JP4523187B2 - 光バイオリアクタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光バイオリアクタに係り、特に太陽光を利用して菌体（以下、藻類または植物細胞ということがある）を培養して大気中または排ガス中の二酸化炭素を固定するとともに被処理水中の窒素分およびリン分を処理する光バイオリアクタであって、単位設置面積当たりのＣＯ₂ 固定量および処理可能窒素・リン量を高めることができる光バイオリアクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球温暖化の要因の一つである、二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を固定または回収する方法として、例えば化学吸収法、物理吸収法、物理吸着法、膜分離法、深冷分離法、藻類の光合成能を利用した生物的方法等が知られている。なかでも、近年、太陽光を利用した光バイオリアクタが注目を集めている。
【０００３】
光バイオリアクタは、直接受光型のリアクタと集光伝送型のリアクタに大別されるが、集光伝送型リアクタは散乱光を利用できないので、効率の向上を図るためには太陽追尾装置が必要となり、集光比を高くするほどその度合が大きくなる。このため、年間日射量に対する散乱日射量の割合が大きいわが国にあっては、リアクタ設置面積当たりのＣＯ₂ 固定量または処理可能窒素・リン量を増大するためには、直接受光型リアクタが適している。
【０００４】
直接受光型リアクタとしては、例えばオープンポンド型、レースウェイ型、ドーム型、攪拌タンク型、フラットパネル（函）型、チューブラー型のリアクタが知られており、その設置面積当たりの受光面積は、オープンポンド型リアクタ、レースウェイ型リアクタ（受光面積＝設置面積）＜ドーム型リアクタ、攪拌タンク型リアクタ（受光面積＝設置面積×２〜３以下）＜フラットパネル（函）型リアクタ、チューブラー型リアクタ（受光面積＝設置面積×３以上）の順に大きくなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の光バイオリアクタにおける光利用率は、必ずしも満足できるものではなく、光利用率をより向上させ、単位面積当たりのＣＯ₂ 固定量および処理可能窒素・リン量を大幅に増大することができる光バイオリアクタの開発が望まれていた。
本発明の課題は、かかる要望に応え、太陽光エネルギを効率よく利用し、単位設置面積当たりのＣＯ₂ 固定量および処理可能窒素・リン量を大幅に増大させることができる光バイオリアクタを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願で特許請求する発明は以下のとおりである。
（１）培養槽内の培養液に太陽光を照射して前記培養液中で菌体を培養し、二酸化炭素の固定および排水中の窒素・リン処理を行う光バイオリアクタにおいて、前記培養槽が、所定間隔で多数配置された複数の直接受光型単位リアクタで、該単位リアクタ相互の間隔調節手段を有すると共に、前記単位リアクタは、フラットパネル（函）型の培養槽で下方を先細り状とした断面くさび型を呈していることを特徴とする光バイオリアクタ。
【０００７】
（２）前記培養槽が、直接受光型の単位リアクタを上下左右に複数配列した多段ユニットを多数列設したものからなり、前記多段ユニット相互の間隔調節手段を設けたことを特徴とする上記（１）に記載の光バイオリアクタ。
（３）前記単位リアクタまたは多段ユニットの上部に光遮蔽手段を設けたことを特徴とする上記（１）または（２）に記載の光バイオリアクタ。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例を示す光バイオリアクタの説明図である。
図において、この光バイオリアクタ（光合成培養装置）は、所定間隔で多数配列された複数の直接受光型の単位リアクタ１からなり、具体的には上下２段、左右３列に配置された６個の単位リアクタ１からなる多段ユニット２と、図示省略した前記多段ユニット２相互の間隔を調節する手段（リアクタスライド）とを有する。単位リアクタ１は、フラットパネル型の培養槽であり、下方を先細り状とした断面くさび型を呈している。
【０００９】
このような構成において、被処理ガスとしての例えば空気、ＬＮＧ発電所の排ガス、精製された燃焼排ガス等は、図中矢印Ｇで示されるように、培養液として、例えば下水二次処理水、河川水等が満たされた各単位リアクタ１にその下方から流入し、前記培養液に懸濁した藻類、例えばクロレラ類、らん藻類等によってＣＯ₂ が固定、除去され、低ＣＯ₂ ガスとして単位リアクタ１から流出する。一方、被処理水としての、例えば下水二次処理水、河川水等は、図中矢印Ｗで示されるように、各単位リアクタ１にその上部または側部から流入し、窒素分およびリン分が前記藻類の栄養源として消費され、高度処理水として流出する。増殖した菌体を含む培養液は、所定間隔でまたは連続的に系外に抜き出され、菌体を分離したのち再利用される。
【００１０】
本実施例によれば、培養槽を、単位リアクタ１を上下左右に多数配列した多段ユニット２をさらに多数列設して構成したことにより、設置面積当たりの受光面積が増大し、菌体が効率よく増殖するので、単位設置面積当たりのＣＯ₂ 固定量および処理可能窒素・リン量が大幅に増大する。
【００１１】
本実施例によれば、単位リアクタとして直接受光型のフラットパネル（函）型リアクタを用いたことにより、設置面を除く５面全てが受光面となるので、設置面積に対する受光面積の割合を大きくとることができる。また直達日射光だけでなく天空散乱日射光をも受光できるので、効率よく菌体が培養され、ＣＯ₂ 固定量および処理可能窒素・リン量が増大する。
【００１２】
本実施例によれば、単位リアクタ１の下方を先細り状の断面くさび型としたことにより、リアクタ内の光路長を短縮して単位体積当たりの入射太陽光度の低下を抑制できるので、入射する太陽光強度が低下し易い培養槽の下方部であっても、必要太陽光強度を確保して効率のよい菌体培養を行うことができる。
【００１３】
本実施例において、単位リアクタの構成材料は、透明部材であり、例えばアクリル板、ガラス板等が好適に用いられる。またその大きさは、例えば幅１００ｍｍ×高さ１０００ｍｍ×奥行き１０００ｍｍである。単位リアクタ相互の配列および固定部材としては、例えばスチール板、アクリル板等が用いられ、リアクタの各辺に合わせた枠組みを構成し、リアクタが固定される。
【００１４】
本実施例において、多段ユニット２相互の間隔調節手段を設けることが好ましい。これによって、季節等に応じて間口間隔を調節することにより多段ユニット２相互の間口へ入射する太陽光強度を調節して必要強度を確保することができる。すなわち、例えば太陽の高度が高い夏場は多段ユニット２相互の間隔を狭くし、太陽の高度が低い冬場は多段ユニット２相互の間隔を広くすることにより（図１参照）、気象条件の変化による入射太陽光強度の大幅な低下を防止し、必要な太陽光強度を確保することができる。多段ユニット相互間の間隔は、各培養槽が必要最少量の受光量を安定に確保できる長さであればよく、例えば２５０〜１０００ｍｍである。
【００１５】
本発明において、単位リアクタまたは多段ユニット相互の間隔調節手段は、例えば多段ユニットの底部に設けられた車輪と、該車輪を回転可能に支持する軌道とからなるが、特に限定されるものではない。
本発明において、単位リアクタへの被処理ガスまたは被処理水の供給方法は、通常並列、かつ連続的に行われるが、複数個の単位リアクタごとに直列に供給したり、間歇的に供給してもよい。
【００１６】
本発明において、単位リアクタまたは多段ユニットの上部に光遮蔽手段を設けることが好ましい。これによって、最適受光強度による菌体の増殖を促進し、ＣＯ₂ の固定量および処理可能窒素・リン量の増大を図ることができる。すなわち菌体としての藻類は光希釈効果により、受光強度が低すぎると増殖率を向上させることはできないが、受光強度が必要以上に強すぎても増殖率が低下するという特性を有する。従って、光遮蔽手段により必要に応じて一部の光を遮蔽することにより、最適培養条件を維持することができる。
【００１７】
図２は、本発明の一実施例である光遮蔽手段を設けた光バイオリアクタの説明図である。図において、複数の多段ユニット２が所定間隔で配置された光バイオリアクタの前記多段ユニット２の上部に光遮蔽手段として網状の膜が配設されている。網状の膜は、例えば多段ユニット２の上部一端にロール巻取り方式によって固定されており、必要に応じて電動または手動によって引き出して使用され、これによって多段ユニット相互の間口へ入射する太陽光強度が調節される。
【００１８】
例えば、日射光は天候によって左右され、曇りまたは雨の日の日射光は、晴天の日と異なって天空散乱光だけとなり、また日射量は、春、夏、秋、冬の季節変動によっても大きく変動するが、光遮蔽手段を採用することにより、日射量および光強度の大幅な増大を緩和することができる。光遮蔽手段の網目の大きさは、特に限定されないが、種々の大きさのものを用意しておき、気象条件に応じて適宜選択して使用することが好ましい。網状の膜を重ねて広げることにより、より強い遮蔽効果を得ることができる。
【００１９】
なお、単位リアクタまたは多段ユニットが太陽と対面するように、太陽の移動に合わせてリアクタを追尾させる手段を設けることもできるが、直接受光型のリアクタを用いることにより散乱光をも受光できるので、リアクタを南向きに配置すれば、特に必要ではないと考えられる。
【００２０】
【発明の効果】
本願の請求項１記載の発明によれば、設置面積に対する受光面積を大幅に増大して菌体の培養効率が向上し、ＣＯ₂ の固定量および処理可能窒素・リン量を大幅に増大させることができ、また設置面積に対する受光面積の割合が大きくなり、しかもリアクタの下方部においても必要太陽光強度を確保して効率のよいＣＯ ₂ の固定および排水中の窒素・リン処理が可能となる。
【００２１】
本願の請求項２記載の発明によれば、上記発明の効果に加え、ＣＯ₂ の固定能力および窒素・リンの処理効率がより向上する。
【００２２】
本願の請求項３に記載の発明によれば、上記発明の効果に加え、照射太陽光を最適強度に調節することができるので、菌体の増殖効率が向上し、ＣＯ₂ の固定効率および窒素・リンの処理効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明である光バイオリアクタの一実施例を示す説明図。
【図２】本発明の他の実施例を示す説明図。
【符号の説明】
１…単位リアクタ、２…多段ユニット、３…光遮蔽手段。

Claims (3)

1. 培養槽内の培養液に太陽光を照射して前記培養液中で菌体を培養し、二酸化炭素の固定および排水中の窒素・リン処理を行う光バイオリアクタにおいて、前記培養槽が、所定間隔で多数配置された複数の直接受光型単位リアクタで、該単位リアクタ相互の間隔調節手段を有すると共に、前記単位リアクタは、フラットパネル（函）型の培養槽で下方を先細り状とした断面くさび型を呈していることを特徴とする光バイオリアクタ。
2. 前記培養槽が、直接受光型の単位リアクタを上下左右に複数配列した多段ユニットを多数列設したものからなり、前記多段ユニット相互の間隔調節手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の光バイオリアクタ。
3. 前記単位リアクタまたは多段ユニットの上部に光遮蔽手段を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の光バイオリアクタ。

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