、ここでの説明は省略する。

二酸化炭素ガス供給部５ｃは、第１配管５ａのＵ字状近傍にあって、培養液に二酸化炭素ガスを供給して液中に溶解させるために備えられている。具体的には、第１配管５ａの下部に配置されていることから、二酸化炭素ガスの微細な気泡が下部で生成される。そして、生成された気泡が上昇すると、第１配管５ａ内の培養液は、上向きの推進力を受ける。よって、第１配管５ａ内の培養液は上昇して第２接続管７へ流れる。一方で、第２配管５ｂ内の培養液は、第２接続管７から引き込まれる。さらに第２配管５ｂ内の培養液が下向きに流れるために第２接続管７を流れる培養液の一部が第２配管５ｂ内に引き込まれる。これにより、第２配管５ｂ内から第２接続管７内に戻った培養液の一部は、再びガス溶解管５内にひきこまれるようになっている。

そして、溶存酸素が多く二酸化炭素が少なくなったリアクター３に対して、培養液に二酸化炭素を溶解させて含有量を増大し培養液が送り込まれる。ただ、微細藻類によっては、培養液を急速にリアクター３に送り込むと培養育成に逆効果になるおそれがあるので、藻類の種類に応じて流量を加減することが望ましい。そこで、本実施形態では、ポンプ４から培養液が圧送される流量を測定する流量計６１を設け、さらに、流量計６１の出力結果が制御システム９にフィードバックされポンプ４の流量制御が可能としている。

これらの制御については、指令された経緯や状況が正常であったか否かはその都度、制御システム９にフィードバックされ、記録として作業管理者のＰＣの記憶装置に記憶される。

これにより、培養液の二酸化炭素が少なくなり溶存酸素が多いことが制御システム９で判定されれば、制御システム９から二酸化炭素ガス供給部５ｃの供給口５ｄが開き、二酸化炭素ガスが培養液に供給されて溶解され、藻類の培養育成の流量制御を行うことが可能となる。

１ 閉鎖系フォトバイオリアクター（藻類培養装置）
２ 循環タンク
３ リアクター
３ａ 流路入口
３ｂ 流路出口
４ ポンプ
５ ガス溶解管
５ａ 第１配管
５ｂ 第２配管
５ｃ 二酸化炭素ガス供給部
５ｄ 供給口
６ 第１接続管
７ 第２接続管
８ａ 液温計（Ｔ１）
８ 測定槽
８ｂ ｐＨ計
８ｃ 溶存酸素濃度計
９ 制御システム
９ａ 日射量センサー
９ｂ 気温センサー
９ｃ インバータ（ＩＮＶ）
２１ タンク本体
２２ タンク蓋
２３ 排気管
２４ ジャケット
２４ａ 加熱用温水流入口
２４ｂ 加熱用温水流出口
２５ フレーム
２６、２７、６２ ドレン弁
２８ 止水弁
３２ ガラス管
６１ 流量計
Ｍ 培養液

Claims (5)

1. 藻類を育成する管型の閉鎖系フォトバイオリアクターによる藻類培養装置であって、
   藻類を含む培養液を内部に収容する循環タンクと、
   光合成により当該藻類を育成する透明なガラス管からなるリアクターと、
   前記培養液を前記ガラス管に一定容積分量を圧送する容積式のポンプと、
   前記循環タンクの培養液が前記リアクターに流入される流路の第１接続管と、
   前記リアクターの培養液が前記循環タンクに流出される流路となる第２接続管と、
   前記リアクターの流路出口側に配置され第２接続管と接続された第１配管と、前記循環タンク側に配置され前記第２接続管と接続された第２配管とからなり、かつ前記第１配管と前記第２配管はそれぞれ鉛直方向の上下に延在され、上方向は前記第２接続管に接続されると共に、下方向は第１配管と第２配管とが屈曲して互いに接続されてＵ字状の流路を構成してなるガス溶解管と、
   前記ガス溶解管の前記第１配管の下部に供給口を介して接続され、前記培養液の液中に二酸化炭素ガスを溶解させる二酸化炭素ガス供給部と、
   前記リアクターの流路出口の前記第２接続管に配され、前記培養液の内的環境要因を測定するための内的センサーと、
   前記リアクターの外部近傍に備えられ外的環境要因を測定するための外的センサーと、
   前記内的センサーの出力結果により、前記二酸化炭素ガス供給部からの二酸化炭素ガス供給量を自動的に制御すると共に、前記内的センサーと前記外的センサーの少なくともいずれかの出力結果により前記ポンプの流量制御が可能とされるインバータを自動的に制御する制御システムと、
   前記ポンプから前記培養液が圧送される流量を測定する流量計と、を含むことを特徴とする藻類培養装置。
2. 藻類を育成する管型の閉鎖系フォトバイオリアクターによる藻類培養装置であって、
   藻類を含む培養液を内部に収容する循環タンクと、
   光合成により当該藻類を育成する透明なガラス管からなるリアクターと、
   前記培養液を前記ガラス管に一定容積分量を圧送する容積式のポンプと、
   前記循環タンクの培養液が前記リアクターに流入される流路の第１接続管と、
   前記リアクターの培養液が前記循環タンクに流出される流路となる第２接続管と、
   前記リアクターの流路出口側に配置され第２接続管と接続された第１配管と、前記循環タンク側に配置され前記第２接続管と接続された第２配管とからなり、かつ前記第１配管と前記第２配管はそれぞれ鉛直方向の上下に延在され、上方向は前記第２接続管に接続されると共に、下方向は第１配管と第２配管とが屈曲して互いに接続されてＵ字状の流路を構成してなるガス溶解管と、
   前記ガス溶解管の前記第１配管の下部に供給口を介して接続され、前記培養液の液中に二酸化炭素ガスを溶解させる二酸化炭素ガス供給部と、
   前記リアクターの流路出口の前記第２接続管に配され、前記培養液の内的環境要因を測定するための内的センサーと、
   前記内的センサーの出力結果により、前記二酸化炭素ガス供給部からの二酸化炭素ガス供給量を自動的に制御すると共に、前記内的センサーの出力結果により前記ポンプの流量制御が可能とされるインバータを自動的に制御する制御システムと、
   前記ポンプから前記培養液が圧送される流量を測定する流量計と、を含むことを特徴とする藻類培養装置。
3. 前記内的センサーは、前記培養液の溶存酸素量を測定する溶存酸素濃度計及び前記培養液のｐＨを測定するｐＨ計、培養液の溶存二酸化炭素濃度を測定するＤＣＯ_２センサー、培養液の水温を測定する液温センサーの少なくとも一つであることを特徴とする請求項１又は２に記載の藻類培養装置。
4. 前記外的センサーは、前記リアクターの外部に備えられた日射量センサー又は気温センサーであることを特徴とする請求項１に記載の藻類培養装置。
5. 前記外的センサーの代わりにインターネットを用いて気象情報を自動入手することを特徴とする請求項１に記載の藻類培養装置。

Images