JPH04287678A

JPH04287678A - バイオリアクタ

Info

Publication number: JPH04287678A
Application number: JP5436291A
Authority: JP
Inventors: Moriaki Tsukamoto; 守昭塚本; Isao Sumida; 勲隅田; Hisamichi Inoue; 久道井上
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-03-19
Filing date: 1991-03-19
Publication date: 1992-10-13

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、太陽，人工光源等から
の光を利用して藻類等を増殖するバイオリアクタに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】藻類等の植物は光のもとで光合成を行な
い、炭酸同化作用等により種々の有用物質を生産する。しかし、自然状態における植物の太陽光利用効率は２％
前後と低く、工業化のためにはこの効率を高める必要が
ある。そのため、藻類の培養に最適な条件を設定可能な
バイオリアクタの開発が注目されている。しかし、太陽
光又は人工光などの光源からの光スペクトルは、必ずし
も藻類の培養に最適な光スペクトルではない。従って、
光源からの光スペクトルを藻類の培養に最適な光スペク
トルに近付けることができれば、バイオリアクタの光利
用効率を高めることができる。さらに、バイオリアクタ
では藻類を高密度で培養するため、水中の藻類全体にで
きるだけ均一な光を入射する必要がある。ただし、藻類
の増殖率は太陽からの日射量（〜１ｋＷ／ｍ２）より相
当低い光強度（日射量の１／１０〜１／３）で飽和する
ので、太陽光を有効に利用するためには飽和光強度程度
に光を効率良く分散して藻類に入射する必要がある。

【０００３】光の波長を変換する機能をもつ物質は、蛍
光体が知られている。すなわち、蛍光体では特定の波長
範囲の光を吸収し、その吸収スペクトルに相当する光よ
り長波長側にスペクトルをもつ光を発光する。この蛍光
体の波長変換機能を利用した太陽電池，集光装置，温室
等が知られている。

【０００４】従来の蛍光体を用いた太陽電池では、特開
昭５７−１５２１７０号公報に記載のように、蛍光体を
溶解した透明プラスチック（波長変換層）に入射する光
のうち、蛍光体の吸収スペクトルに相当する光をより長
波長の光に変換して、この光を残りの入射光とともに光
学的に接続した太陽電池により電気エネルギに変換する
構造となっていた。これにより、太陽電池に適した波長
成分を増加させて、入射光の電気エネルギへの変換効率
を向上していた。

【０００５】また、従来の蛍光体を用いた温室装置では
、特開昭６１−１４７０５６号公報に記載のように、透
明なガラス板の裏面前面に吸収スペクトルに相当する光
以外には透明である波長変換体（蛍光体）の層を設けて
集光板（波長変換層）を構成し、その波長変換層で温室
の屋根を構成していた。これにより、屋根に入射する光
の一部をより長波長の光に変換して波長変換層界面の全
反射を利用して集光し、波長変換層の一部から取り出し
た光を光ファイバ等により伝送して地中蓄熱に利用する
ともに、残りの入射光と波長変換された光のうち全反射
条件を満たさずに温室の内側に入射する光を温室内の植
物に入射させていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の蛍光体を用いた
太陽電池の構造では、光の入射方向に面した平板状の波
長変換層の裏面に太陽電池を光学的に接続している。従
って、太陽電池のかわりに藻類を含む培養液に置き換え
るだけでは太陽光および波長変換された光は片面からの
み入射するため、波長変換層の表面近くの藻類にのみ飽
和光強度以上の過剰な光強度で入射する。しかし、その
光は培養液の表面近くで吸収，散乱され、水中に分散し
た大部分の藻類へ入射する光強度は不足する。そのため
、入射した光の一部しか藻類の培養に利用できないとい
う問題がある。

【０００７】従来の蛍光体を用いた温室装置でも従来技
術と同様に、太陽に面した植物にのみ光が入射すること
になり、植物全体にできるだけ均一な光を分散して入射
することは困難であった。また、本従来技術では波長変
換された光を集光することに主眼が置かれている。その
ため、波長変換されなかった光は温室内へ入射するが、
波長変換された光はその一部のみが温室内に入射するに
すぎなかった。

【０００８】従って、本発明の目的は、光源からの光及
びその一部が波長変換された光を水中の藻類全体に過不
足なく効率良く分散して入射させることの可能なバイオ
リアクタを提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】光源からの光及びその一
部が波長変換された光を水中の藻類全体に過不足なく効
率良く分散して入射させるため本発明のバイオリアクタ
要素では、透明プラスチック、例えばアクリル樹脂に有
機蛍光体を溶解した管状波長変換体で培養液を取り囲む
ように培養液流路を構成した。さらに性能を向上するた
め、培養液流路内にねじり板を配置した。また、バイオ
リアクタ要素の下側に断面が概略半円状の反射板を配置
し、このバイオリアクタ要素を複数本直列、又は並列に
接続してバイオリアクタを構成した。また、このバイオ
リアクタの太陽光入射側に赤外線反射フィルタを配置し
た。

【００１０】

【作用】本発明のバイオリアクタの特徴的な作用，効果
を以下に説明する。

【００１１】管状波長変換体の上部に入射した太陽光の
うち蛍光体の吸収スペクトルに相当する光は、波長変換
体内でより長波長の光に変換される。その他の太陽光は
波長変換体を透過して培養液に入射する。波長変換され
た光は等方的に蛍光体より放射され、太陽光入射側の界
面（管状波長変換体の外表面）および培養液との界面（
管状波長変換体の内表面）への入射角の大きさにより、
（１）　太陽光入射側の表面より外部に逃げる光、（２
）　太陽光入射側の界面（表面）で全反射される光、（
３）　波長変換体と培養液との界面を通過して培養液に
入射する光、（４）　波長変換体と培養液との界面で全
反射される光、に分かれる。これらの光のうち（２）　
と（４）　は全反射を繰り返して波長変換体内に分散さ
れる。その過程で波長変換体内の微小な欠陥などにより
方向が変わったり、界面の微小な凹凸などにより全反射
条件を満たさなくなった光が界面より出ていく。このと
き、空気，アクリル樹脂（波長変換体の母材），水（培
養液の母材）の屈折率はそれぞれ１．００，１．４９，
１．３３　であるので、大部分の光は培養液との界面で
先に全反射条件を満たさなくなり、培養液流路に入射す
ることになる。これにより波長変換された光が太陽光が
直接入射しない培養液流路にまで回りこむことができ、
効率良く分散して培養液流路に入射させることが可能と
なる。

【００１２】培養液流路内のねじり板は培養液の流れを
撹拌するので、培養液流路の周方向に光の強度分布があ
ったとしても、培養液内の藻類に平等に光を吸収する機
会を与えるのを助ける作用をする。

【００１３】バイオリアクタ要素の下側に配置した断面
が概略半円状の反射板は、太陽光を反射して培養液流路
の下側からも太陽光を入射させるので、培養液流路の周
方向の光強度分布をさらに均一にする。

【００１４】バイオリアクタの太陽光入射側に配置した
赤外線反射フィルタは、太陽光から藻類の増殖に不必要
な赤外線を除去する。これにより、培養液が必要以上に
加熱されるのを防ぐ。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１により説明す
る。図１は本発明のバイオリアクタの平面図である。図
１において、カバーとしてコールドフィルタ６を設けた
ケース５の内部に複数本のバイオリアクタ要素１が並列
に配置され、それぞれのバイオリアクタ要素１の両端は
それぞれ入口ヘッダ４，出口ヘッダ３に接続されている
。また、それぞれのバイオリアクタ要素１の下側には、
それぞれ断面が半円状の反射板２が配置されている。

【００１６】図２は図１のバイオリアクタのＡ−Ａ断面
図である。図２において、バイオリアクタ要素１は、円
管状の波長変換体７とその内部に配置されたねじり板８
とで構成され、藻類及びその培養に必要な炭酸ガス等を
含む培養液９が流れる培養液の流路を構成している。円
管状の波長変換体７は、例えば、蛍光体としてＲＥＤ−
３００（商品名）を溶かし込んだアクリル樹脂を、管状
に形成することによって得られる。

【００１７】以下、本発明の作用を図２を参照して説明
する。バイオリアクタに入射する太陽光の内、藻類の増
殖に不必要な波長７００〜８００ｎｍ以上の光はコール
ドフィルタ６の反射により除去され、可視光のみが透過
する。これにより、バイオリアクタ要素１が不必要に加
熱されるのを防止できる。透過した可視光は、直接、円
管状の波長変換体７に入射するか、又は、反射板２で反
射されて波長変換体７に入射する。これにより、下側か
らも太陽光が入射するので波長変換体７の周方向の光強
度分布を均一に近付ける。しかし、これだけで光強度分
布を均一にすることは困難であり、影になる部分が残る
。

【００１８】管状の波長変換体７に入射した光のうち藻
類増殖への寄与が小さい波長５００〜６００ｎｍの光は
蛍光体に吸収される。それ以外の光は培養液９に入射す
る。蛍光体に吸収された光は藻類の増殖に有効な波長６
００〜６５０ｎｍの光に変換されて放射される。この放
射光は等方的に放射され、太陽光入射側の界面（波長変
換体７の外表面）および培養液９との界面（波長変換体
７の内表面）への入射角の大きさにより、（１）　太陽
光入射側の表面より外部に逃げる光、（２）　太陽光入
射側の界面（表面）で全反射される光、（３）　波長変
換体７と培養液９との界面を通過して培養液９に入射す
る光、（４）波長変換体と培養液との界面で全反射され
る光に分かれる。これらの光のうち（２）　と（４）　
は全反射を繰り返して波長変換体７内に分散される。そ
の過程で波長変換体７内の微小な欠陥などにより方向が
変わったり、界面の微小な凹凸などにより全反射条件を
満たさなくなった光が界面より出ていく。このとき、空
気，アクリル樹脂（波長変換体７の母材），水（培養液
の母材）の屈折率はそれぞれ１．００，１．４９，１．
３３　であるので、大部分の光は培養液との界面で先に
全反射条件を満たさなくなり、培養液流路に入射するこ
とになる。これにより波長変換された光が影の部分の波
長変換体部分にまで回りこむので、波長変換体７内の培
養液に入射する光強度分布をさらに均一に近付ける。

【００１９】培養液流路内のねじり板８は培養液の流れ
を撹拌することにより、培養液流路内の藻類に平等に光
を吸収する機会を与えるのを助ける。

【００２０】図３は本発明の他の実施例を示すバイオリ
アクタの断面図である。図３において、コールドフィル
タ２６と反射板２２の間に配置されたバイオリアクタ要
素２１は、楕円管状の波長変換体２７とその内部に配置
されたねじり板２８とで構成され、藻類及びその培養に
必要な炭酸ガス等を含む培養液２９が流れる培養液流路
を構成している。基本的な作用は図２の実施例と同様で
あるが、本実施例では波長変換体２７の断面形状を縦長
の楕円状にしている。これにより、波長変換体２７の単
位表面積当たりの入射光強度を藻類の培養に必要な程度
に低下させることができるので、太陽光を有効に利用す
ることができる。

【００２１】図４は本発明の他の実施例を示すバイオリ
アクタ要素の断面図である。同図において、ガラスなど
の透明な外管４１と内管４２により構成した二重管の隙
間に蛍光体を溶解させたアルコール４３を充填すること
により、管状の波長変換体３７を構成している。培養液
３９は、内管４２の内側を流れる。これにより、蛍光体
が劣化した場合にも蛍光体を溶解させたアルコール４３
を取り替えるだけで良い。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、太陽からの光及びその
一部が波長変換された光を培養液中の藻類に効率良く分
散して入射させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示すバイオリアクタの平面図
。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図。

【図３】本発明の他の実施例を示すバイオリアクタの断
面図。

【図４】本発明のさらに他の実施例を示すバイオリアク
タの断面図。

【符号の説明】

１…バイオリアクタ要素、２…反射板、６…コールドフ
ィルタ、７…波長変換体、８…ねじり板、９…培養液。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】太陽光等の光を利用して培養液中に分散さ
せた藻類などの植物の培養を行なうバイオリアクタにお
いて、プラスチック，有機溶媒等の透明体に蛍光体を溶
解した波長変換体で培養液を取り囲むように培養液流路
を構成したことを特徴とするバイオリアクタ。
【請求項２】請求項１において、前記培養液の流路内に
ねじり板等の流れ撹拌体を配置したバイオリアクタ。
【請求項３】請求項１において、前記培養液流路の下側
に反射板を配置したバイオリアクタ。
【請求項４】請求項１において、透明な二重管の内管の
内側を前記培養液流路とし、外管と内管の間に蛍光体を
溶かした液体状の溶媒を入れて波長変換体を構成したバ
イオリアクタ。
【請求項５】請求項１，２，３または４に記載の複数本
の前記バイオリアクタを直列、又は並列に接続したバイ
オリアクタ。
【請求項６】請求項５に記載の前記バイオリアクタの太
陽光入射側に赤外線除去機能をもつ光学フィルタを配置
したバイオリアクタ。