JP6169423B2 - 藻類培養照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、藻類を培養する際に用いる藻類培養照明装置に関するものである。

藻類とは、酸素発生型光合成を行う生物のうち、主に地上に生息する植物を除いた、単細胞生物から多細胞生物に至るまで進化的に全く異なるグループを含む便宜的な総称であるが、近年、炭化水素（原油相当物質）を生成する藻類等が発見されるなど藻類の有用性が再認識されるに至り、これらの藻類を効率よく培養することが様々な角度から研究されている。

しかし、藻類培養はいずれも研究段階のものがほとんどであり、確立された藻類培養装置も存在せず、各研究者は、フラスコ等の培養器、培養器の滅菌、培養液濃度、培養液温度、照射光量、光照射ＯＮ／ＯＦＦ時間（照射時間）、培養液攪拌速度、培養液通気量等の培養条件を、研究内容によって取捨選択し、条件に見合う装置を寄せ集めて使用しているのが現状である。
そのため、利便性が悪いうえ、培養のスピードが遅く、光合成に必要な光の照射量が不均一であるなど、藻類培養の再現性が保てず実験ごとの誤差が大きくなり、研究のスピードアップを図れないなどの問題があった。

従来の藻類培養装置としては、例えば、クリーンベンチ内で滅菌された５００ｍｌフラスコ（培養器）に、調製し濃度管理された培養液を入れ、フラスコの上部開放部に栓をし、このフラスコをシェイカーなどの振盪器上に設置して、振盪器の振幅により攪拌状態を調整するものが知られている。
また、培養液の温度管理は、これらの装置をインキュベータに入れ、インキュベータ内の空気の温度を制御することで、空気からの熱伝達で二次的に培養液の温度を一定にする方法が取られることが多かった。

そして、このような藻類培養装置に用いられる照明装置としては、蛍光灯やＬＥＤ等の発光手段を、藻類を培養するフラスコの上方又は側方に配置して、光量調整を行いつつ、タイマコントロールにより任意時間にＯＮ／ＯＦＦ制御を行うものが一般的である。

しかし、各培養器への光照射において側方から光を当てた場合は、光源側の培養器と遠方側の培養器とでは、受光量にかなりの差ができ、培養スピードにムラができるという問題点があり、上方から光を当てた場合は、光源面より幾ら均一な光を照射しても、培養器の口（上部開口）の蓋（栓）により光が遮蔽されるとともに、培養器の口部分周辺の容器の傾斜面により、光が反射・屈折してしまい減光されてしまうという問題点がある。
また、前記問題点を補うために、発光光量を大きくすると、光源の回路の発熱や輻射熱により培養器に影響が及び培養液に温度ムラができて好ましくないという問題もある。

このような問題を解決するために、特許文献１には、光合成生物の培養装置において、シェイカーなどの振盪器の振動する基台２に人工光源９ａ〜９ｄを取り付けて、培養容器５の底面から光を照射する装置が開示されている（特許文献１の明細書の段落０００９，００１０、図面の図１，図２等参照）。

しかし、振動するものに人工光源等を取り付けた場合、その配線や回路等が振動により繰り返し疲労を起こして損傷してしまう可能性が高いうえ、培養液を温度制御するインキュベータ等についても同様に振動により耐久性に悪影響が生じる。また、通気用のチューブ等も振動してしまうため、安易で確実な固定もできないことから、些細な事故や破損等も懸念されるという問題もある。

実開平５−１３１９７号公報

そこでこの発明は、前記従来の問題を解決し、培養する藻類に影響する熱など、装置を稼働することによる培養環境の変動を極力小さくするとともに、培養の確実性、利便性、均一性を向上させることにより、実験や研究・開発等の再現性を向上させてスピードアップを図ることができ、耐久性、安全性、省エネルギー性にも優れた藻類培養照明装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、最上部に配置され、藻類を培養する培養器に向け光を照射する光照射部と、この光照射部の下方に配置され、前記培養器内に挿置された攪拌子を回転させる駆動部と、を備えた藻類培養照明装置であって、前記光照射部は、上面に設置され、前記培養器を載置可能な拡散板と、この拡散板から下方に所定間隔離間した下面に設置された反射板と、これら拡散板と反射板との間の四周の側面に設置された発光手段と、を有する導光板タイプとなっており、前記駆動部で攪拌子を回転させて、前記拡散板の上に載置された前記培養器内の培養液を攪拌しつつ、前記発光手段から発せられる光を前記培養器の底面から該培養器内に直接照射することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の藻類培養照明装置において、前記発光手段は、３原色の光を発する発光ダイオードがそれぞれ設けられた発光素子であり、発光する光の光量調整及び演色調整が可能となっている。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の藻類培養照明装置において、前記発光手段のＯＮ／ＯＦＦを切り換え自在なタイマを備える。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の藻類培養照明装置において、前記駆動部は、複数のモータを有し、複数の攪拌子を回転可能となっている。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の藻類培養照明装置において、前記駆動部は、攪拌子の回転数を設定可能となっている。

この発明は、前記のようであって、請求項１に記載の発明によれば、最上部に配置され、藻類を培養する培養器に向け光を照射する光照射部と、この光照射部の下方に配置され、前記培養器内に挿置された攪拌子を回転させる駆動部と、を備えた藻類培養照明装置であって、前記光照射部は、上面に設置され、前記培養器を載置可能な拡散板と、この拡散板から下方に所定間隔離間した下面に設置された反射板と、これら拡散板と反射板との間の四周の側面に設置された発光手段と、を有する導光板タイプとなっており、前記駆動部で攪拌子を回転させて、前記拡散板の上に載置された前記培養器内の培養液を攪拌しつつ、前記発光手段から発せられる光を前記培養器の底面から該培養器内に直接照射するので、駆動部で培養液を一定の状態に攪拌しつつ、拡散板や反射板及び発光手段などの機能により均一な光を、培養器の底面に当接した状態で照射することができ、必要最小限の光を効率よく照射して藻類を効率よく培養することができ、省エネルギー性にも優れている。また、最短・最小距離で発光しつつも、発光により熱を発する発光手段が培養器から離れているため、直接培養器に熱伝達されることもないうえ、駆動部のモータなどで発生する熱も拡散板と反射板の間に存在する気体により断熱することができ、装置を稼働することによる培養環境の変動を極力小さくすることができる。このため、培養の確実性、利便性、均一性を向上させることができ、実験や研究・開発等の再現性を向上させて実験・研究・開発等のスピードアップを図ることができる。それに加え、振盪器を使用しなくても培養液を攪拌可能なため、培養液に連通するチューブ等の固定も容易で、耐久性、安全性にも優れている。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の藻類培養照明装置において、前記発光手段は、３原色の光を発する発光ダイオードがそれぞれ設けられた発光素子であり、発光する光の光量調整及び演色調整が可能となっているので、実験、研究等の再現性が非常に高いうえ、藻類の増殖と光量や波長などの関係が判断し易く、更に、実験、研究、開発などのスピードアップを図ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の藻類培養照明装置において、前記発光手段のＯＮ／ＯＦＦを切り換え自在なタイマを備えるので、実験、研究等の再現性が非常に高いうえ、藻類の増殖と日照時間などの関係が判断し易く、更に、実験、研究、開発などのスピードアップを図ることができる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１ないし３のいずれかに記載の藻類培養照明装置において、前記駆動部は、複数のモータを有し、複数の攪拌子を回転可能となっているので、同時に複数の培養器において藻類の増殖の実験、研究、開発等することができ、更に、実験、研究、開発などのスピードアップを図ることができる。

請求項５に記載の発明によれば、請求項１ないし４のいずれかに記載の藻類培養照明装置において、前記駆動部は、攪拌子の回転数を設定可能となっているので、強く回転させることにより藻類が回転の衝撃で壊れてしまうようなことを防ぐことができるうえ、培養効率がよい回転数（攪拌状態）を判断することができ、実験、研究等の再現性を高め、実験、研究、開発などのスピードアップを図ることができる。

本発明の一実施の形態である実施例に係る藻類培養照明装置を模式的な鉛直断面により示す構成説明図である。 実施例に係る藻類培養照明装置を斜視で示す写真である。 同上の光照射部を示す部分拡大断面図である。 同上の主に光照射部の上面を示す平面図である。 同上の三原色の発光ダイオードの発光スペクトルを示すグラフである。 同上の操作パネルを示す正面図である。 培養器であるフラスコを藻類培養に使用した状態を示す写真である。

図１〜図７を用いて、本発明の一実施の形態である実施例に係る藻類培養照明装置について説明する。

図１及び図２に示す、符号１が実施例に係る藻類培養照明装置１であり、この藻類培養照明装置１は、最上部に設けられ、フラスコなどの培養器Ｆ内の微細藻類（図７参照）に光を照射する光照射部２と、この光照射部２の直下に設けられ、後述の攪拌子３０を駆動する駆動部３と、下部に設けられ、これらを制御する制御部４などが、本装置の筺体としてメラミン樹脂が焼き付け塗装された鋼板からなる装置本体１０内に収容された装置であり、光合成で増殖する光合成微細藻類（いわゆる光合成微生物）の培養に用いられる照明装置としての機能に加え、マグネットスターラーの機能を兼ね備えた装置である。

光照射部２は、図１ないし図４に示すように、上面に設けられた透明なアクリル板からなる幅３３８ｍｍ×奥行き３６２ｍｍ程度の大きさの矩形の拡散板２１と、下面に設けられた拡散板２１と略同形の内面に反射面が形成されたアクリル板からなる反射板２２と、これら拡散板２１と反射板２２との間の四周の側面に設けられた発光手段であるＬＥＤ発光素子２０などからなり、このＬＥＤ発光素子２０が一辺１８個計７２個配列された導光板タイプのＬＥＤ照明であり、培養器Ｆの底面から培養器Ｆに収容された培養液Ｂ中の光合成微細藻類（図１、図７参照）に向け最大で光量子束密度９０μｍｏｌ／ｍ^２／ｓの光を照射する機能を有している。
なお、拡散板２１の上に培養器Ｆを載置する関係上、所望の曲げ強度を確保するため拡散板２１の下（拡散板２１と反射板２２との間）に透明なアクリル板を挿置しても構わない。

このＬＥＤ発光素子２０は、３ｍｍ角のパッケージ内に光の三原色であるＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の発光ダイオード（ＬＥＤ）がそれぞれ封じられた発光ユニットであり、三原色の発光ダイオードは、それぞれ波長のピークがＲ（赤）＝６６０ｎｍ、Ｇ（緑）＝５２０ｎｍ、Ｂ（青）＝４４５ｎｍで図５に示す発光スペクトルの出力範囲で発光するダイオードとなっている。このため、各ＬＥＤ発光素子２０は、後述の制御部４により光量調整して任意の色彩の光に演色可能となっている。

このように、光照射部２は、照射する光の波長や照射光量を任意に設定できるうえ、上面の拡散板２１と下面の反射板２２の機能により、発光面である上面から均一な光を照射することができる。
また、培養器Ｆの直下（即ち、対象物との距離が０）から光を照射するので、光の反射や拡散による無駄が殆どなく、微細藻類の培養に必要な最低限の光を発光するだけで済み、発光効率、省エネルギー性が良いだけでなく、遮るものや支障となるものが存在しないため、実験、研究等の再現性が非常に高く、実験、研究、開発などのスピードアップを図ることができる。

そのうえ、もともと発光量が必要最小限であるうえ、発光による発熱の少ない発光ダイオードを光源としているため、発光による発熱の影響が少ないうえ、導光板タイプのＬＥＤ照明であるため、熱源となる発光ダイオードのチップが上面の四周（周囲）にしか存在せず、光照射の対象物である培養器Ｆから遠く、更に、光照射部２から培養液Ｂへの伝熱の影響が少ない。

駆動部３は、図４に示す（１）〜（４）の位置に、ブラシレスモータなどの回転速度が可変式のモータ（図示せず）が４つ設けられており、磁石からなる攪拌子３０を回転駆動して同時に４つの培養器Ｆを攪拌可能となっている。また、このモータは、単相１００Ｖ５０／６０Ｈｚの電源で駆動し、後述の制御部４を介して、ＰＷＭ制御等で制御され、回転数が１００〜１０００ｒｐｍの範囲で任意に設定可能となっている。
なお、攪拌子３０は、棒磁石をフッ素樹脂などの樹脂で覆ったものであり、モータの数に応じて４個装備されている（図１、図４参照）。

このため、駆動部３によれば、強く回転させることにより藻類が回転の衝撃で壊れてしまうようなことを防ぐことができるうえ、培養効率がよい回転数（攪拌状態）を判断することができ、実験、研究等の再現性を高め、実験、研究、開発などのスピードアップを図ることができる。
また、培養器Ｆ内の攪拌子３０のみが回ることにより培養液Ｂを攪拌することができるので、いかようにも安易で確実なチューブ等の固定ができ、チューブによるバブリング通気も可能となる（図１参照）。
さらに、従来の振盪器のように、振動によるチューブ外れもなく、些細な事故や破損のおそれもない。

制御部４は、前述の光照射部２と駆動部３を制御する機能を有し、装置本体１０の正面パネルがこの制御部４の操作パネル４０となっている。この操作パネル４０は、図６に示すように、上部左に、各撹拌子３０の回転数を表示する回転数表示計、その右横に前述の４つのモータの回転数を調節する調節つまみが設けられている。

また、操作パネル４０の下部には、一番左に全体の電源スイッチが、その右隣に照明をＯＮ／ＯＦＦするスイッチが設けられており、中央に、発光ダイオードの３原色の発光比率を０〜１００％で調整するとともに発光光量を調整できるＬＥＤ調整器が設けられ、右に光照射部２の発光時間を１５分毎に２４時間設定可能な照明タイマが設けられている。

このため、制御部４によれば、容易に照射する光の光量や波長及び色彩を任意に設定することができるとともに、攪拌の状況も任意に設定することができる。
よって、藻類増殖の環境設定が容易で実験や研究対象のパラメータの差異が明確となるうえ、実験、研究等の再現性を高め、実験、研究、開発などのスピードアップを図ることができる。

以上のように、本実施例に係る藻類培養照明装置１によれば、光照射部２として導光板タイプの光源を採用することにより、光源である発光面自体の照射ムラを極限まで抑えることができるだけでなく、培養器Ｆ直下の底面より直接照射する構成により、各培養器Ｆへの照射ムラがなくなり、均一性・再現性が高められる。

また、培養器Ｆ直下の底面より直接照射するので、照射対象物である培養器Ｆに接触した状態、即ち、ゼロ距離照射により照射するため、距離が離れることによる光の拡散の無駄もなく効率よく照射し、光合成の利用効率も高くすることができる。そのため、コストパフォーマンスも向上する。

それに加え、光照射部２には、拡散板２１と反射板２２との間に、対流でしか熱の移動が起こらないため熱伝達率が極めて小さい空気などの気体が存在するため（図３参照）、駆動部３が発する熱も確実に遮ることができ、装置からの伝熱の影響を極力排除して培養液Ｂの温度の安定化を図ることができる。
よって、培養器Ｆ中の培養液Ｂの温度管理を極めて容易に、且つ厳密にすることができ、実験、研究、開発などのスピードアップを更に図ることができる。

また、インキュベータ等を利用する場合でも、装置本体１０及び培養器Ｆの全てが静止状態に保つことができるため、インキュベータに伝達される振動がなく、固定方法が複雑になることもなく、インキュベータ等の耐久性、寿命には全く影響を与えることがない。
そのうえ、４連、８連等、一括培養をしても各培養器Ｆにおいて同条件の培養が可能であり、再現性・均一性も飛躍的に向上し、結果、スクリーニング等の実験も可能となる。

以上のように、本実施例に係る藻類培養照明装置を説明したが、図面で示した各構成部材の形状や構造、材質等も、あくまでも好ましい一例を示すものであり、特許請求の範囲内で適宜設計変更が可能であることは云うまでもない。
特に、発光時間を１５分毎に設定できるタイマを例示して説明したが、秒単位に設定可能としても構わないし、別途の制御プログラム等によりパソコンなどの電気計算機等から発光時間を任意に設定でき、且つ、発光手段のパルス時間やデューティー比を設定できるようにしても良い。また、駆動部のモータの数には制限はない。

１ 藻類培養照明装置
２ 光照射部
２０ ＬＥＤ発光素子（発光手段）
２１ 拡散板
２２ 反射板
３ 駆動部
３０ 攪拌子
４ 制御部
４０ 操作パネル

Claims (5)

1. 最上部に配置され、藻類を培養する培養器に向け光を照射する光照射部と、この光照射部の下方に配置され、前記培養器内に挿置された攪拌子を回転させる駆動部と、を備えた藻類培養照明装置であって、
   前記光照射部は、上面に設置され、前記培養器を載置可能な拡散板と、この拡散板から下方に所定間隔離間した下面に設置された反射板と、これら拡散板と反射板との間の四周の側面に設置された発光手段と、を有する導光板タイプとなっており、
   前記駆動部で攪拌子を回転させて、前記拡散板の上に載置された前記培養器内の培養液を攪拌しつつ、前記発光手段から発せられる光を前記培養器の底面から該培養器内に直接照射することを特徴とする藻類培養照明装置。
2. 前記発光手段は、３原色の光を発する発光ダイオードがそれぞれ設けられた発光素子であり、発光する光の光量調整及び演色調整が可能となっている請求項１に記載の藻類培養照明装置。
3. 前記発光手段のＯＮ／ＯＦＦを切り換え自在なタイマを備える請求項１又は２に記載の藻類培養照明装置。
4. 前記駆動部は、複数のモータを有し、複数の攪拌子を回転可能となっている請求項１ないし３のいずれかに記載の藻類培養照明装置。
5. 前記駆動部は、攪拌子の回転数を設定可能となっている請求項１ないし４のいずれかに記載の藻類培養照明装置。