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WO2005102031A1 - 藻類の促成栽培装置と栽培方法 - Google Patents

藻類の促成栽培装置と栽培方法 Download PDF

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WO2005102031A1
WO2005102031A1 PCT/JP2005/007389 JP2005007389W WO2005102031A1 WO 2005102031 A1 WO2005102031 A1 WO 2005102031A1 JP 2005007389 W JP2005007389 W JP 2005007389W WO 2005102031 A1 WO2005102031 A1 WO 2005102031A1
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WO
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algae
light
water
gas
culture water
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PCT/JP2005/007389
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Hiroyuki Kayama
Shusaku Kadowaki
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TECHNICAL OFFICE Ltd
Kagoshima University NUC
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TECHNICAL OFFICE Ltd
Kagoshima University NUC
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Publication date
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Priority to JP2006512532A priority patent/JP4747303B2/ja
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    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
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    • Y02W10/30—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies
    • Y02W10/37—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies using solar energy

Definitions

  • the present invention relates to a terrestrial aquaculture system for algae.
  • the present invention relates to a land cultivation apparatus and method for artificially controlling all cultivation environments and forcing cultivation of algae.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-320426
  • Patent Document 2 JP 2002-315568
  • Patent Document 3 JP-A-10-117628
  • Patent Literature 1 discloses that "a seaweed and seawater are contained and a hollow shape is disposed in a seaweed cultivation aquarium in which a light source irradiates light to the seaweed.
  • An air aeration device comprising an empty tube and a bubble pump that blows air and is disposed at the lower end side of the hollow tube is installed, and the bubble pump power blows out seawater with the blown air bubbles, and the air bubbles are blown out of the hollow tube.
  • the seawater rises in the hollow tube and is discharged from the upper discharge port, and at the same time, seawater is pumped up from the lower inlet of the hollow tube and circulated in the seaweed culture tank.
  • a seaweed cultivation apparatus "(claim 1 of the same application) is characterized in that seaweed is placed in the seawater circulation and floated in a seaweed aquaculture tank.
  • Patent Document 2 discloses that "culture water drainage is guided to an algal culture tank for culturing algae, and nitrogen and phosphorus in the culture water drainage are introduced into the algae as nutrients in the algae culture tank.
  • the concentrated algae culture water is supplied to a plankton culture tank, and the algae are separated from the nutrients in the plankton culture tank. Cultivation outside the plan, and the non-plan culture water is separated by solid-liquid separation using a membrane separator and concentrated, and the concentrated plankton culture water is supplied to the culture tank as bait or taken out as a bait product outside the system.
  • Culturing method "(claim 1 of the same application).
  • Patent Document 3 discloses that "seaweed cultivation discs are laid in the seafloor area where seaweeds multiply and cultivate seaweed seeds naturally, and then placed in land tanks supplied with fresh seawater. A method of increasing and cultivating seaweed in a land tank, which is characterized by relocation (claim 7 of the same application).
  • Sunlight is diffused in seawater, and the light decreases as the water depth increases.
  • the water temperature also decreases as the water depth increases. It also affects nutrients dissolved in seawater and gases such as carbon dioxide and oxygen.
  • algae suitable for growth differ depending on such depth and constitute a vertical distribution. Algae under these vertical distributions have different optimal growth conditions, and basically, the algal growth environment conditions have optimal ranges for water temperature, light, dissolved gas concentration, and nutrient concentration. Related. Therefore, if any of the conditions deviate from the range, growth is significantly suppressed. Therefore, when forcing cultivation is performed on land, it is necessary to control these environmental conditions.
  • the apparatus for forcing cultivation of algae of the present invention that solves the above-mentioned problems includes a water tank for cultivating algae, sporophytes, or gametes of algae as seed algae, and a gas tank for dissolving gas in culture water in the water tank.
  • Dissolving and diffusing device a light irradiating device for irradiating the water tank with light with controlled light quality balance and illuminance, a temperature controlling device for controlling the temperature of the culture water within a certain range, and essential nutrients indispensable for algae growth
  • a nutrient salt adding device for adding nutrients containing the following to the culture water, the culture water purification device, and a control measuring device for each device (claim 1).
  • a method for promoting algae cultivation according to the present invention is a method for cultivating algae, spores or gametes of algae in a water tank as seed algae, wherein a gas is dissolved in culture water in the water tank. Irradiating the water tank with light from a light source whose light wavelength, light quality balance and illuminance are controlled, controlling the temperature of the culture water within a certain range, and removing essential nutrients indispensable for the growth of algae.
  • the method is characterized in that it comprises a step of adding the nutrients contained to the culture water and a step of removing bacteria and purifying the culture water (claim 11).
  • the apparatus and method according to the present invention can be referred to as an algae plant plant or a marine plant plant.
  • the algae to which the present invention can be applied are edible algae belonging to the classes Brown, Green, Red and Blue.
  • a crab-letter known as a high-grade foodstuff, commonly known as "sea grapes" (claim 13).
  • Algae like land plants, have a photoreaction that has a significant effect on growth and quality.
  • red light 600-780 nm
  • green light 500 ⁇ ! -600 nm
  • blue light 400-500 nm
  • the wavelength of light required for photosynthesis and morphogenesis of algae is chlorophyll phytoc.
  • Photoreceptors called roms and carotenoids are stimulated, affecting photosynthesis and the growth of algal organs such as leaves and stems.
  • specific monochromatic light can cause malformation of algal organs and fading of leaf surfaces.Therefore, mixing of the above three wavelengths is not possible with monochromatic light.
  • Irradiation with light is preferred (claim 2).
  • the algae there is a characteristic of the energy ratio of red, blue and green light.
  • green algae it is preferable to mix the energy ratio in the order of red, blue, and green in the order of 2 ⁇ 1: 3 ⁇ 1: 5: 1.
  • brown algae it is preferable to mix the energy ratios of red, blue and green at a ratio of 3 ⁇ 1: 2 ⁇ 1: 5 ⁇ 1 respectively.
  • the illuminance for irradiating the algae with these light sources of light quality balance is in the range of 20 to 400 mol / m2 / S as the illuminance required for the growth of the algae, but the illuminance suitable for growth depends on the habitat of the algae. Are affected.
  • a light emitting diode In order to control the wavelength of the light, the mixed light of three colors, and the illuminance, a light emitting diode, a semiconductor laser, a metal halide lamp, and a high-pressure sodium lamp are excellent as light sources. At present, metal halide lamps and high-pressure sodium lamps are inexpensive. However, a light emitting diode is excellent for obtaining an accurate light quality balance. Since light-emitting diodes can achieve an accurate balance of light quality, it is appropriate to embed photodiodes that emit each wavelength on the upper surface of the aquarium (for example, on the ceiling) and use it as a light source for forcing cultivation of algae. (Claim 2). As a result, the three types of light emitting diodes in each wavelength range can be controlled by the inverter, and the illuminance, that is, the control of light, can be achieved.
  • a light-dark cycle that is not continuous light.
  • photosynthesis is performed by absorbing carbon dioxide, and carbohydrates are synthesized and stored.
  • metabolism is actively performed in the algae. It absorbs oxygen from water and burns oxygen and carbohydrates in the body to produce energy and discharge carbon dioxide.
  • the light-dark cycle varies depending on the algae, but the specified cumulative time per day is 5 to 24 hours, especially 12 to 24 hours. 3).
  • Algae like terrestrial plants, grow by repeating light respiration, photosynthesis, and carbon dioxide gas during the light period, and respiratory metabolism that absorbs oxygen during the dark period. Therefore, the growth of plants is optimized by changing the concentration of carbon dioxide and oxygen necessary for the light-dark cycle between light and dark.
  • carbon dioxide can be obtained by using a commercially available liquid carbon dioxide gas cylinder, or by burning fossil fuel or biomass.
  • Some carbon dioxide generators that generate carbon dioxide by burning fossil fuels are commercially available.
  • Oxygen can be obtained as concentrated oxygen by using an oxygen generator of the type that concentrates oxygen in the air with a gas separation membrane (claims 4 and 5).
  • These gases are introduced into a diffuser tube and dissolved and diffused in water as fine bubbles.
  • a water flow is created using a pump to diffuse the gas.
  • the gas concentration at this time is measured with a commercially available carbon dioxide concentration meter and a dissolved gas concentration meter, and the output signals control the electromagnetic valves in the piping for each gas (Claim 10).
  • the dissolved carbon dioxide gas concentration during the light and dark cycle of light is 100 to 500 ppm, preferably 150 to 300 ppm.
  • the carbon dioxide gas is stopped and air containing oxygen is ventilated.
  • the oxygen concentration is controlled to be 5 ppm to 20 ppm (claims 5 and 6).
  • algae absorb nutrients in water from the leaf surface.
  • the artificial seawater is filtered seawater and used as culture water. Therefore, if the seaweed absorbs trace minerals in the water, the growth will be reduced. In order to solve this, it is necessary to replenish seawater from the outside or replenish the necessary nutrients to the culture water.
  • the solution obtained by mixing and dissolving nutrients necessary for the growth of algae is referred to as "nutrient solution" in the text.
  • Essential nutrients indispensable for the growth of algae are nitrogen, phosphorus, and potassium, as in land plants. They are already commercially available for land plants and seaweed.
  • an ammonium salt (ammonium sulfate, ammonium nitrate, etc.), phosphorus Phosphate (lime perphosphate, Thomas phosphoric acid, etc.) as a source
  • potassium salt potassium salt, potassium nitrate, etc.
  • N, P, K elemental composition ratio of algae and dissolve each mineral according to the procedure.
  • the ratio of ⁇ : ⁇ : ⁇ is 4: 2: 3, and the power ⁇ , nitrogen, phosphorus, and potassium in this ratio are dissolved in filtered seawater or clear water, respectively.
  • a nutrient solution may be adjusted with reference to the PES medium, which is an obvious medium for seaweed, and the Yashima medium.
  • vitamins and growth hormone may be added to the nutrient solution and adjusted.
  • the control of dropping the nutrient solution into the algae culture water is performed by previously measuring one of nitrogen, phosphorus and potassium in the culture water using one of the nitrogen, phosphorus and potassium in the culture solution as an index. Nutrient solution is dropped quantitatively to replenish the deficiency of nutrients absorbed by algae by growth (Claim 8).
  • algae cultivation tanks are in a state where microalgae such as diatoms and bacteria grow in addition to the target algae to be cultivated, and the cultivation tanks with attached algae, microalgae, protozoa, and bacteria. Competition within the plant will hinder the growth of the target algae, and if the algae disease is caused by bacteria due to dense cultivation, cultivation will be difficult. As a countermeasure, this culture water is sterilized and filtered.
  • a filtration device including an MF membrane (microfiltration membrane) or a UF membrane (ultrafiltration membrane) for sterilization filtration (claim 9).
  • the filterable particles of the membrane are less than 0.1 micron and this membrane can also remove viruses.
  • This membrane is used to filter the amount of cultivated water that is replaced at least once every two days and once every six hours. This filtration frequency is also applied to the circulation filtration of culture water and the flow of culture water.
  • a pretreatment device such as a sand filtration device or a 5 to 10 micron filtration membrane before the MF or UF membrane filtration device.
  • the temperature control is performed by using steam as a heat source of a heating heater to increase the water temperature, groundwater for electricity and heating, and a boiler or solar hot water type hot water production device, a heat storage tank, and a cooling water tank to lower the water temperature. It is preferable to use a groundwater or chiller device. It is preferable that each of them is constituted by a heat exchanger that exchanges culture water using a heat source and a cooling source, and the culture water temperature is controlled to be in a range of 5 ° C or more and 35 ° C or less (claim 7). ).
  • a circuit that inputs signals from dissolved gas concentration meters, thermometers, illuminometers, and measuring devices that measure the concentration of indicator substances in nutrient fluids, and that automatically controls ventilation, water temperature, and illuminance. (Claim 10).
  • each measuring device and its automatic control device those known per se can be used.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an algae forcing cultivation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph of growth speed represented by the average weight of sea grapes.
  • the algae to be cultivated are edible seaweeds, which are commonly called “sea grapes” and live in the southern part of Oki-bashi and beyond.
  • a mother alga mat 2 of 100cm x 100cm was fixed to a portion of 15cm in water depth.
  • the mother algae mat 2 is a 1.5 mm / m 2 layer of mother algae 2-b spread over a frame 2-a with an 8 mm open area covered with a culture net (made of synthetic fiber) and sandwiched with the same two culture nets.
  • the mother algae was sandwiched and fixed with instruments so that the four sides of the net frame did not open.
  • the gap between the sandwich structures sandwiching the mother algae is 2 cm.
  • the net and frame sandwiching the mother algae are referred to as “matrix 2” in the text.
  • an air diffuser 3a for ventilating air into water and a carbon dioxide diffuser 3-b for ventilating carbon dioxide are fixed.
  • These air diffusers are made of resin and have a structure of three 6cm in diameter x 20cm in length connected in series.
  • the purpose of the air diffuser 3-a is to dissolve oxygen in the air in water and to stir the water.
  • the purpose of carbon dioxide gas diffuser 3-b is to dissolve carbon dioxide in water.
  • carbon dioxide gas was supplied from a carbon dioxide gas cylinder 4.
  • the air supplied to the air diffuser 3-a was obtained from the blower unit 5. Each gas concentration was adjusted by adjusting the supply flow rate of the air flow meter 6-a and the carbon dioxide gas flow meter 6-b.
  • the air flow meter 6-a adjusts the dissolved oxygen concentration of the liquid in the water tank to 5 to 10 ppm. It was adjusted with valve 7-a so that the carbon dioxide gas flow meter 6-b was adjusted with valve 7-b so that the concentration of dissolved carbon dioxide in the water tank became Sl50-200ppm.
  • the carbon dioxide gas solenoid valve 8-b opens and the air solenoid valve 8-a closes during light, according to the control of the light / dark cycle of the light source. In the dark, the gas control device 9 controlled the air solenoid valve 8-a to open and the carbon dioxide solenoid valve 8_b to close.
  • the water temperature in the water tank was heated by the heating heater 17.
  • the water temperature is preferably 26 to 30 ° C.
  • the water temperature was measured by the thermometer 18, the heating heater 17 was controlled by the temperature controller 19, and the water temperature was controlled at 28 ⁇ 1 ° C.
  • the light source 10 installed in the top of the cultivation water tank 1 had a structure in which red, green, and blue light emitting diodes were arranged in three rows in parallel.
  • Light source 10 installed light source control device 11 red energy ratio of each light source 2: blue 3: controlled to be greenish 5, the illuminance of the light source is under water 15cm in 140 / z mol / m 2 /
  • the light and dark cycle was controlled to be 20 hours for the light period and 4 hours for the B sound period.
  • a UF membrane filtration device 12 For the purification of seawater, a UF membrane filtration device 12 was used. The pump 13 was operated, and the flow meter 14 was adjusted with the valve 15 so that the filtration flow rate was 0.6 liter / minute. Since the filtration capacity of the UF membrane is 0.01 micron, bacteria and viruses can be filtered.
  • the nutrient solution dropped into the cultivation tank is obtained by adding ammonium nitrate and ammonium phosphate as the nitrogen (N) source, calcium phosphate as the phosphorus (P) source, and potassium (K) source to the filtered seawater.
  • the nutrient solution was prepared by adding Shiridani potassium so as to be N4%: P2%: K3%.
  • the nutrient solution was stored in nutrient solution tank 20.
  • the amount of nutrient solution to be dropped is measured using dissolved total nitrogen (TN), which is an arbitrary nutrient known in the nutrient solution, as an index!
  • Cultivation was performed for 20 days using the above cultivation apparatus. Separately, as a control plot, a heater, a UF membrane filtration device and an air diffuser for agitation were installed in the same cultivation aquarium, fresh seawater was exchanged daily, and the light source used natural light to absorb seawater power and nutrient sources. Natural environment The sea grapes were cultivated under the same conditions as the cultivation apparatus shown in the example, except for the water temperature and the conditions of the UF membrane.
  • FIG. 1 shows the average weight of sea grapes. Cultivation of sea grapes in the control plot increased the weight by 2.6 times in 20 days.
  • the optimal harvest date is the optimal harvest date when the growth of the upright stem length is 5 cm or more and between 5 cm and 10 cm.
  • the cultivation apparatus according to the invention reached the optimal harvest date 14 days before or after the control plot.
  • safe and high-quality algae can be cultivated in a short period of time, which has been difficult to achieve with conventional aquaculture techniques.

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Abstract

　　溶解ガス、光、温度、栄養源、衛生環境の人工環境下で最も藻類の成長に最適な環境制御を行い促成栽培する装置と方法。本発明の装置は、藻類の藻体を種苗として栽培する水槽（１）と、水槽中の培養水に気体を溶解させるガス溶解拡散装置（３－ａ，３－ｂ）と、波長と照度を制御した光を水槽に照射する光照射装置（１０，１１）と、水槽中の培養水の温度を一定範囲に制御する温度制御装置（２０）と、藻類の成長に不可欠な必須栄養源を含んだ栄養液を水槽に添加する栄養塩類添加装置（１７）と、水槽中の培養水の除菌濾過を行う浄化装置（１２）と、各装置の制御用計測装置とから構成されている。                                                                                                   

Description

明 細 書
藻類の促成栽培装置と栽培方法
技術分野
[0001] 本発明は、藻類の陸上養殖システムに関する。特に、すべての栽培環境を人為的 に制御して藻類を促成栽培することを目的とした陸上栽培装置と方法に関する。 背景技術
[0002] 異常気象や、開発による棲息環境の破壊、海洋汚染等のため、 日本人が昔力 食 用として利用してきたワカメ、コンブ、ヒジキ、ノリなどの藻類資源は、生産量が不安定 となっている。また、河川の環境悪ィ匕などにより川ノリは絶滅の危機に瀕している。
[0003] その対策として、安定性と安全性の観点力 陸上養殖の研究開発が進められてい る（例えば、下記特許文献 1 3参照)。
特許文献 1：特開 2002— 320426公報
特許文献 2 :特開 2002— 315568公報
特許文献 3：特開平 10— 117628号公報
[0004] 特許文献 1では、「海藻類及び海水が収容され、光源から前記海藻類への光の照 射が行われる海藻類養殖水槽内に、中空状をなし略垂直向きに配置される中空管と 、当該中空管内下端側に配置され、空気を吹出す気泡ポンプとよりなるエアレーショ ン装置が設置され、前記気泡ポンプ力 吹出された気泡により海水を曝気処理し、 前記気泡が中空管内の海水と混入されることにより当該海水を中空管内で上昇させ て上部の吐出口から吐出させると同時に、中空管の下部の流入口から海水を汲み上 げて海藻類養殖水槽内で海水を循環させ、その海水の循環に海藻類をのせて海藻 類養殖水槽内に浮遊させることを特徴とする海藻類養殖装置」（同出願請求項 1)を 開示している。
[0005] 特許文献 2では、「藻類を培養する藻類培養槽へ養殖水槽排水を導き、藻類培養 槽内で養殖水槽排水中の窒素、リンを藻類中に栄養分として取り込むことで養殖水 槽排水を処理し、藻類培養水を膜分離装置で固液分離して濃縮するとともに、濃縮 藻類培養水をプランクトン培養槽へ供給し、プランクトン培養槽内で藻類を栄養分と してプラン外ンを培養し、プラン外ン培養水を膜分離装置で固液分離して濃縮し、 濃縮プランクトン培養水を餌として養殖水槽へ供給するか、あるいは餌製品として系 外へ取り出すことを特徴とする培養方法」（同出願請求項 1)を開示している。
[0006] 特許文献 3では、「海藻類の増繁殖する海底域に、海藻類養殖盤を布設して、海藻 類種子の自然活着を実施したのち、新鮮な海水が供給された陸上水槽内に移設す ることを特徴とする陸上水槽による海藻類の増養殖方法」（同出願請求項 7)を開示し ている。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] 太陽光は海水中で拡散され水深が深くなるに従い光が減少する。又、水温も同様 に水深が深くなるに従い低下する。更に、海水中に溶解する栄養塩類や、炭酸ガス や酸素などの気体にも影響を及ぼす。そのような深度によって生育に適する藻類が 異なり、垂直分布を構成すると言われている。これら垂直分布下の藻類は、それぞれ 最適な生育条件が異なり、基本的に、藻類の生育環境条件には水温、光、溶存ガス 濃度、栄養塩濃度でそれぞれ至適範囲があり、それらは密接に関連している。したが つて、その条件範囲からひとつでも逸脱すると、生育は著しく抑制される。従って陸上 で促成栽培をおこなう場合には、これらの環境条件を制御する必要がある。
[0008] しかし、前記従来技術においては、これらの点に関する考察がほとんどなされてい ないか又はきわめて不十分にしかなされていない。例えば、前記従来技術では、自 然環境である水温、光の影響を受けるため、異常気象等で温度が低下したり日照時 間が減少すると栽培期間が長くなつたり、枯死するなどの影響を受ける。また、藻類 を陸上養殖するために大量の海水を汲み上げているが、その際、液肥を大量に使用 するために海洋の汚染を招いている。さらに、密殖をするために疾病被害を受けや すくなつている。これらの要因のため、従来の陸上養殖は栽培が安定しないという致 命的な欠点があった。
課題を解決するための手段
[0009] 上記課題を解決する本発明の藻類の促成栽培装置は、藻類の藻体、胞子体又は 配偶子体を種藻として栽培する水槽と、前記水槽中の培養水に気体を溶解させるガ ス溶解拡散装置と、光質バランスと照度を制御した光を前記水槽に照射する光照射 装置と、前記培養水の温度を一定範囲に制御する温度制御装置と、藻類の成長に 不可欠な必須栄養素を含んだ栄養塩類を前記培養水に添加する栄養塩添加装置と 、前記培養水浄化装置と、前記各装置の制御用計測装置とから構成されていること を特徴とする (請求項 1)。
[0010] 本発明の藻類の促成栽培方法は、藻類の藻体、胞子体又は配偶子体を種藻とし て水槽中で栽培する方法において、前記水槽中の培養水に気体を溶解させるステツ プと、光波長と光質バランス及び照度を制御した光源から光を前記水槽に照射する ステップと、前記培養水の水温を一定範囲に制御するステップと、藻類の生長に不 可欠な必須栄養素を含んだ栄養塩類を前記培養水に添加するステップと、前記培 養水の除菌 ·浄ィ匕を行うステップ力 構成されて ヽることを特徴とする（請求項 11)。 発明の効果
[0011] 下記する実施例における海ぶどうの栽培を例にとると、本発明によれば、対照区に 比べ重量比における生長は対照区の 3倍を超えた。又、得られた海ぶどうの品質も良 好であった。
[0012] このように、本発明によれば、従来の養殖技術では達成困難であった、安全で品質 の良い藻類の促成栽培が可能になった。本発明による装置と方法は、藻類の植物ェ 場すなわち水産植物工場と呼べるものである。
発明を実施するための最良の形態
[0013] 本発明が適用可能な藻類は、褐藻綱、緑藻綱、紅藻綱、藍藻綱に属する食用藻類 である（請求項 12)。例えば、高級食材として知られるイワヅタ目のクビレヅタ、通称「 海ぶどう」を挙げることができる（請求項 13)。
[0014] 藻類の生長に不可欠な三要素として、光、栄養塩類、水温がある。以下、分説する
[0015] <光の制御 >
藻類には陸上植物と同様に光反応があり、これが生長や品質に大きな影響を与え る。光合成と藻類の形態形成に必要な光の波長として、赤色光 (600〜780nm)及び 緑色光（500ηπ！〜 600nm)青色光（400〜500nm)を照射すると、クロロフィルゃフィトク ロム、カロチノイドと呼ばれる光受容体が刺激を受け、光合成や葉や茎などの藻類器 官の生長に影響を及ぼす。しかし、藻類の生長を促進し正常に生長させるためには 特定の単色光では、藻類器官の形成異常や葉面の色褪せが見られるので、単色の 波長の光ではなぐ上記三種類の波長の混色光を照射することが好ましい (請求項 2 )。藻類によって赤色系と青色系と緑色系の光のエネルギー比の特徴がある。緑藻類 では概ね赤色系と青色系、緑色系の順にエネルギー比を 2 ± 1： 3 ± 1： 5士 1の比率で 混合すると好適である。褐藻類の場合は赤色系と青色系、緑色系のエネルギー比を それぞれ 3 ± 1： 2± 1： 5 ± 1の比率で混合すると好適である。これらの光質バランス の光源を藻類に照射する照度は、藻類の生長に必要な照度として、 20〜400 mol/m2/Sの範囲にあるが、その藻類の棲息環境によって生長に好適な照度は影響 を受ける。例えば紅藻類のアマノリであれば 140〜200 mol/m2/s、褐藻類のコンブ であれば 40〜200 μ mol/m2が、緑藻類クビレヅタであれば 100〜120 μ mol/m2/sが好 適な照度である。
[0016] これらの光の波長と三色混合光と照度を制御するには、光源として発光ダイオード と半導体レーザ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプが優れている。現状では メタルハライドランプや高圧ナトリウムランプが安価である。但し、正確な光質バランス を得るためには発光ダイオードが優れて ヽる。発光ダイオードが正確な光質バランス を得る事ができるで、藻類の促成栽培用には水槽の上面 (例えば天井面）にそれぞ れの波長を発する光ダイオードを埋め込み、光源とすることが適切である（請求項 2) 。それにより、各波長域の三種類の発光ダイオードをインバーターで制御でき、照度 ちコン卜ローノレすることがでさる。
[0017] このように制御された光を藻類に照射する場合、光を連続照射すると光合成の能力 が低下する場合もある。すなわち、植物の生理代謝機能が異常となり光障害が発生 する。従って、連続光ではなぐ明暗周期で行うのが好ましい。明期には、炭酸ガスを 吸収して光合成を行い、炭水化物を合成貯蔵し、暗期には、藻類の体内で代謝が活 発におこなわれる。水中から酸素を吸収し体内で酸素と炭水化物を燃焼させ、エネ ルギーを生産し二酸ィ匕炭素を排出する。その明暗周期は藻類によって異なるが 1日 の明記積算時間は 5時間から 24時間、特に 12時間〜 24時間が適切である（請求項 3)。
[0018] <ガス濃度の制御 >
藻類も陸上植物と同様に明期では光照射、光合成並びに炭酸ガスを吸収し、暗期 では酸素を吸収する呼吸代謝を繰り返して、生長する。そのため、明暗周期に必要 な炭酸ガス濃度と酸素濃度を明と暗で変化させることにより植物の生育は最適となる
[0019] 本発明ではこれらの気体の内、炭酸ガスは、市販の液ィ匕炭酸ガスボンベを使用す る力、化石燃料やバイオマスの燃焼によって得ることができる。化石燃料の燃焼によ つて炭酸ガスを発生する炭酸ガス発生装置は市販のものもある。酸素は、空気中の 酸素をガス分離膜で濃縮するタイプの酸素発生装置を使用して濃縮酸素として得る ことができる（請求項 4, 5)。
[0020] これらのガスは散気管に導入して微細気泡として水中に溶解拡散させる。又、ポンプ を利用して水流を作りだしガスを拡散させる。このときのガス濃度は市販の炭酸ガス 濃度計と溶存ガス濃度計で計測し、出力信号で、各気体の配管の電磁バルブを制 御する（請求項 10)。光の明暗周期が明期の溶解炭酸ガス濃度は 100〜500ppm、好 ましくは 150〜300ppmとし、逆に喑期は炭酸ガスを停止し、酸素を含む空気を通気す る。酸素濃度は 5ppm〜20ppmになるように制御する（請求項 5, 6)。
[0021] <栄養塩の補給 >
光とガス濃度の制御以外に、培養水の栄養塩類の濃度を制御し、藻類の要求する 栄養塩類を補給する必要がある。
[0022] 通常、藻類は葉面から、水中の栄養塩類を吸収する。海藻類の場合、本発明のよう な藻類の栽培装置の場合、人工海水カゝ濾過海水で、培養水として用いるため、海藻 が水中の微量ミネラルを吸収しつくせば、生育が低下する。それを解決するためには 、外部から海水を補給するか、必要な栄養塩類を培養水に補給する必要がある。藻 類の生長に必要な栄養塩類を混合溶解した液を本文では「栄養液」と称する。
[0023] 藻類の生長に不可欠な必須栄養素は陸上植物と同様に窒素とリンとカリである。こ れらは、既に、陸上植物用並びに海藻用として市販されている。又、新規に調製する には、窒素源としてアンモ-ゥム塩 (硫酸アンモ-ゥム、硝酸アンモ-ゥム、等）、リン 源としてリン酸塩 (過リン酸石灰、トーマスリン酸、等）、カリ源としてカリウム塩 (硫酸力 リウム、塩ィ匕カリウム、硝酸カリウム、等)を、藻類の生体 N、 P、 K元素構成比に従い 各ミネラルを混合溶解する。例えば、「海ぶどう」の場合は Ν : Ρ :Κの比率は 4 : 2 : 3で 、この比率にした力^、、窒素、リン、カリウムを、それぞれ濾過海水又は清澄な水に溶 解して栄養液を調製する。又、海藻用培地として明らかな PES培地ゃ屋島培地を参 考にして栄養液を調整してもよ ヽ。
[0024] 他に、前記栄養液にビタミン類や生長ホルモンなどを添加調整してもよい。
[0025] この栄養液を藻類培養水に滴下する制御は、培養液中の窒素、リンやカリウムの内 、ひとつを指標として前もって培養水中の窒素、リン、カリの内、そのひとつを測定し、 藻類が生長によって吸収する栄養塩類の不足を補給する為に栄養液を定量的に滴 下する（請求項 8)。
[0026] <除菌濾過 >
通常、藻類栽培水槽には、栽培しょうとする目的の藻類以外に珪藻類等の微細藻 類や、細菌類が繁殖する状況にあり、付着藻類、微細藻類や原生動物、細菌類と栽 培水槽内で競合して目的の藻類の生長を妨げ、又、密集栽培であるために細菌由 来の藻類の病気の発生があると、栽培が困難になる。その対策として、この培養水を 除菌濾過する。
[0027] 除菌濾過は MF膜 (精密濾過膜)か UF膜 (限外濾過膜)を含む濾過装置を使用す るのが好ましい（請求項 9)。膜の濾過できる粒子は 0.1ミクロン以下で、この膜を使用 すると、ウィルスも除去できる。本膜を使用して、栽培水量が 2日に 1回以上 6時間に 1回以内の頻度で入れ替わる量を濾過する。本濾過頻度は培養水の循環濾過及び 掛け流しでも適用される。 MF又は UF膜の耐用期間を延ばす目的で MF又は UF膜 濾過装置の前に砂濾過装置や 5〜10ミクロンの濾過膜などの前処理装置を取り付け る。
[0028] <温度制御 >
本発明では、温度制御は、水温を上げる為に加温ヒーターの熱源として蒸気または 、電気及び加温用地下水並びにボイラー又は太陽熱利用型温水製造装置と蓄熱水 槽と、水温を下げるため冷却用の地下水又はチラ一装置で構成するのが好ましい。 それぞれ熱源と冷却源を利用して培養水を熱交換する熱交換器で構成され、培養 水温が 5°C以上 35°C以下の範囲となるように制御するのが好ましヽ（請求項 7)。
[0029] <各装置の自動制御 >
溶存ガス濃度計、温度計、照度計、栄養液の指標物質の濃度を測定する計測器か らの信号を入力し、通気量及び水温、照度、を自動制御する回路を組み立てるのが 好まし ヽ (請求項 10)。それぞれの計測装置とその自動制御装置はそれ自体公知の ものを使用することができる。
[0030] 以下、添付の図面に基づき、本発明の実施例を説明する。
図面の簡単な説明
[0031] [図 1]本発明の実施例に係る藻類の促成栽培装置の概略図である。
[図 2]海ぶどうの平均重量で示す生長速度のグラフである。
実施例 1
[0032] 栽培する藻類はイワヅタ目のクビレヅタ、通称「海ぶどう」と呼ばれる沖縛以南に棲 息する食用海藻である。
[0033] 栽培水槽 1 (栽培内寸：縦 150cm X横 100cm X高さ 30cm水槽容積 450リットル）内で、 水深 15cmの部分に 100cm X 100cmの母藻マット 2を固定した。母藻マット 2は、 8mm開 口部の養殖網 (合成繊維製)を張った枠 2-aに、母藻 2-bを 1.5kg/m2敷き詰め、同じ 2 枚の養殖網でサンドイッチ状に母藻を挟み込み、四方の網枠が開かないように器具 で固定した。この母藻を挟み込んだサンドイッチ構造の隙間の間隔は 2cmである。こ の母藻を挟み込んだ網と枠を本文では「母藻マット 2」と呼ぶ。
[0034] 栽培水槽 1の底部には、空気を水中に通気する空気散気管 3-aと炭酸ガスを通気 する炭酸ガス散気管 3-bが固定されて 、る。これらの散気管は榭脂製で直径 6cm X 長さ 20cmを三本直列に繋いだ構造である。空気散気管 3-aは水中に空気中の酸素 を溶解させることと水の攪拌を行うことが目的である。一方、炭酸ガス散気管 3-bは水 中に炭酸ガスを溶解することが目的である。この実施例では、炭酸ガスの供給は、炭 酸ガスボンベ 4を使用した。空気散気管 3-aに供給する空気はブロワ一装置 5から得 た。各々のガス濃度は、空気流量計 6-aと炭酸ガス流量計 6-bの供給流量を調整する ことにより調整した。空気流量計 6-aは、水槽内の液の溶存酸素濃度が 5〜10ppmに なるようにバルブ 7-aで調整し、炭酸ガス流量計 6-bは、水槽中の溶存炭酸ガス濃度 力 Sl50〜200ppmになるようにバルブ 7-bで調整した。空気バイパス電磁弁 8-aと 8-bに おいては、光源の明暗周期の制御に従って、明時には炭酸ガス電磁弁 8-bが開き、 空気電磁弁 8-aが閉じる。暗時には、空気電磁弁 8-aが開き、炭酸ガス電磁弁 8_bが 閉じるように、ガス制御装置 9で制御した。
[0035] 水槽内の水温は、加温ヒーター 17で加温を行った。海ぶどうの栽培は水温 26〜30 °Cが好適である。実施例では温度計 18で水温を測定し、温度制御装置 19で加温ヒ 一ター 17を制御し水温を 28 ± 1°Cで制御した。
[0036] 栽培水槽 1天上部に設置する光源 10は、赤色、緑色及び青色の発光ダイオードを 三列並列にした構造とした。光源 10を設置し光源制御装置 11で各光源のエネルギー 比を赤色系 2 :青色系 3 :緑色系 5になるように制御し、光源の照度は水面下 15cmで 140 /z mol/m2/Sとなるように制御し、明暗周期は明期 20時間、 B音期 4時間になるように 制御した。
[0037] 海水の浄ィ匕は UF膜濾過装置 12を使用した。ポンプ 13を動かし、濾過流量を 0.6リツ トル/分になるように流量計 14をバルブ 15で調整した。 UF膜の濾過能力は 0.01ミクロ ンであるので、細菌類やウィルスの濾過が可能である。
[0038] 栽培水槽に滴下する栄養液は、濾過海水に、窒素 (N)源として硝酸アンモ-ゥム 及びリン酸アンモ-ゥムを、リン (P)源としてリン酸カルシウムを、カリウム (K)源として 塩ィ匕カリウムを、それぞれ N4%: P2% :K3%になるように添加し栄養液を調整した。栄 養液は栄養液タンク 20に貯留した。滴下する栄養液の量は、栄養液で判っている任 意の栄養源である溶存態全窒素 (TN)を指標として測定を行!ヽ、溶存態全窒素 (TN )濃度で、培養水の溶存態全窒素 (TN)の基準値を設定して、培養水の栄養塩類が 常に一定の N： P： K比〖こなるように培養水中の溶存態全窒素 (TN)濃度を、栄養塩 類滴下装置 16で制御した。この実施例では溶存態全窒素 (TN)濃度が常に l.Oppm 〜3.0ppmになるように調整した。培養水の交換は 1日 1回おこなった。
[0039] 上記栽培装置を使用して 20日間栽培を行った。別に、対照区として、同様の栽培 水槽に、ヒーターと UF膜濾過装置及び攪拌用の空気散気管を取り付け、新鮮海水 の交換を毎日行 、、光源は自然光を利用し、海水力 栄養源を吸収する自然な環境 で、水温と UF膜の条件だけは、実施例で示した栽培装置と同一条件で海ぶどうの 栽培を行った。
[0040] 成長を観察するために、海ぶどうの重量を毎日測定した。海ぶどうの平均重量を図 -2に示す。対照区における海ぶどうの栽培では重量は 20日間で 2.6倍に増加した。 本発明の上記実施例に従い栽培を行うと 7.9倍に増加し、対照区に比べ重量比にお ける成長は対照区の 3.1倍となった。又、海ぶどうの品質も良好であった。収穫最適 日は直立茎長部の生長が 5cm〜10cmの間で 5cm以上であれば収穫最適日であり、 発明になる栽培装置は、対照区に比べ 14日前後で収穫最適日に到達した。
[0041] 本発明によれば、従来の養殖技術では達成困難であった安全で品質の良い藻類 の短期間での栽培が可能になる。

Claims

請求の範囲
[1] 藻類の藻体、胞子体又は配偶子体を種藻として栽培する水槽（1)と、前記水槽中の 培養水に気体を溶解させるガス溶解拡散装置 (3-a. 3-b)と、波長と照度を制御した 光を前記水槽に照射する光照射装置（10, 11)と、前記培養水の温度を一定範囲に 制御する温度制御装置（20)と、藻類の生長に不可欠な必須栄養素を含んだ栄養塩 類を前記培養水に添加する栄養塩類添加装置（17)と、前記培養水の除菌濾過を 行う浄ィ匕装置（12)と、前記各装置の制御用計測装置とから構成されていることを特 徴とする藻類の促成栽培装置。
[2] 前記光照射装置（10, 11)が、赤色光系（600〜780nm)と緑色光系（500〜600nm) 青色光系（400〜500nm)の 3波長の特定波長を発生する発光ダイオード又は半導体 レーザ、メタルノ、ライドランプ、高圧ナトリウムランプを使用してなる請求項 1記載の装 置。
[3] 前記光照射装置（10, 11)において、藻類の葉面に達する照度が、 20〜400
mol/m2/Sであり、その照度と明暗周期が調整可能で尚かつ 1日あたりの積算照射時 間が 5時間〜 24時間以下である請求項 2記載の装置。
[4] 前記ガス溶解拡散装置が、酸素を含む空気又は窒素ガス分離膜で濃縮された酸素 を含む空気の溶解拡散装置 (3-a)並びに水流を利用してガスを拡散する拡散装置 も含む溶解拡散装置であって、前記光照射装置の明暗周期で制御される請求項 3 記載の装置。
[5] 前記ガス溶解拡散装置が、酸素を含む空気又は窒素ガス分離膜で濃縮された酸素 を含む空気と炭酸ガスの溶解拡散装置（3-a. 3-b)並びに水流を利用して各ガスを 拡散する拡散装置も含む溶解拡散装置であって、前記光照射装置の明暗周期で制 御され、光照射時は炭酸ガス濃度を上昇させ、喑時は炭酸ガスを停止し濃縮された 酸素を含む空気を溶解させる請求項 4記載の装置。
[6] 培養水の二酸化炭素濃度と酸素濃度が、光周期明期の培養水溶解炭酸ガス濃度が 100〜500ppmで、暗期の溶存酸素濃度が lppn！〜 20ppmである請求項 5記載の装置
[7] 前記温度制御装置（20)は、温度を上げる為の加温ヒーター（18)又は加温用地下 水及び太陽熱利用型温水製造装置と蓄熱水槽と、温度を下げるため冷却用地下水 又はチラ一装置で構成され、それぞれ熱源と冷却源を利用して培養水を熱交換する 熱交換器で構成され、培養水の温度が 5°C以上 35°C以下の範囲で一定に制御可能 な請求項 1に記載の装置。
[8] 前記栄養塩類添加装置が藻類の生長を促進する為に、栄養塩類を溶解し藻類培養 水に定量的に添加するものである請求項 1記載の装置。
[9] 前記培養水浄化装置が MF膜 (精密濾過膜)及び UF膜 (限外濾過膜)を含む濾過 装置（12)である請求項 1記載の装置。
[10] 前記制御用計測装置が、溶解炭酸ガス及び酸素を測定する溶存ガス濃度計と、温 度計 (19)、照度計で構成され、それぞれの濃度計力ゝらの信号を入力し、炭酸ガス並 びに酸素量及び温度、照度を自動制御する回路で構成された請求項 1な！ヽし 7の 、 ずれかに記載の装置。
[11] 藻類の藻体、胞子体又は配偶体を種藻として水槽（1)中で栽培する方法において、 前記水槽中の培養水に気体を溶解させるステップと、各々の青色、赤色、緑色光の 光質バランスと照度を制御した光源から、前記水槽に光を照射するステップと、前記 培養水の温度を一定範囲に制御するステップと、藻類の生長に不可欠な栄養塩類 を含んだ栄養液を前記培養水に添加するステップと、前記培養水の浄ィ匕を行うステ ップから構成されていることを特徴とする藻類の促成栽培方法。
[12] 藻類は、褐藻綱、緑藻綱、紅藻綱、藍藻綱に属する食用藻類である請求項 11に記 載の方法。
[13] 藻類が海ぶどう (イワヅタ目のクビレヅタ)である請求項 12記載の方法。
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