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WO2014132348A1 - 生物培養システム及び生物培養方法 - Google Patents

生物培養システム及び生物培養方法 Download PDF

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WO2014132348A1
WO2014132348A1 PCT/JP2013/055032 JP2013055032W WO2014132348A1 WO 2014132348 A1 WO2014132348 A1 WO 2014132348A1 JP 2013055032 W JP2013055032 W JP 2013055032W WO 2014132348 A1 WO2014132348 A1 WO 2014132348A1
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WO
WIPO (PCT)
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light
liquid
culture system
biological culture
amount
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/055032
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
範人 久野
博子 多田
Original Assignee
株式会社日立製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社日立製作所 filed Critical 株式会社日立製作所
Priority to US14/767,448 priority Critical patent/US10190088B2/en
Priority to PCT/JP2013/055032 priority patent/WO2014132348A1/ja
Priority to JP2015502615A priority patent/JP6019213B2/ja
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/44—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of volume or liquid level
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02—Photobioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/06—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of illumination
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/12—Unicellular algae; Culture media therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q3/00—Condition responsive control processes

Definitions

  • the present invention relates to a biological culture system and a biological culture method.
  • the present invention relates to a technique for culturing a living organism that performs photosynthesis.
  • microalgae that can produce biofuels by photosynthesis using sunlight and carbon dioxide in the atmosphere without any competition with food production has attracted attention.
  • mass cultivation of algae for the purpose of producing biofuels and useful substances is often carried out outdoors in tropical and subtropical areas where the amount of solar radiation is large so that photosynthesis can be performed to the maximum.
  • the amount of solar radiation during the day becomes excessive, and as a result of increasing the temperature in the culture environment by strong light, the growth and metabolism of microalgae are adversely affected. It cannot be said that the culture is performed under optimum conditions.
  • Patent Document 1 US Pat. No. 7980024 (Patent Document 1) as a technique for solving the above problems.
  • This publication describes that "the heat exchange is performed between the water outside the photobioreactor and the liquid medium in the reactor by suspending the culturing photobioreactor in a pond or lake”. This makes it possible to prevent the temperature of the liquid medium in the culture photobioreactor from becoming high.
  • Patent Document 2 describes “a reactor for photosynthesis made of a transparent and flexible material suspended on the water surface”.
  • Patent Document 1 it is only described that the culture vessel is floated, and in Patent Document 2, it is described that the culture vessel is floated on the water surface.
  • Patent Document 2 it is possible to suppress the temperature rise of the liquid medium by heat exchange with water existing outside the reactor, but since the irradiation intensity of sunlight itself is not reduced, photodamage due to strong light occurs and photosynthesis Function will be reduced.
  • the photobioreactor in the conventional floating photobioreactor, the photobioreactor is located on the surface of the water, so the amount of sunlight irradiated cannot be reduced, and it is difficult to avoid light damage due to strong light conditions. .
  • the photobioreactor if the photobioreactor is not located on the water surface but can be completely submerged in the water of the external environment, the sunlight from the upper surface of the water is absorbed into the water, resulting in attenuation of the sunlight reaching the reactor Since the amount of irradiation light is reduced, it is possible to avoid light damage due to strong light conditions.
  • An object of the present invention is to provide a biological culture system having a function of controlling light environmental conditions so that wavelength components effective in photosynthesis are attenuated as much as possible.
  • the biological culture system has a second wavelength region shorter than the first wavelength region than the first wavelength region.
  • a light amount measuring unit that measures the amount of light received by the light source and a liquid depth control unit that controls the liquid depth from the liquid surface of the light absorbing solution to the culture vessel based on the measurement result of the light amount measuring unit.
  • a second wavelength that is shorter than the first wavelength range than the first wavelength range is used.
  • a light absorbing solution that absorbs a large amount of light in the region is stored in a liquid storage container, a culture liquid containing a living organism to be cultured for photosynthesis is stored inside the culture container, the culture container is installed in the liquid storage container, Based on the amount of light received by the culture vessel, the liquid depth from the liquid surface of the light absorbing solution to the culture vessel in the liquid reservoir is controlled.
  • Example 1 of this invention It is an example of the biological culture system block diagram which concerns on Example 1 of this invention. It is an example of the biological culture system block diagram which concerns on Example 2 of this invention. It is an example of the biological culture system block diagram which concerns on Example 3 of this invention. It is an example of the biological culture system block diagram which concerns on Example 4 of this invention. It is an example of the biological culture system block diagram which concerns on Example 5 of this invention. It is an example of the biological culture system block diagram which concerns on Example 6 of this invention. It is a graph which shows the relationship between absorption of red light and blue light, and a liquid depth at the time of using the red pigment
  • dye No. 102 as an example of the substance which can absorb light of a specific wavelength range preferentially. It is an example which shows the structure of a control apparatus. It is a graph which shows an example of a reference light quantity-liquid depth correlation function. It is an example which shows the control flow in Example 1. FIG. It is an example which shows the control flow in Example 2.
  • FIG. 1 is an example of a diagram showing the configuration of the biological culture system of the present embodiment.
  • This system includes a liquid storage container 3 capable of storing a liquid (absorbing liquid) 101 in which a substance capable of preferentially absorbing light in a specific wavelength range is stored, and a microalgae installed in the container.
  • a transparent or part of the container that can hold the culture solution 2 containing the organism to be cultured for photosynthesis such as polypropylene, polyethylene, ethylene vinyl acetate, polyvinyl chloride, etc.
  • a culture container 1 that can be deformed and a function that can measure the amount of light for each desired wavelength region on the upper surface of the culture container 1 and transmit the result to the control device 7
  • a light amount measuring device 6 for each wavelength region having a wavelength a pump 8 for injecting carbon dioxide and air into the container, an injection tube 10, and carbon dioxide and air exhaust from the container. Measure the amount of light in the environment installed in the vicinity of the culture vessel with the pump 9, the discharge pipe 11 for taking out, and measure the external light quantity measuring device 4 and the temperature with the function that can send the result to the control device 7
  • the temperature measuring device 5 having a function capable of transmitting the result to the control device 7 and the measurement light amount and the temperature result transmitted by the light amount and temperature measuring device receive carbon dioxide and air in the culture vessel. It is constituted by a control device 7 for determining an injection or discharge operation variable and controlling the operation.
  • sensors that can measure multiple wavelengths There are sensors that can measure multiple wavelengths. Note that carbon dioxide and air, which are gases supplied to the pump 8, are supplied by a cylinder or other supply source, but are not shown in the drawing.
  • FIG. 7 shows an example of the liquid 101 in which a substance capable of preferentially absorbing light in a specific wavelength region is dissolved, and the absorption in the blue light region (400 to 500 nm) is larger than that in the red light region (600 to 700 nm). It is a graph which shows the relationship between absorption of red light and blue light, and a liquid depth at the time of using the red pigment
  • red light region (600 to 700 nm) and the blue light region (400 to 500 nm) effective for photosynthesis red light is more easily absorbed by water.
  • the light component in the blue light region increases and the light in the red light region decreases, which is not a desirable light condition for photosynthesis. Therefore, in order to avoid optical interference, the intensity of light is reduced, but a method of maintaining the wavelength band component ratio is necessary to reduce the influence on the photosynthesis efficiency to the minimum.
  • Figure 7 shows the depth, red light, and blue light of an aqueous solution of red dye No. 102 (concentration 0.00006%), a substance that absorbs more in the blue light region (400-500 nm) than in the red light region (600-700 nm). It is the result of investigating the amount of absorption.
  • red light red LED light; wavelength 660 nm
  • blue LED light blue LED light; wavelength 470 nm
  • the light intensity of blue light is higher than that of red light, unlike the case of tap water. Diminished. From this result, the light intensity is maintained while maintaining the wavelength component ratio by appropriately setting the depth of the liquid in which the substance capable of preferentially absorbing light in the specific wavelength range is dissolved and the concentration of the substance dissolved. It was shown that it can be reduced.
  • the control device 7 includes a memory 801, a processor 802, and an interface 803.
  • the memory 801 and the processor 802 are connected to an external device via the interface 803, and these devices can be controlled by transmitting and receiving signals. It has become.
  • the memory 801 stores a reference light quantity-liquid depth correlation function 807, which will be described later with reference to FIG. 9, and programs of an information transmission / reception unit 804, an information comparison unit 805, and a position adjustment unit 806.
  • the processor 802 reads and executes the above-described program, thereby performing each process relating to the liquid depth control described below.
  • FIG. 9 shows an example in which the light in the blue light region (400 to 500 nm) is specifically reduced without significantly reducing the light in the red light region (600 to 700 nm) shown in FIG. It is a graph which shows the correlation of the liquid depth of the liquid which melt
  • the light quantity-liquid depth correlation is approximated as a linear function, but this approximate function varies depending on the wavelength range of light to be controlled or the characteristics of the substance used to absorb light of a specific wavelength.
  • An approximate expression considered to be optimal in each case may be used, and is not necessarily limited to the case of approximation as a linear function.
  • the red light is 1,445 ⁇ mol / (m 2 ⁇ sec) per 1 cm of the liquid depth
  • the blue light is 8.085 per 1 cm of the liquid depth. Decreases by ⁇ mol / (m 2 ⁇ sec).
  • the coefficient of decrease per unit liquid depth is experimentally acquired in advance, and the liquid depth at which a desired light irradiation amount can be obtained is calculated using this coefficient.
  • the information transmission / reception unit 804 transmits a measurement instruction signal to the external light quantity measurement device 4 and the temperature measurement device 5 in the environment installed in the vicinity of the culture vessel, and starts measurement in the external light quantity measurement device 4 and the temperature measurement device 5, Each measurement result is received (901).
  • this step 901 is repeated at least twice at an arbitrarily set time interval.
  • the measurement result is obtained through the information transmitting / receiving unit 804, and the difference between the values obtained and repeatedly measured by the information comparison unit 805 is calculated.
  • the difference value exceeds a value arbitrarily set in advance (902)
  • the external environment that is, the sun
  • an instruction signal is output to the information transmission unit 804 so as to start measurement of the light amount measuring device 6 for each wavelength region.
  • the measurement result of the light amount measuring device 6 for each wavelength region received by the information transmitting / receiving unit 804 is acquired, and the amount of irradiation with sunlight read from the reference light amount-liquid depth correlation function 807 is the organism to be cultured.
  • the information comparison unit 805 determines whether or not the measurement result of the light amount measurement device 6 by wavelength region is less than the predetermined light amount value when the measurement result of the light amount measurement device 6 by wavelength region dissociates from the predetermined light amount value. (1003).
  • the position adjustment unit 806 operates the discharge pump 9 and the gas held in the culture vessel 1 The buoyancy of the culture vessel 1 is reduced by discharging (for example, carbon dioxide and / or air) through the discharge pipe 11, thereby lowering the vertical position of the culture vessel 1 in the liquid reservoir 3. To increase the liquid depth 100 (1005).
  • the infusion pump 8 is operated to cause the gas in the culture vessel 1 to flow through the infusion tube 10.
  • the buoyancy of the culture vessel 1 is increased, thereby raising the vertical position of the culture vessel 1 in the liquid storage vessel 3, thereby reducing the liquid depth 100.
  • the position adjustment unit 806 operates the pumps 8 and 9 by transmitting a control signal, and varies the volume of carbon dioxide and / or gas such as air held in the culture vessel 1 to thereby increase the buoyancy of the culture vessel 1.
  • step 1004 After the operation of the liquid depth adjustment (step 1004, step 1005) by the position adjustment unit 806, the process returns to step 1001 and the light amount measuring device 6 for each wavelength region installed on the surface of the culture vessel 1 is controlled by the information transmission / reception unit 804. Measurement is performed again, and processing from step 1002 onward by the information comparison unit 805 and the position adjustment unit 806 is performed.
  • the control device 7 repeats the operation by the feedback control until the light amount measured by the light amount measuring device 6 for each wavelength region installed on the surface of the culture vessel 1 becomes a desired value. Also, during the day, the values measured by the external light quantity measuring device 4 for measuring the light quantity of the environment installed in the vicinity of the culture vessel and the temperature measuring device 5 for measuring the temperature fluctuate every moment. Therefore, the vertical position control of the culture vessel 1 is continuously performed during the day so that the value in the light amount measuring device 6 for each wavelength region installed on the surface of the culture vessel becomes a desired value.
  • the biological culture system has a shorter wavelength range than the first wavelength range, for example, than the light in the first wavelength range such as the red light range (600 to 700 nm).
  • the light quantity measuring unit such as the light quantity measuring device 6 for each wavelength region that measures the quantity of light received by the culture container 1, and the light quantity measurement part
  • a liquid depth control unit such as a control device 7 that controls the liquid depth from the liquid level of the liquid (absorbing liquid) 101 to the culture vessel 3, thereby providing a strong light condition when culturing a living organism that performs photosynthesis. It is possible to avoid temperature rise and light damage at the same time, and to reduce the decrease in photosynthetic efficiency An example to do.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration in the second embodiment different from the first embodiment for performing the vertical position control of the culture vessel 1 by the control device 7.
  • the light amount measuring device 6 for each wavelength region is installed separately from the culture vessel 1, and a predetermined liquid depth in the depth direction of the liquid reservoir vessel 3, for example, the liquid depth shown in FIG.
  • the light amount measuring device 6 for each wavelength region is provided at a position corresponding to 0 in the liquid depth outside the liquid reservoir 3.
  • the liquid depth is controlled by the measurement value obtained by the light quantity measuring device 6.
  • the liquid depth control by the control device 7 in this embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
  • the information transmission / reception unit 804 transmits a measurement instruction signal to the external light quantity measurement device 4 and the temperature measurement device 5 in the environment installed in the vicinity of the culture vessel, and starts measurement in the external light quantity measurement device 4 and the temperature measurement device 5, Each measurement result is received (901).
  • this step 901 is repeated at least twice at an arbitrarily set time interval.
  • the measurement result is obtained through the information transmitting / receiving unit 804, and the difference between the values obtained and repeatedly measured by the information comparison unit 805 is calculated.
  • the liquid depth is controlled in the direction of decreasing the liquid depth (1101).
  • the liquid depth control amount at this time is determined based on the reference light quantity-liquid depth correlation function 807, and the control is performed in the culture vessel 1 by operating the discharge pump 9 by the position adjusting unit 806.
  • the liquid depth 100 is adjusted by adjusting the buoyancy of the culture vessel 1 by discharging gas (for example, carbon dioxide and / or air) through the discharge pipe 11 or injecting it through the injection pipe 10 (1004, 1005).
  • the position adjustment unit 806 operates the pumps 8 and 9 by transmitting a control signal, and varies the volume of carbon dioxide and / or gas such as air held in the culture vessel 1 to thereby increase the buoyancy of the culture vessel 1.
  • a control signal varies the volume of carbon dioxide and / or gas such as air held in the culture vessel 1 to thereby increase the buoyancy of the culture vessel 1.
  • the operation is temporarily terminated, and then the control returns to the start step after a predetermined time, and the liquid depth control is continued.
  • FIG. 3 is a diagram showing still another embodiment 3 for performing the vertical position control of the culture vessel 1 by the control device 7.
  • the control device obtains weather information such as the generation and movement of clouds that affect the amount of solar radiation in the area where the biological culture system is installed, which is obtained from the weather artificial satellite 13 via the information receiving facility 14. 7 shows a form of cooperation.
  • the information obtained from the weather artificial satellite 13 relates to a wide area including the area where the biological culture system is installed, and fluctuations in the amount of solar radiation and the like in the area where the biological culture system is installed are obtained clouds. It is necessary to predict from the situation (cloud area, vertical thickness, moving speed, etc.). Therefore, it is necessary to construct and prepare a database 12 relating to weather information in the area in advance.
  • FIG. 4 is a view showing another embodiment of the culture vessel 1 that can hold the culture solution 2 containing the organism to be cultured and is partially deformed and made of a flexible material and can be deformed.
  • a member 102 having a strength that cannot be deformed in the horizontal direction of the bottom portion of the culture vessel 1 is provided.
  • the member having a non-deformable strength include, but are not necessarily limited to, a carbon fiber reinforced plastic or metal reinforced with a carbon fiber including a synthetic resin such as plastic.
  • FIG. 5 is not the liquid depth control by adjusting the buoyancy of the culture vessel 1 as in Examples 1 to 4, but the culture vessel is provided with a buoyant body 111 that is coupled to the culture vessel 1 and generates buoyancy. It is a figure which shows a structure about Example 5 of the biological culture system which enables 1 vertical direction position control.
  • a deformable buoyancy body 111 made of a flexible material coupled to the culture vessel 1 and capable of holding gas, a coupling pair 112 with the culture vessel 1 and a pump for injecting gas into the buoyancy body 113 and the injection pipe 114, a configuration comprising an exhaust pump 115 and an exhaust pipe 116 for exhausting, and the culture solution 2 containing the organism to be cultured in the culture vessel 1 in the culture solution 2 that is necessary for the growth of the organism to be cultured
  • a configuration comprising a pump 120 and an injection pipe 130 for supplying carbon or air, and a pump 121 and a discharge pipe 131 for discharging are shown.
  • the liquid depth control method in this embodiment will be described.
  • the pumps 120 and 121 are operated by the signal from the control device 7 to change the volume of the gas held in the buoyancy body 111.
  • the vertical position of the culture vessel 1 connected to the buoyancy body 111 in the liquid reservoir 3 is manipulated.
  • the measurement is again performed by the light amount measuring device 6 for each wavelength region installed on the surface of the culture vessel, and the discharge pump 120 is operated by the control device 7 when the measured light amount is more than the desired light amount.
  • the buoyancy of the buoyancy body 111 is reduced by discharging the gas in the buoyancy body 111 through the discharge pipe 131, thereby lowering the vertical position of the culture vessel 1 in the liquid reservoir 3. Increase the liquid depth 100.
  • the buoyancy of the buoyancy body 111 is increased by operating the injection pump 120 and injecting the gas in the buoyancy body 111 through the injection pipe 130, Thereby, the liquid depth 100 is reduced by raising the vertical position of the culture vessel 1 coupled to the buoyant body 111 in the liquid reservoir 3.
  • the operation by the feedback control is repeated until the light amount measured by the light amount measuring device 6 for each wavelength region installed on the surface of the culture vessel becomes a desired value.
  • the buoyancy control flow other than the processing for increasing / reducing the liquid depth it is possible to apply the processing flow as described in the first to fourth embodiments.
  • the vertical position control of the culture vessel 1 by the buoyancy body 111 is continued during the day so that the value in the light amount measuring device 6 for each wavelength region installed on the surface of the culture vessel becomes a desired value.
  • the gas used for liquid depth control is limited to a gas (carbon dioxide or air) that does not affect the growth of the culture target organism in the culture vessel.
  • the type of gas injected into the buoyancy body is not particularly limited, and any gas component can be used.
  • FIG. 6 shows that the amount of the liquid 101 in which the substance capable of preferentially absorbing light in a specific wavelength region in the liquid reservoir 3 is dissolved is not controlled by controlling the liquid depth by adjusting the buoyancy of the culture container 1. It is an example of the figure which shows the structure of the biological culture system of Example 6 which enables control of the liquid depth 100 by doing.
  • the culture vessel 1 is fixed in the liquid reservoir 3 by a bonded body 103.
  • the liquid storage container 3 is connected to a storage tank 104 holding a liquid 101 in which a substance capable of preferentially absorbing light in the specific wavelength range is held by a connection pipe 105, and installed in the connection pipe.
  • the amount of the liquid 101 in the liquid reservoir 3 can be changed by the pouring / draining pump 106.
  • the liquid draining vessel 3 is operated via the connecting pipe 105 by operating the pouring pump 106 by the signal from the control device 7.
  • the water level of the liquid 101 in the liquid reservoir 3 is controlled by pouring and draining the liquid 101 into the liquid reservoir 3.
  • the culture vessel 1 holds a certain volume of gas component and is fixed by the combined body 103, the water level of the liquid 101 exceeds the upper surface of the culture vessel 1 and the culture vessel 1 Thus, the liquid 101 is overlaid, and a liquid depth 100 is formed.
  • the liquid depth 100 changes as the water level of the liquid 101 in the liquid storage container 3 changes, whereby the liquid depth 100 can be controlled.
  • measurement is performed by the light amount measuring device 6 for each wavelength region installed on the surface of the culture vessel, and when the measured light amount is more than the desired light amount, the control device 7 operates the water injection pump 106. Then, the liquid 101 is poured from the storage tank 104 into the liquid storage container 3 through the connection pipe 105, and the liquid level of the liquid 101 in the liquid storage container 3 is raised, so that the liquid depth 100 is increased. Increase.
  • the liquid draining pump 106 is operated to drain the liquid 101 from the liquid reservoir 3 into the storage tank 104 via the connecting pipe 105. Then, the liquid depth 100 is decreased by lowering the water level of the liquid 101 in the liquid reservoir 3.
  • the buoyancy control flow other than the processing for increasing / reducing the liquid depth it is possible to apply the processing flow as described in the first to fourth embodiments.
  • the operation by the feedback control is repeated until the light amount measured by the light amount measuring device 6 for each wavelength region installed on the surface of the culture vessel becomes a desired value. Also, during the day, the values measured by the external light quantity measuring device 4 for measuring the light quantity of the environment installed in the vicinity of the culture vessel and the temperature measuring device 5 for measuring the temperature fluctuate every moment. Therefore, the control of the liquid depth 100 is continuously performed during the day so that the value in the light quantity measuring device 6 for each wavelength region installed on the surface of the culture vessel becomes a desired value.
  • the horizontal position control of the culture vessel 1 can be easily performed in the liquid in the liquid storage vessel 3 as compared with the other embodiments. Become.
  • SYMBOLS 1 Culture container, 2 ... Culture solution containing organism to be cultured, 3 ... Liquid reservoir container, 4 ... Light quantity measuring device, 5 ... Temperature measuring device, 6 ... Light quantity measuring device by wavelength region, 7 ... Control device, 8, DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 ... Pump, 10 ... Injection pipe, 11 ... Discharge pipe, 12 ... Database, 13 ... Weather satellite, 14 ... Information receiving equipment, 100 ... Liquid depth, 101 ... Absorbing light of specific wavelength range preferentially Liquid with dissolved substance, 102 ... Member having undeformable strength, 103, 112 ... Combined body, 104 ... Storage tank, 105 ... Connection pipe, 106 ...
  • Drainage pump 111 ... Buoyant body, 113 ... Injection Pump, 114 ... injection pipe, 115 ... exhaust pump, 116 ... exhaust pipe, 120, 121 ... pump, 130 ... injection pipe, 131 ... exhaust pipe, 801 ... memory, 802 ... processor, 803 ... interface, 804 Information transmitting and receiving unit, 805 ... information comparison unit, 806 ... position adjusting section, 807 ... reference quantity - liquid depth correlation function

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Abstract

　微細藻類などの光合成を行う生物の培養システムにおいて、長波長域の光よりも、短波長域の光を多く吸収する液体を溜める液溜め容器と、光合成を行う培養対象の生物を含む培養液を内部に格納して前記液溜め容器内に設置される培養容器と、培養容器が受光する光量を計測する光量計測部と、光量計測部の計測結果に基づいて吸光液の液面から培養容器までの液深を制御する液深制御部と、を設けることとする。さらに、光量計測部は、培養容器が受光する光量を波長域別に測定する。これによって、バイオ燃料や有用物質生産を目的とした、光合成を行う生物の培養時に、強光条件下での温度上昇と光障害を回避し、且つ光合成効率の低下を低減することを可能とする。

Description

生物培養システム及び生物培養方法
　本発明は、生物の培養システム、及び生物の培養方法に関する。特に、光合成を行う生物を培養する技術に関する。
　近年、食料生産との競合がなく、太陽光と大気中の二酸化炭素を利用した光合成により、バイオ燃料を生産することができる微細藻類が注目されている。バイオ燃料や有用物質生産を目的とした藻類の大量培養は、光合成を最大限に行うことが出来るように、現状では、日射量が多い熱帯や亜熱帯地域の屋外において実施されている場合が多い。しかしながら、そのような地域においては、日中の日射量が過剰となるため、強光によって培養環境における温度を上昇させる結果、微細藻類の生育、代謝に悪影響を与えるため、上記地域における微細藻類の培養は最適な条件で実施されているとは言えない。
　そこで、上記課題を解決する技術として、米国特許7980024号公報（特許文献１）がある。この公報では、「培養用フォトバイオリアクターを池や湖に浮遊させることにより、フォトバイオリアクター外の水とリアクター内の液体培地との間で熱交換を行う」と記載されている。これにより、培養用フォトバイオリアクター内の液体培地温度が高温になることを防ぐことが可能となる。また、WO2008/153202号公報（特許文献２）では、「水面上で浮遊させた透明且つ柔軟性材料からなる光合成用リアクター」と記載されている。
米国特許7980024号公報 WO2008/153202号公報
　上記特許文献１では、単に培養容器を浮遊させるとのみ記載されており、また、特許文献２においては、水面上に浮遊と記載されている。これらの場合、リアクター外に存在する水との熱交換により液体培地の温度上昇は抑制することが可能であるが、太陽光の照射強度自体は低減されないため、強光による光傷害が発生し光合成機能が低下してしまう。
　つまり、従来技術の浮遊型フォトバイオリアクターでは、水面上にフォトバイオリアクターが位置しているため、太陽光の照射光量を減弱することが出来ず、強光条件による光障害を回避することは難しい。一方、フォトバイオリアクターを水面上に位置させるのではなく、完全に外部環境の水中に沈めることが出来れば、水面上方からの太陽光が水に吸収される結果、リアクターに到達する太陽光が減弱され照射光量が低下するため、強光条件による光障害を回避することが出来る。
　一般に光が水に吸収される場合、光の波長によってその吸収量が異なることが知られており、長波長域の光ほど水への吸収が大きくなる。可視光領域（400～700nm）の光では、短波長域の青色光（400～500nm）に比べ、長波長域の赤色光（600～700nm）が、より水に吸収され減弱する。一方、植物や微細藻類の光合成においては、可視光領域の光のうち、青色光（400～500nm）と赤色光（600～700nm）の両方が有効波長であることが知られている。そのため、上記のように、フォトバイオリアクターを完全に水中に沈めた場合には、強光条件による光障害は回避できるが、有効波長域である赤色光が減弱する結果、光合成の効率を低下させることになる。
　そこで、本発明は，微細藻類などの光合成を行う生物の培養時に、強光条件下での温度上昇と光障害を回避し、且つ光合成効率の低下を低減するために、太陽光の照射光量は減衰させるが、光合成において有効な波長成分は出来るだけ低減させることが無い様、光環境条件を制御する機能を有した生物培養システムを提供することを目的とする。
　上述した課題の少なくとも一の課題を解決するための本発明の一態様として、生物培養システムに第１の波長域の光よりも前記第１の波長域に比べて短波長域である第２の波長域の光を多く吸収する吸光液を溜める液溜め容器と、光合成を行う培養対象の生物を含む培養液を内部に格納して前記液溜め容器内に設置される培養容器と、前記培養容器が受光する光量を計測する光量計測部と、前記光量計測部の計測結果に基づいて、前記吸光液の液面から前記培養容器までの液深を制御する液深制御部と、を設ける。
　さらに、上述した課題の少なくとも一の課題を解決するための本発明の他の態様として、第１の波長域の光よりも前記第１の波長域に比べて短波長域である第２の波長域の光を多く吸収する吸光液を液溜め容器に溜め、光合成を行う培養対象の生物を含む培養液を培養容器の内部に格納し、前記培養容器を前記液溜め容器内に設置し、前記培養容器が受光する光量に基づいて、前記液溜め容器内における、前記吸光液の液面から前記培養容器までの液深を制御する。
　本発明により，光合成を行う生物の培養時の強光条件下での温度上昇と光障害を回避し、且つ光合成効率の低下を低減することが可能となる。上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
本発明の実施例１に係る生物培養システム構成図の例である。 本発明の実施例２に係る生物培養システム構成図の例である。 本発明の実施例３に係る生物培養システム構成図の例である。 本発明の実施例４に係る生物培養システム構成図の例である。 本発明の実施例５に係る生物培養システム構成図の例である。 本発明の実施例６に係る生物培養システム構成図の例である。 特定の波長域の光を優先的に吸収することが出来る物質の一例として、赤色色素102号を用いた場合の赤色光及び青色光の吸収と液深の関係を示すグラフである。 制御装置の構成を示す例である。 基準光量-液深相関関数の一例を示すグラフである。 実施例１における制御フローを示す例である。 実施例２における制御フローを示す例である。
　以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。ただし、本実施例は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明を限定するものではないことに注意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。
　（実施例１）
  図１は、本実施例の生物培養システムの構成を示す図の例である。
本システムは、特定の波長域の光を優先的に吸収することが出来る物質を溶解した液体（吸光液）１０１を貯留することが出来る液溜め容器３と、その容器内に設置され、微細藻類などの光合成を行う培養対象の生物を含む培養液２を保持できる透明かつ容器の一部もしくは全部が柔軟性素材（例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、エチレン酢酸ビニル、ポリ塩化ビニルなどがあるが、特にこれらに限定されるものではない）から成り変形可能である培養容器１と、その培養容器１の上側表面において所望の波長域別に光量を測定し,その結果を制御装置７に送信することが出来る機能を持った波長域別光量測定装置６と、その容器内に二酸化炭素及び空気を注入するためのポンプ８、注入管１０、および容器内から二酸化炭素及び空気排出するためのポンプ９、排出管１１と、培養容器近傍に設置した環境の光量測定し,その結果を制御装置７に送信することが出来る機能を持った外部光量測定装置４及び温度を測定し、その結果を制御装置７に送信することが出来る機能を持った温度測定装置５と、前記光量及び温度測定装置により送信された、測定光量及び温度結果を受け取り培養容器内の二酸化炭素及び空気の注入もしくは排出操作変量を決定しその操作を制御する制御装置７より構成される。
　なお、上記波長域別光量測定装置６としては、所望の特定波長域の光を透過することが出来る光学フィルターを具備した光受容部を装備した照度計や光量子センサー、または任意の特定波長域ごと測定可能な多波長対応センサーなどがある。なお、ポンプ８へ供給される気体である二酸化炭素や空気は、ボンベや他の供給源によって供給されるが図面への記載は省略する。
　ここで、図７を用いて、本実施例における液体１０１の構成例について説明する。図７は、特定の波長域の光を優先的に吸収することが出来る物質を溶解した液体１０１の一例として、赤色光領域（600～700nm）に比べ青色光領域（400～500nm）の吸収がより大きい物質である赤色色素102号を用いた場合の赤色光及び青色光の吸収と液深の関係を示すグラフである。一般に、光合成に有効な赤色光領域（600～700nm）と青色光領域（400～500nm）では、赤色光のほうが水により吸収されやすい。そのため、水深が深くなると、青色光領域の光成分が多く、赤色光領域光は減少するため、光合成にとっては望ましい光条件ではない。そこで、光障害を回避するためには光の強度は低減するが、光合成効率への影響を最小限に低減するため波長域成分比は維持する方法が必要である。
　図7は、赤色光領域（600～700nm）に比べ青色光領域（400～500nm）の吸収がより大きい物質である赤色色素102号の水溶液（濃度0.00006％）の液深と赤色光および青色光の吸収量を調べた結果である。水道水の場合、赤色光（赤色ＬＥＤ光；波長６６０nm）のほうが、青色光（青色ＬＥＤ光；波長４７０nm）に比べ吸収による光強度の減少が大きい。一方、青色光領域（400～500nm）の光を優先的に吸収する赤色色素102号を溶解した赤色色素液の場合には、水道水の場合と異なり、赤色光に比べ青色光の光強度が減少した。この結果から、特定の波長域の光を優先的に吸収することが出来る物質を溶解した液体の液深、また物質の溶解濃度を適切に設定することで波長域成分比は維持したまま光強度を低減可能であることが示された。
　次に、図８を用いて、制御装置７の構成例について説明する。制御装置７は、メモリー８０１と、プロセッサ８０２と、インタフェース８０３と、を有し、メモリー８０１、プロセッサ８０２はインタフェース８０３を介して外部の装置と接続し、信号の送受信によるこれらの装置の制御が可能となっている。メモリー８０１には、図９を用いて後述する基準光量-液深相関関数８０７と、情報送受信部８０４、情報比較部８０５、位置調整部８０６の各プログラムと、が記憶されている。制御装置７では、上述のプログラムをプロセッサ８０２が読み込み、実行する事により、以下に述べる液深制御に関する各処理を行う。
　以下、前記基準光量-液深相関関数８０７に関して、図９を用いて説明する。
　図９は、図７で示されている赤色光領域（600～700nm）の光を大きく減少させることなく青色光領域（400～500nm）の光を特異的に減少させる場合の一例において、赤色光領域に比べ青色光領域の吸収がより大きい物質を溶解した液体の液深とその液深において減少する赤色光量及び青色光量の相関を示すグラフである。図９に於いては、光量-液深相関を一次関数として近似しているが、この近似関数は、制御したい光の波長域また特定波長の光を吸収するために用いる物質の特性によって異なり、それぞれの場合に最適と考えられる近似式を用いれば良く、必ずしも一次関数として近似する場合に限定されない。
　図９の近似式の傾きより、図７で示した例の場合には、液深１ｃｍ当たり、赤色光は1,445μmol/（m2・sec）、青色光に於いては液深１ｃｍ当たり、8.085μmol/（m2・sec）減少する。このように、特定波長域の光を吸収する物質が溶解した液体の液深と吸収により減少させたい波長域の光と、吸収による影響がないかもしくは軽微で培養対象の生物に照射したい波長域の光の、それぞれの単位液深あたりの減少係数をあらかじめ実験的に取得しておき、この係数を用いて所望の光照射量を得ることが出来る液深を算出する。図９に示す場合には、減少させたい青色光を基準に光照射を制御する場合には、
  所望の青色光照射量[μmol/（m2・sec）]＝
  （液深０ｃmでの青色光光量[μmol/（m2・sec）]）－8.085 x液深（ｃｍ）となるように液深値を算出し、制御に用いれば良い。
　また、赤色光照射量を基準に光照射量を設定する場合には、
  所望の赤色光照射量[μmol/（m2・sec）]＝
  （液深０ｃmでの赤色光光量[μmol/（m2・sec）]）－1.445 x液深（ｃｍ）
となるような液深値を算出し制御に用いれば良い。
　以下では、図１０に示すフローチャートを用いて、制御装置７による液深制御について説明する。まず、情報送受信部８０４が、培養容器近傍に設置した環境の外部光量測定装置４及び温度測定装置５に測定指示信号を送信し、外部光量測定装置４、温度測定装置５における測定を開始させ、それぞれの計測結果を受信する（９０１）。ここで、このステップ９０１をあらかじめ任意に設定した時間間隔で少なくとも２回以上繰り返す。この測定結果を情報送受信部８０４を経て、情報比較部８０５が取得し繰り返し測定した値の差分をとり、その差分値があらかじめ任意に設定した値を超えた場合（９０２）に、外部環境即ち太陽光照射条件が変動していると判断し、情報送信部８０４へ波長域別光量測定装置６の測定開始をするように指示信号を出す。この指示信号により、情報送受信部８０４によって受信された波長域別光量測定装置６の計測結果を取得し、基準光量-液深相関関数８０７から読み出した、太陽光による照射量が培養対象となる生物に対してあらかじめ設定していた所定の光量値と、波長域別光量測定装置６の計測結果とを比較する（１００２）。波長域別光量測定装置６の計測結果が所定の光量値であれば処理を終了し、開始ステップへ戻る。
　一方、情報比較部８０５は、波長域別光量測定装置６の計測結果が所定の光量値から解離した場合に、波長域別光量測定装置６の計測結果が所定の光量値未満か否かを判定する（１００３）。情報比較部８０５による比較の結果、波長域別光量測定装置６の計測結果が所定の光量値より大きい場合、位置調整部８０６が、排出ポンプ９を動作させ、培養容器１中に保持される気体（例えば、二酸化炭素及びもしくは空気）を排出管１１を経て排出することにより前記培養容器１の浮力を低減させ、これにより前記液溜め容器３中における前記培養容器１の垂直方向位置を下降させることにより、液深１００を増大させる（１００５）。一方、情報比較部８０５による比較の結果、波長域別光量測定装置６の計測結果が所定の光量値未満の場合には、注入ポンプ８を動作させ前記培養容器１内の気体を注入管１０を経て注入することにより前記培養容器１の浮力を増大させ、これにより前記液溜め容器３中における前記培養容器１の垂直方向位置を上昇させることにより、液深１００を低減させる。このように、位置調整部８０６は、制御信号の送信によりポンプ８、９を動作させ培養容器１中に保持される二酸化炭素及びもしくは空気等の気体の容量を変動させることにより培養容器１の浮力を制御し、前記液溜め容器３中における前記培養容器１の垂直方向位置を操作する。
　位置調整部８０６による液深調整（ステップ１００４、ステップ１００５）の操作後、ステップ１００１に戻り、情報送受信部８０４の制御により、前記培養容器１の表面に設置された波長域別光量測定装置６が再度計測を行い、情報比較部８０５、位置調整部８０６によるステップ１００２以降の処理を行う。
　このように、制御装置７は、前記培養容器１の表面に設置された波長域別光量測定装置６により測定される光量が所望の値となるまで、前記フィードバック制御による操作を繰り返す。また、日中では培養容器近傍に設置した環境の光量測定する外部光量測定装置４及び温度を測定する温度測定装置５により測定される値は、時々刻々と変動する。そのため、前記培養容器１の垂直方向位置制御は、前記培養容器表面に設置された波長域別光量測定装置６での値が所望の値となるように、日中は継続して実施する。
　以上のように、本実施例では、生物培養システムに、例えば赤色光領域（600～700nm）のような第１の波長域の光よりも、第１の波長域に比べて短波長域である青色光領域（400～500nm）のような第２の波長域の光を多く吸収する液体（吸光液）１０１を溜める液溜め容器３と、光合成を行う培養対象の生物を含む培養液を内部に格納して前記液溜め容器内に設置される培養容器１と、培養容器１が受光する光量を計測する波長域別光量測定装置６のような光量計測部と、光量計測部の計測結果に基づいて液体（吸光液）１０１の液面から培養容器３までの液深を制御する制御装置７のような液深制御部と、を設けることで、光合成を行う生物の培養時の強光条件下での温度上昇と光障害を回避し、且つ光合成効率の低下を低減することを可能とする例を示した。
　（実施例２）
　図２は、前記制御装置７により前記培養容器１の垂直方向位置制御を行うための実施例１とは別の実施例２における構成を示す図である。本実施例においては、波長域別光量測定装置６を、培養容器１とは切り離して設置し、液溜め容器３の深さ方向の所定の液深、例えば図２に示す液深が０に相当する位置、に設ける。また、図２に示す構成例では、液溜め容器３の外部において液深が０に相当する位置に波長域別光量測定装置６を設けている。培養容器近傍に設置した環境の光量測定する外部光量測定装置４及び温度を測定する温度測定装置５による測定値と前記液溜め容器３の液深が０に相当する位置に設置された波長域別光量測定装置６による測定値により液深制御を行う。以下、図１１に示すフローチャートを用いて、本実施例における、制御装置７による液深制御について説明する。
　まず、情報送受信部８０４が、培養容器近傍に設置した環境の外部光量測定装置４及び温度測定装置５に測定指示信号を送信し、外部光量測定装置４、温度測定装置５における測定を開始させ、それぞれの計測結果を受信する（９０１）。ここで、このステップ９０１をあらかじめ任意に設定した時間間隔で少なくとも２回以上繰り返す。この測定結果を情報送受信部８０４を経て、情報比較部８０５が取得し繰り返し測定した値の差分をとり、その差分値があらかじめ任意に設定した値を超えた場合（９０２）に、外部環境即ち太陽光照射条件が変動していると判断し、情報送信部８０４へ波長域別光量測定装置６の測定開始をするように指示信号を出す。この指示信号により、情報送受信部８０４によって受信された波長域別光量測定装置６の計測結果を取得する（１００１）。
　次に、波長域別光量測定装置６の計測結果の取得を、あらかじめ任意に設定した時間間隔で少なくとも２回以上繰り返し、その測定値の差分を取り、時間経過と共に差分が増加している場合は液深増大方向に、逆に増加せず減少の場合には液深低減方向への液深制御を行う（１１０１）。なお、この時の液深制御量は、前記基準光量-液深相関関数８０７を元に決定し、その制御は、位置調整部８０６による排出ポンプ９を動作させ、培養容器１中に保持される気体（例えば、二酸化炭素及びもしくは空気）を排出管１１を経て排出、または注入管１０を経て注入することにより前記培養容器１の浮力を調節することで、液深１００の調整を行う（１００４、１００５）。
　このように、位置調整部８０６は、制御信号の送信によりポンプ８、９を動作させ培養容器１中に保持される二酸化炭素及びもしくは空気等の気体の容量を変動させることにより培養容器１の浮力を制御し、前記液溜め容器３中における前記培養容器１の垂直方向位置を操作する。位置調整部８０６による液深調整（１００４、１００５）の操作後、動作は一旦終了し、その後、任意に設定された一定時間後に開始ステップに戻り、液深制御を継続して実施する。
　以上、本実施例２に示した実施形態では、単独の波長域別光量測定装置６の情報を基に、複数の液溜め容器における液深制御が可能となる。
　（実施例３）
　図３は、前記制御装置７により前記培養容器１の垂直方向位置制御を行うための、さらに別の実施例３を示す図である。本実施例においては、気象人工衛星１３から情報受信設備１４を経由して得られる、前記生物培養システムの設置した地域の日射量に影響する雲の発生とその動き等の気象情報を前記制御装置７に連携させる形態を示している。気象人工衛星１３から得られた情報は、前記生物培養システムの設置した地域を含む広範な領域に関するものであり、前記生物培養システムの設置した地域での日射量等の変動は、得られた雲の状況（雲の面積、垂直方向の厚さ、移動速度等）から予想する必要がある。そのため、前記地域における気象情報に関するデータベース１２を予め構築し具備する必要がある。このデータベース１２に対して気象人工衛星１３から得られた情報を対応させることにより、前記地域における日射量の変動を予想し、その予想に従って、図１０や１１に示す動作開始を実施することで、実際の日射量変動に先駆けて制御を開始することが出来、その結果、より精度高い前記培養容器１の垂直方向位置制御が可能となる。
　（実施例４）
　図４は、培養対象の生物を含む培養液２を保持できる透明かつ容器の一部もしくは全部が柔軟性素材から成り変形可能である前記培養容器１の別の実施形態を示す図である。前記前記培養容器１の底面部分水平方向に変形不可能な強度を持つ部材１０２を設置している。変形不可能な強度を持つ部材としては、プラスチック等の合成樹脂をはじめ炭素繊維により強化した炭素繊維強化プラスチックや金属があるが、必ずしもこれらに限定されない。前記培養容器１の変形可能部分が変形により不均一な形状となった場合でも、前記変形不可能な部材１０２の設置により、液溜め容器３内における前記培養容器１の水平報方向の位置を保持でき、その結果、前記培養容器１の上面における液深を一定に保持することが可能となる。
　（実施例５）
　図５は、上述の実施例１ないし４のような前記培養容器１の浮力調整による液深制御ではなく、前記培養容器１に結合し浮力を生じさせる浮力体１１１を具備することで前記培養容器１の垂直方向位置制御を可能する生物培養システムの実施例５について構成を示す図である。
　既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分、及び浮力制御のフロー等、については、説明を省略する。図5においては、前記培養容器１に結合した柔軟性素材から成り気体を保持することが出来る変形可能な浮力体１１１、前記培養容器１との結合対１１２と前記浮力体に気体を注入するポンプ１１３及び注入管１１４、排気を行うための排気ポンプ１１５と排気管１１６からなる構成、及び、前記培養容器１において前記培養対象の生物を含む培養液２に前記培養対象生物の生育に必要な二酸化炭素もしくは空気を供給するためのポンプ１２０と注入管１３０、さらに排出するためのポンプ１２１と排出管１３１からなる構成が示されている。本実施例での液深制御の方法について説明する。
　培養容器近傍に設置した環境の外部光量測定装置４及び温度測定装置５、及び培養容器表面での波長域別に光量を測定する波長域別光量測定装置６による計測結果に基づき、太陽光による照射量が培養対象となる生物に対してあらかじめ設定していた値から解離した場合に、前記制御装置７からの信号によりポンプ１２０、１２１を動作させ浮力体１１１中に保持される気体の容量を変動させることにより浮力体１１１の浮力を制御することにより、前記液溜め容器３中における浮力体１１１と結合している前記培養容器１の垂直方向位置を操作する。操作後、前記培養容器表面に設置された波長域別光量測定装置６により、再度計測を行い、所望の光量よりも測定光量が過剰の場合には前記制御装置７により、前記排出ポンプ１２０を動作させ前記浮力体１１１内の気体を排出管１３１を経て排出することにより前記浮力体１１１の浮力を低減させ、これにより前記液溜め容器３中における前記培養容器１の垂直方向位置を下降させることにより、液深１００を増大させる。
　逆に、所望の光量よりも測定光量が不足の場合には、注入ポンプ１２０を動作させ前記浮力体１１１内の気体を注入管１３０を経て注入することにより前記浮力体１１１の浮力を増大させ、これにより前記液溜め容器３中において前記浮力体１１１に結合した前記培養容器１の垂直方向位置を上昇させることにより、液深１００を低減させる。前記培養容器表面に設置された波長域別光量測定装置６により測定される光量が所望の値となるまで、前記フィードバック制御による操作を繰り返す。液深増大／低減の処理以外の浮力制御フローについては、上述の実施例１ないし４で説明したような処理フローを適用することが可能である。
　また、日中では培養容器近傍に設置した環境の光量測定する外部光量測定装置４及び温度を測定する温度測定装置５により測定される値は、時々刻々と変動する。そのため、前記浮力体１１１による前記培養容器１の垂直方向位置制御は、前記培養容器表面に設置された波長域別光量測定装置６での値が所望の値となるように、日中は継続して実施する。本実施例５によれば、実施例１ないし４の場合に液深制御に用いる気体として前記培養容器内の前記培養対象生物の生育に影響を与えない気体（二酸化炭素や空気）に限定されるのに対し、浮力体に注入する気体の種類に特に制限がなく、どのような気体成分でも使用することが可能となる。
　（実施例６）
　図６は、前記培養容器１の浮力調整による液深制御ではなく、前記液溜め容器３中の特定の波長域の光を優先的に吸収することが出来る物質を溶解した液体１０１の量を変動させることで液深１００の制御を行うことを可能とする実施例６の生物培養システムの構成を示す図の例である。
　図６においては、前記培養容器１は前記液溜め容器３内に、結合体１０３により固定されている。また前記液溜め容器３は、前記特定の波長域の光を優先的に吸収することが出来る物質を溶解した液体１０１を保持した貯留タンク１０４に連結パイプ１０５により連結され、この連結パイプに設置された注排水ポンプ１０６により前記液溜め容器３内の前記液体１０１の量を変動させることが出来る。
　以下、本実施例での液深制御の方法について説明する。培養容器近傍に設置した環境の外部光量測定装置４及び温度測定装置５、及び培養容器表面での波長域別に光量を測定する波長域別光量測定装置６による計測結果に基づき、太陽光による照射量が培養対象となる生物に対してあらかじめ設定していた値から解離した場合に、前記制御装置７からの信号により前記注排水ポンプ１０６を作動させ前記連結パイプ１０５を介して、前記液溜め容器３内へ前記液体１０１を注排水することで、前記液溜め容器３内における前記液体１０１の水位を制御する。
　一方、前記培養容器１には一定容量の気体成分を保持させておき、且つ前記結合体１０３により固定しておけば、前記液体１０１の水位が前記培養容器１の上面を超え、培養容器１上に前記液体１０１が重層することとなり、液深１００が形成される。この前記液深１００は、前記液体１０１の前記液溜め容器３内における水位の変動に伴って変動し、これにより液深１００を制御することが出来る。実際には、前記培養容器表面に設置された波長域別光量測定装置６により計測を行い、所望の光量よりも測定光量が過剰の場合には、前記制御装置７により前記注排水ポンプ１０６を動作させ前記貯留タンク１０４から前記液体１０１を前記連結パイプ１０５を経由して前記液溜め容器３内に注水し、前記液溜め容器３中における前記液体１０１の水位を上昇させることにより、液深１００を増大させる。
　逆に、所望の光量よりも測定光量が不足の場合には、前記注排水ポンプ１０６を動作させ前記液溜め容器３内から前記液体１０１を前記連結パイプ１０５を経由して前記貯留タンク１０４に排水し、前記液溜め容器３中における前記液体１０１の水位を下降させることにより、液深１００を減少させる。液深増大／低減の処理以外の浮力制御フローについては、上述の実施例１ないし４で説明したような処理フローを適用することが可能である。
　前記培養容器表面に設置された波長域別光量測定装置６により測定される光量が所望の値となるまで、前記フィードバック制御による操作を繰り返す。また、日中では培養容器近傍に設置した環境の光量測定する外部光量測定装置４及び温度を測定する温度測定装置５により測定される値は、時々刻々と変動する。そのため、前記液深１００の制御は、前記培養容器表面に設置された波長域別光量測定装置６での値が所望の値となるように、日中は継続して実施する。
　本実施例によれば、他の実施例と比較し、変形可能な培養容器１を用いた場合に、前記液溜め容器３の液体中において、前記培養容器１の水平方向の位置制御が容易となる。
　以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に例示して説明したが、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
１…培養容器、２…培養対象の生物を含む培養液、３…液溜め容器、４…光量測定装置、５…温度測定装置、６…波長域別光量測定装置、７…制御装置、８、９…ポンプ、１０…注入管、１１…排出管、１２…データベース、１３…気象人工衛星、１４…情報受信設備、１００…液深、１０１…特定の波長域の光を優先的に吸収することが出来る物質を溶解した液体、１０２…変形不可能な強度を持つ部材、１０３、１１２…結合体、１０４…貯留タンク、１０５…連結パイプ、１０６…注排水ポンプ、１１１…浮力体、１１３…注入ポンプ、１１４…注入管、１１５…排気ポンプ、１１６…排気管、１２０、１２１…ポンプ、１３０…注入管、１３１…排出管、８０１…メモリー、８０２…プロセッサ、８０３…インターフェース、８０４…情報送受信部、８０５…情報比較部、８０６…位置調整部、８０７…基準光量-液深相関関数

Claims (14)

  1. 　第１の波長域の光よりも前記第１の波長域に比べて短波長域である第２の波長域の光を多く吸収する吸光液を溜める液溜め容器と、
    　光合成を行う培養対象の生物を含む培養液を内部に格納して前記液溜め容器内に設置される培養容器と、
    　前記培養容器が受光する光量を計測する第１の光量計測部と、
    　前記第１の光量計測部の計測結果に基づいて、前記液溜め容器内における、前記吸光液の液面から前記培養容器までの液深を制御する液深制御部と、を備える、
    　ことを特徴とする生物培養システム。
  2. 　請求項１に記載の生物培養システムであって、
    　前記第１の光量計測部は、前記培養容器が受光する光量を波長域別に測定する、
    　ことを特徴とする生物培養システム。
  3. 　請求項１に記載の生物培養システムであって、
    　前記液深制御部は、
    　前記吸光液中で前記培養容器に働く浮力を制御することで前記液深を制御する、
    　ことを特徴とする生物培養システム。
  4. 　請求項３に記載の生物培養システムであって、
    　前記液深制御部は、
    　前記培養容器内の気体の量を制御することで前記浮力を制御する、
    　ことを特徴とする生物培養システム。
  5. 　請求項４に記載の生物培養システムであって、
    　前記液深制御部が制御する前記培養容器内の気体は二酸化炭素を含む、
    　ことを特徴とする生物培養システム。
  6. 　請求項３に記載の生物培養システムであって、
    　前記培養容器には、
    　内部に気体を格納できる浮力体が設けられており、
    　前記液深制御部は、
    　前記浮力体内の気体の量を制御することで前記浮力を制御する、
    　ことを特徴とする生物培養システム。
  7. 　請求項１に記載の生物培養システムであって、
    　前記培養容器は、
    　前記液溜め容器中の所定の位置に固定され、
    　前記液深調整部は、
    　前記液溜め容器中の前記吸光液の量を調整することで前記液深を制御する、
    　ことを特徴とする生物培養システム。
  8. 　請求項１に記載の生物培養システムであって、
    　前記第１の光量計測部は、前記培養容器が受光する光量を波長域別に測定する、
    　ことを特徴とする生物培養システム。
  9. 　請求項１に記載の生物培養システムであって、
    　さらに、前記液溜め容器の外部の光量を計測する第２の光量計測部を備え、
    　前記液深制御部は、
    　前記外部の光量に基づいて、前記液深を制御するか否かを判定する、
    　ことを特徴とする生物培養システム。
  10. 　請求項１に記載の生物培養システムであって、
    　さらに、前記液溜め容器の外部の温度を計測する外部温度計測部を備え、
    　前記液深制御部は、
    　前記外部の温度に基づいて、前記液深を制御するか否かを判定する、
    　ことを特徴とする生物培養システム。
  11. 　請求項１に記載の生物培養システムであって、
    　前記液溜め容器が溜める前記吸光液は、
    　前記第１の波長域の光よりも、前記第２の波長域の光を多く吸収する色素を溶解させた液体である、
    　ことを特徴とする生物培養システム。
  12. 　請求項１に記載の生物培養システムであって、
    　前記液深制御部は、
    　前記液深と、前記第１、第２の波長域の光の光量と、の対応関係を予め記憶しており、
    　前記対応関係に基づいて前記液深を制御する、
    　ことを特徴とする生物培養システム。
  13. 　請求項１に記載の生物培養システムであって、
    　さらに、人工衛星から情報を受信する受信部を備え、
    　前記液深制御部は、
    　前記人工衛星から前記受信部が受信した天候に関する情報に基づいて前記液深を制御する、
    ことを特徴とする生物培養システム。
  14. 　第１の波長域の光よりも前記第１の波長域に比べて短波長域である第２の波長域の光を多く吸収する吸光液を液溜め容器に溜め、
    　光合成を行う培養対象の生物を含む培養液を培養容器の内部に格納し、
    　前記培養容器を前記液溜め容器内に設置し、
    　前記培養容器が受光する光量に基づいて、前記液溜め容器内における、前記吸光液の液面から前記培養容器までの液深を制御する、
    　ことを特徴とする生物培養方法。
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