JPH07184630A

JPH07184630A - 光合成生物の培養装置

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Publication number: JPH07184630A
Application number: JP33101193A
Authority: JP
Inventors: Masaru Nanba; 勝難波; Miyuki Kawada; みゆき川田
Original assignee: CHIKYU KANKYO SANGYO GIJUTSU; CHIKYU KANKYO SANGYO GIJUTSU KENKYU KIKO; Hitachi Ltd
Current assignee: CHIKYU KANKYO SANGYO GIJUTSU; CHIKYU KANKYO SANGYO GIJUTSU KENKYU KIKO; Hitachi Ltd
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1993-12-27
Publication date: 1995-07-25
Anticipated expiration: 2017-05-20
Also published as: JP3283982B2

Abstract

(57)【要約】【目的】培養液中に浸漬した発光担体表面への光合成生
物の付着を抑制して、長期間の高密度大量培養を可能に
する光合成生物の培養装置を提供する。【構成】光合成生物が懸濁した培養液を収容する培養容
器と、炭酸ガス供給手段、及び光照射手段を備えた光合
成生物の培養装置において、前記培養容器が、前記炭酸
ガス供給手段によって生じる気泡の上昇に伴い該培養液
を上昇させる第１の区域と、該区域と連通し、前記培養
液を下降させて該区域に該培養液を循環させる第２の区
域とを具備し、第２の区域内に配設した前記光照射手段
により前記光合成生物に光を照射して培養する。【効果】発光担体への光合成生物の付着を抑制し、長期
高密度大量培養を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光合成生物の培養装置
に係り、より詳細には、藻類，光合成細菌，植物細胞，
カルスなどの生体を光合成反応により培養するための培
養装置に関する。また本発明は、光合成細菌及び／また
は微細藻類などのいわゆる光合成微生物を培養すること
により、有機性排水の処理装置，水素生産装置，炭酸ガ
スの固定化装置、など地球環境汚染の解消に貢献する革
新的な培養装置をも提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】光合成生物に光を照射して培養すること
を目的とした培養装置としては、培養槽の外部から槽内
の培養液に光を供給するか、あるいは培養槽内の培養液
に浸漬した蛍光灯や発光担体により光を供給して光合成
生物を培養する装置が知られている。

【０００３】従来、光合成生物とくにクロレラやスピル
リナなどの藻体を食料や飼料として利用或いはそれらに
含まれる成分を利用するなどの目的で、大量培養法が検
討されてきた。例えば、覆いの無い浅い溝型の培養槽に
培養液を満たし炭酸ガスを含む空気によって耐えず通気
撹拌しながら培養する方法（開放式通気法）、浅い円形
の池の中でポンプと可動性の水平管を用いて培地の一部
を絶えず循環しながら撹拌と炭酸ガスの供給を行い培養
する方法（開放式循環法），透明なプラスチック・チュ
ーブまたはプラスチック・シートで覆った培養槽の中を
絶えず灌流しながら培養する方法（閉鎖式灌流法），培
養タンクの片面を透明なガラス壁にし培地を絶えず撹拌
しながら培養する方法（深槽培養法）、などがある。

【０００４】これらの方法はいずれも、低コストで自然
の太陽光を利用するという点で有効であるが、光の利用
効率、及び生産性などの面では必ずしも十分満足できる
ものではなかった。特に、光合成生物の培養濃度を高く
すると、光が遮蔽されて深部にまで到達しなくなるた
め、培養槽の深さを浅くせざるを得ず、大量培養を行う
には広い敷地面積を必要とした。

【０００５】これを解決するために、特開昭52−105277
号公報には、培養液中に浸漬した導光体を利用して、人
工光あるいは集光した太陽光を培養槽の深部に到達させ
て培養する方法が開示されている。また、培養容積当た
りの照射面積を増大させて生産性を向上させるために、
培養液中に浸漬させる発光担体として、棒状の光導体の
外周部に切り込み溝を設けた光ラジエータ（特開平2−4
9574号公報），光ファイバの表面を特殊加工した側面出
光型光ファイバ（特開昭63−83704 号公報）が開示され
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、人工
光あるいは太陽光を利用して光合成生物を培養するに
は、培養槽内に配設した発光担体を介して光を照射する
ことが、装置の設置面積の低減、あるいは高密度化培養
の面で有利である。しかしながら、長期間の培養を行う
と、培養液中に浸漬した光照射面に、光合成生物、ある
いはその分泌物が付着して光の培養液中への拡散が阻害
される。このため、培養効率の低下のみならず、場合に
よっては培養の継続を中止せざるを得なかった。また、
培養終了後の発光担体の洗浄は容易でない。さらに、光
合成生物を培養液中に浮遊させるための撹拌装置や、あ
らかじめ培養槽内部に発光担体の洗浄装置を組み込むこ
とは、構成が複雑になるばかりか、運転動力あるいはコ
ストの面で不利になる。これらの理由により、光合成生
物の工業的な大規模培養装置に発光担体を適用すること
は実現していない。

【０００７】本発明は、このような状況に鑑みてなされ
たものである。すなわち、本発明の目的は、簡便で、か
つ省エネルギー的な構成で、培養液中に浸漬した発光担
体表面への光合成生物の付着を抑制し、長期間に渡る高
密度大量培養を可能にする光合成生物の培養装置を提供
することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、光合成生
物の炭素源として培養液中に炭酸ガスを含む空気を直接
通気して行う炭酸ガス供給手段に着目し、液中に生じた
気泡の上昇、及びこれに伴う培養液の上向流による発光
担体表面の洗浄効果について検討した。その結果、光合
成生物の付着抑制、及び洗浄効果については優位性が認
められたものの、培養液中に生じた微細な気泡による光
の散乱、あるいは吸収等により、光合成生物に照射され
る実効光強度が低下して、光利用効率が低下した。

【０００９】光合成反応においては、炭酸ガスと光と
を、必ずしも同時に供給する必要はなく、光照射によっ
て生じる光合成の、所謂明反応における還元生成物を十
分に酸化して消費するに必要な溶存炭酸ガスが、予め個
々の光合成生物の細胞内に供給されておれば、光合成反
応の効率を低下させないとの知見を得た。さらに、液中
通気によって生じる培養液の上向流領域に隣接して、こ
れと上下で連通した下降流領域を設けて培養液を速やか
に循環させ、この領域に発光担体を配設した場合におい
ても、先と同様の洗浄効果が得られるとの知見を得た。

【００１０】これらの知見をもとに、本発明では、光合
成生物が懸濁した培養液を収容する培養容器と、該培養
容器内の培養液に炭酸ガスを溶解させるための炭酸ガス
供給手段、及び前記培養容器内の培養液に太陽光または
人工光源より発する光を照射する光照射手段を備えた光
合成生物の培養装置において、前記培養液を収容する培
養容器が、前記炭酸ガス供給手段によって生じる気泡の
上昇に伴い該培養液を上昇させる第１の区域と、該第１
の区域と上下で連通し、前記培養液を下降させて該区域
に該培養液を循環させる第２の区域とを具備し、該第２
の区域内に配設した前記光照射手段により前記光合成生
物に光を照射して培養することを特徴とする光合成生物
の培養装置としたものである。

【００１１】上記培養装置において、培養容器の材質
は、ガラス製，ステンレス製，プラスチック製などを問
わないが、培養液に浸漬した発光担体により照射される
光を、より効率的に光合成反応に利用するためには、培
養容器の内壁面が光を反射する性状を有している方がよ
り好適である。この目的のために、内壁面の一部あるい
は全面に、精密研磨あるいは光反射性コーティングなど
の表面処理を施しておくことが有効である。

【００１２】また、培養液の上向流を生じさせる第１の
区域と、下降流を生じさせる第２の区域とを区分する手
段としては、ドラフトチューブ，仕切り板，連通管、等
の方法を適用できる。

【００１３】炭酸ガス供給手段としては、ガス混合器を
用いて、炭酸ガスを、空気，酸素，窒素等と所望の炭酸
ガス濃度に混合して、前記培養容器の底部内面に配設し
たガス散気管から通気する方法が適用できる。ガス散気
管としては、細孔を有するステンレス製の管，多孔質の
ガラス、あるいはセラミックス，焼結金属体等が好適で
あるが、これらに限定されるものではない。

【００１４】発光担体としては、前述した導光体，光ラ
ジエータ，側面出光型光ファイバ、を利用できるが、人
工光源、あるいは集光して伝送された太陽光を、培養液
に懸濁した光合成生物の光合成反応に有効な波長及び光
強度で発光できるものであれば、材質，形状を問わな
い。

【００１５】光合成生物としては、緑藻やらん藻が用い
られる。緑藻としては、例えば、クロレラ（Chlorell
a），クラミドモナス（Chlamydomonas），セネデスムス
(Scenedesmus)，ボトリオコッカス(Botryococcus)，オ
オシスティス(Oocystis)、などが挙げられる。らん藻と
しては、例えば、シネココッカス(Synechococcus），シ
ネコシスティス（Synechocystis），スピルリナ（Spiru
lina），オシラトリア（Oscillatoria），アナベナ（An
abaena），フォルミディウム(Phormidium），ノストッ
ク（Nostoc）、などが挙げられる。特に、海洋性の緑藻
やらん藻を選択した場合には、培養に必要な大量の培地
として海水をそのまま使用できる点で好適である。ま
た、高温性あるいは好熱性の緑藻やらん藻を用いた場合
には、増殖速度が常温性の物に比較して早く、他のバク
テリアなどの繁殖を抑制できる点で好適である。

【００１６】

【作用】本発明による光合成生物の培養装置において
は、光合成生物を懸濁した培養液を収容する培養容器
を、互いに隣接して上下で連通した２つ以上の培養領域
に区分しており、一方の培養領域の底部に配設した炭酸
ガス供給手段によって液中に通気された気泡の上昇に伴
う上向流によって、他方の領域には下降流を生じる。人
工光及び／又は太陽光を光源とする光を照射する発光担
体を、該下降流領域（第２の区域）に配設することによ
り、前記上向流領域（第１の区域）において炭酸ガスを
溶解させた培養液中の光合成生物に、光を照射して光合
成反応を生じさせて培養するものである。

【００１７】この時、上向流領域において生じた微細な
気泡は、下降流領域においてはほとんど消失しており、
光合成生物に対して行われる光の照射を妨げることがな
い。従って、照射された光は効率的に光合成反応に利用
され、光合成生物を高濃度に培養することができる。ま
た発光担体の表面は、常に下降流によって、接線方向に
流れる培養液によって洗浄されることになり、長期間の
培養においても、光合成生物が付着して発光担体による
光の照射効率を低下させることがない。

【００１８】

【実施例】以下、本発明を、実施例により具体的に説明
するが、本発明はこれらの実施例に制限されるものでは
ない。

【００１９】（実施例１）図１において、１は培養容
器、２は培養容器に収容された培養液、３は培養液に懸
濁した光合成生物、この場合は好温性らん藻である。４
は光源であり、太陽光を集光する集光器、あるいはキセ
ノン，ハロゲン等の人工光源である。５は前記光源から
発する光を発光担体６に導き、培養液中の光合成生物に
供給する光伝送系、この場合は光ファイバーである。光
源４と光伝送系５と発光担体６によって光照射手段を構
成する。

【００２０】７は炭酸ガスを酸素，窒素，空気等と所望
のガス濃度に調整するガス混合器及びガス源、８はガス
供給管、９は培養溶液に炭酸ガスを通気して溶解させる
ガス散気管、この場合は多孔質ガラスであり、これらに
よって炭酸ガス供給手段を構成する。

【００２１】１０はドラフトチューブで、この場合は上
下に開口部を有するガラス製の円筒体である。１１は、
ガス散気管９により培養液中に通気した炭酸ガスを含む
気泡とドラフトチューブ１０によって生じる培養液の流
れ方向を示す。この他に、図１には示していないが、培
養液を光合成生物の適した温度に維持するための温度制
御系、また培養液の状態を計測する溶存炭酸ガス濃度セ
ンサ，溶存酸素濃度センサ，ｐＨセンサ，温度センサ等
を培養容器内に配設し、これらの計測値を記録する記録
計を具備してもかまわない。この場合、溶存炭酸ガス濃
度センサの出力値から、前記炭酸ガス供給手段によって
供給される炭酸ガス濃度あるいはガス供給量を制御する
培養液中炭酸ガス濃度制御系を具備することにより、よ
り効率的に光合成反応を生じさせることができる。

【００２２】さらに、光合成生物を多孔質セラミック等
により、ろ別して培養液を排出する手段、及び補充用の
培養液を収容する培地供給手段を設けることにより、よ
り長期間の培養を行うことができる。

【００２３】次にこれらの動作について、好熱性らん藻
Synechococcus elongatus の培養例をもとに説明する。
培養液２の組成は、それぞれの光合成生物に応じて適宜
調整する。本実施例では、以下の組成から成る培養液を
用いた。

【００２４】ＮａＮＯ₃０.１ｇ／ｌ，ＫＨ₂ＰＯ₄０.２
５ｇ／ｌ，Ｋ₂ＨＰＯ₄０.２５ｇ／ｌ，ＭｇＳＯ₄・７Ｈ
₂Ｏ０.１５ｇ／ｌ，Ｃａ・Ｃｌ₂０.０６ｇ／ｌ，Ｈ₃Ｂ
Ｏ₃０.０３４ｇ／ｌ，Ｎａ₂ＥＤＴＡ０.０３ｇ／ｌ，
(ＮＨ₄）₆Ｍｏ₇Ｏ₂₄・４Ｈ₂Ｏ０.０２２ｇ／ｌ，ＦｅＣ
ｌ₃・６Ｈ₂Ｏ０.０１６ｇ／ｌ，ＭｎＣｌ₂・４Ｈ₂Ｏ
（微量），ＺｎＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏ（微量），Ｃｏ（Ｎ
Ｏ₃）₂・６Ｈ₂Ｏ（微量），ＣｕＳＯ₄・５Ｈ₂Ｏ（微
量）培養液の初期ｐＨを７.５に調整した後、図１に示すよ
うにドラフトチューブ１０の上部が十分液中に浸る高さ
までの液量を培養容器１に張った。図１では省略した温
度制御系により、好熱性らん藻の成育、及び光合成に適
した温度、この場合は５５℃に培養液温度をコントロー
ルした。１×１０⁶個／ｍｌの細胞濃度で接種した後、
ガス供給手段により、空気と混合した５％濃度のＣＯ₂
ガスを０.３リットル／minの流量で、多孔質ガラス製の
散気管から培養液中に通気したところ、培養液中に浮遊
するラン藻細胞（光合成生物）３は、培養液の流れ方向
１１と同様の方向に流れながら拡散して培養液と混合
し、培養容器内の細胞濃度は均一になった。光源４とし
てハロゲンランプを用い、ステンレス製の光伝送管（光
伝送系）５を介して、直径４cmの有底ガラス製円筒容器
の内周部に光拡散シートを張り、底部に光反射体を塗布
した発光担体６に導入した。発光担体の側面からは均一
な発光が得られ、その光強度を、本ラン藻の光合成反応
における飽和光強度である１００μＥ／ｍ²・ｓに調整し
た。この状態で１週間の培養を行った。

【００２５】（比較例１）発光担体６をドラフトチュー
ブ１０の内側に配置した他は、実施例１と同様にして培
養を行った。

【００２６】（比較例２）ドラフトチューブ１０を取り
除いた上に、ガス散気管９を培養容器１の底部全面に配
置した他は、実施例１と同様にして培養を行った。

【００２７】図２には、実施例１、及び比較例１，２で
それぞれ培養を行った時の細胞濃度の変化を測定した結
果を示した。照射光強度が同一であるにもかかわらず、
培養初期の対数的増殖期において認められる比増殖速度
の差は、培養細胞が実際に吸収する実効照射光強度の低
下の度合いが本実施例の場合には少なく、より有効に光
が利用されていることを示す。また、対数的増殖期から
直線的増殖期に移行する細胞濃度を比較することによ
り、本実施例によれば光合成生物をより高密度で培養で
きることがわかる。培養終了後に発光担体６の表面を観
察すると、緑色をしたらん藻細胞の付着がわずかに認め
られ、特に培養液の液面に近い部分では顕著であった。

【００２８】発光担体表面に付着した細胞量を比較する
ために、培養液で発光担体表面を洗浄した洗浄液の吸光
度から細胞の乾燥重量を算出した。実施例１の場合、発
光担体表面の単位積当たり０.２５μｇ／cm²の付着量で
あったのに対し、比較例１，２の場合、それぞれ０.２
１μｇ／cm²、０.７６μｇ／cm²であった。従って、本
実施例によれば、細胞の付着を抑制して長期間に渡る効
率的な培養が可能であることを示す。

【００２９】（実施例２）ドラフトチューブ１０の内側
に発光担体６を挿入し、この６セットを培養容器内に配
設した。この状態を図３に示す。フレネルレンズと光フ
ァイバ、及び太陽光追尾装置から構成された太陽光集光
装置１２によって太陽光の可視光領域を集光し、光ファ
イバ１３によって、発光担体６に導入した。それぞれの
ガス散気管９は、各々４個のドラフトチューブに囲まれ
た中央部分の培養容器底部に配設した。炭酸ガス供給系
によって培養液中に混合ガスの通気を行うと、培養液
は、発光担体の表面を上部から下部に沿って流れた。培
養液の交換を適宜行いながら緑藻クロレラを３週間培養
したところ、良好な生育が認められた。培養終了後に発
光担体表面を観察したところ、培養液面よりわずかに高
い位置に緑色の着色物が見られたものがあったが、液中
に浸漬していた部分では付着物は認められなかった。

【００３０】（実施例３）図４に示すように仕切り板１
４によって、培養容器内を２つの領域に区分した。一方
の領域の底部にガス散気管を配設し、他方には、発光担
体６を３本浸漬した。炭酸ガスと空気の混合ガスをガス
散気管から通気し、ハロゲンランプ光源４の光を光ファ
イバ１２によって分岐して発光担体に導入した。光合成
生物は透過できないが培養液は透過し得る微細孔を有す
るセラミックフィルタを具備した培養液ろ過手段１５に
よって培養液のみを排出し、替わりに、抜き出した培養
液と同量の新鮮培養液を、新鮮培養液供給手段１６によ
って、液供給ノズル１７から発光担体６が培養液に浸漬
している領域のわずか上部に吹き付けるようにして供給
した。２週間の培養後にも、発光担体の全ての部分で、
細胞の付着は認められなかった。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、次の効果を奏する。

【００３２】（１）太陽光及び／又は人工光を、発光担
体により培養槽の深部まで十分な光強度で供給できるた
めに、大量培養を行う際にも培養装置の設置面積を低減
できる。

【００３３】（２）光合成生物に光を照射する発光担体
を、炭酸ガス供給手段による液中通気によって生じた微
細な気泡が消失する培養液の下降流領域に配設すること
により、光合成生物が吸収する実効照射光強度の低下を
抑制し、より高密度で培養することが可能となる。

【００３４】（３）発光担体表面を、循環する培養液で
常に洗浄することにより、光合成生物が付着して光の照
射強度が低下することを抑制し、長期間の連続培養を可
能とする。

【００３５】（４）洗浄装置などの複雑な機構を組み込
むことなく、ドラフトチューブ、あるいは仕切り板とい
った簡便な構成から成り、さらに、撹拌動力を必要とせ
ず、ガス通気によるエアーリフト効果のみによって、上
記の効果を奏することから、省エネルギーで大量の培養
装置に適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一例を示す培養装置の概略説明図であ
る。

【図２】本発明の実施例１による培養結果を比較例と共
に示した図である。

【図３】本発明の他の実施例を示す培養装置の概略説明
図である。

【図４】本発明の更に他の実施例を示す培養装置の概略
説明図である。

【符号の説明】

１…培養容器、２…培養液、３…光合成生物、４：光
源、５…光伝送系、６…発光担体、７…ガス混合器及び
ガス源、８…ガス供給管、９…ガス散気管、１０…ドラ
フトチューブ、１１…培養液流れ方向、１２…太陽光集
光装置、１３…光ファイバ、１４…仕切り板、１５…培
養液ろ過手段、１６…新鮮培養液供給手段、１７…液供
給ノズル。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光合成生物が懸濁した培養液を収容する培
養容器と、該培養容器内の培養液に炭酸ガスを溶解させ
るための炭酸ガス供給手段、及び前記培養容器内の培養
液に太陽光または人工光源より発する光を照射する光照
射手段を備えた光合成生物の培養装置において、前記培養液を収容する培養容器が、前記炭酸ガス供給手
段によって生じる気泡の上昇に伴い該培養液に上向流を
生じさせる第１の区域と、該第１の区域と上下で連通
し、前記培養液に下降流を生じさせて該培養液を循環さ
せる第２の区域とを有し、該第２の区域内に配設した前
記光照射手段により前記光合成生物に光を照射して培養
することを特徴とする光合成生物の培養装置。
【請求項２】請求項１において、前記第１の区域と前記
第２の区域とを区分するためのドラフトチューブを前記
培養容器内に配設したことを特徴とする光合成生物の培
養装置。
【請求項３】請求項１において、前記培養容器内に前記
第１の区域と前記第２の区域とを区分するための仕切り
板を配設したことを特徴とする光合成生物の培養装置。
【請求項４】請求項１ないし３において、前記光照射手
段として蛍光灯を備えたことを特徴とする光合成生物の
培養装置。
【請求項５】請求項１ないし３において、前記光照射手
段として、一端から導入した光を側面部から均等に散乱
する発光担体を備えたことを特徴とする光合成生物の培
養装置。
【請求項６】請求項１ないし５において、前記培養容器
に光合成生物の光合成反応を促進する温度制御系を具備
したことを特徴とする光合成生物の培養装置。
【請求項７】請求項１ないし６において、前記培養容器
に光合成生物の光合成反応を促進する培養液中炭酸ガス
濃度制御系を具備したことを特徴とする光合成生物の培
養装置。
【請求項８】請求項１ないし７において、前記培養容器
内面の一部あるいは全てを光反射性の材質により構成し
たことを特徴とする光合成生物の培養装置。
【請求項９】請求項１ないし８において、前記光合成生
物が、緑藻あるいはらん藻などの微細藻類であることを
特徴とする光合成生物の培養装置。