专利名称：藻类的人工加速栽培装置和栽培方法
技术领域：
本发明涉及藻类的陆上养殖系统。尤其涉及以完全通过人工控制栽培环境而人工加速栽培藻类为目的的陆上栽培装置和方法。
背景技术：
由于异常的气象、由于开发导致的栖息环境的破坏、海洋污染等，日本人一直以来作为食用利用的裙带菜、海带、羊栖菜、紫菜等藻类资源生产量变得不稳定。此外，由于河流的环境恶化等，河紫菜濒临灭绝的危险。
作为其对策，从稳定性和安全性的观点出发，对陆上养殖进行了不断的研究开发(例如，参见下述专利文献1-3)。
专利文献1特开2002-320426号公报专利文献2特开2002-315568号公报专利文献3特开平10-117628号公报在专利文献1中，公开了“一种海藻类养殖装置，其特征在于在收容海藻类和海水，从光源向所述海藻类照射光线的海藻类养殖水槽内，设置由呈中空状且在略微垂直方向上设置的中空管和设置在该中空管内下端侧，吹出空气的气泡泵构成的换气装置，通过由所述气泡泵吹出的气泡对海水进行曝气处理，通过将所述气泡与中空管内的海水混合，从而该海水在中空管内上升而从上部的喷出口喷出，同时从中空管下部的流入口汲取海水，从而使海水在海藻类养殖水槽内循环，在该海水的循环中，海藻被带入，从而在海藻类养殖水槽内漂浮”(该申请的权利要求1)。
在专利文献2中，公开了“一种培养方法，其特征在于向培养藻类的藻类培养槽中导入养殖水槽排水，在藻类培养槽内，将养殖水槽排水中的氮气、磷作为营养成分加入藻类中，从而对养殖水槽排水进行处理，通过膜分离装置将藻类培养水固液分离而进行浓缩，同时，向浮游生物培养槽中供应浓缩藻类培养水，在浮游生物培养槽中以藻类为营养成分培养浮游生物，通过膜分离装置将浮游生物培养水固液分离进行浓缩，将浓缩浮游生物培养水作为饵料供应至养殖水槽中或作为饵料产品取出体系外”(该申请的权利要求1)。
在专利文献3中，公开了“一种通过陆上水槽的海藻类增养殖方法，其特征在于在海藻类增繁殖的海底区域中，布置海藻类养殖盘，实施海藻类种子的自然养活，然后移至供给有新鲜海水的陆上水槽内”(该申请的权利要求7)。
太阳光在海水中发生扩散，随着水深的加深，光线减少。另外，水温也同样随着水深的加深而降低。此外，溶解在海水中的营养盐类、二氧化碳或氧气等气体也受到影响。根据这样的深度适宜生长繁殖的藻类有所不同，称之为垂直分布。这样垂直分布下的藻类各自最佳的生长繁殖条件有所不同，基本上在藻类的生长繁殖环境条件中，水温、光、溶解的气体浓度、营养盐浓度中分别都有最佳的范围，与这些条件都是密切相关的。因此，如果即使只有一个条件脱离了该条件范围，生长繁殖也会受到显著抑制。因此，在陆上进行人工加速栽培的情况下，必须对这些环境条件进行控制。
然而，在所述现有技术中，没有对这些方面的考察，或非常不充分。例如，在所述现有技术中，由于受到自然环境的水温、光的影响，如果在异常气象等下，温度降低或日照时间减少，则会受到栽培期变长、枯死等的影响。此外，为了在陆上养殖藻类，需要引入大量的海水，此时，由于大量使用液体肥料，因此会导致海洋的污染。此外，由于密集养殖，因此容易受到疾病的危害。由于这样因素，目前的陆上养殖存在栽培不稳定这样致命的缺点。
发明内容
解决所述课题的本发明的藻类的人工加速栽培装置的特征在于，包括将藻类的藻体、孢子体或配子体作为种藻进行栽培的水槽；使气体溶解在所述水槽中的培养水中的气体溶解扩散装置；向所述水槽照射已控制光质平衡和照度的光的光照射装置；将所述培养水的温度控制在一定范围的温度控制装置；向所述培养水中添加含有藻类生长中不可缺的必须营养素的营养盐类的营养盐添加装置；所述培养水净化装置(12)；所述各装置的控制用测量装置(技术方案1)。
本发明的藻类的人工加速栽培方法，其为在以藻类的藻体、孢子体或配子体作为种藻的水槽中进行栽培的方法，其特征在于，包括使气体溶解在所述水槽中的培养水中的步骤；从已控制光波长、光质平衡以及照度的光源向所述水槽照射光的步骤；将所述培养水的水温控制在一定范围的步骤；向所述培养水中添加含有藻类生长中不可缺的必须营养素的营养盐类的步骤；进行所述培养水的除菌·净化的步骤(技术方案11)。
发明效果如果以下述实施例中海葡萄的栽培作为实例，则根据本发明，与对照区相比，重量比中的生长超过了对照区的3倍。另外，得到的海葡萄的质量也良好。
由此，根据本发明，可以得到以往的养殖技术中难以实现的，安全且质量良好的藻类的人工加速栽培。根据本发明的装置和方法称为藻类的植物工厂，即水产植物工厂。
本发明实施例中藻类的人工加速栽培装置的概略图。
以海葡萄平均重量表示的生长速度的图表。
具体实施例方式
可以使用本发明的藻类是属于褐藻纲、绿藻纲、红藻纲、蓝藻纲的食用藻类(技术方案12)。例如，可以列举已知作为高级食物的蕨藻(イワヅタ)目的蕨藻(クビレヅタ)，通称“海葡萄”(技术方案13)。
作为藻类生长不可缺少的三个要素，是光、营养盐类、水温。以下，分别进行说明。
<光的控制>
在藻类中具有与陆上植物同样的光反应，这会对生长或质量有很大的影响。如果作为光合成和藻类的形态形成必须的光波长，照射红色光(600～780nm)和绿色光(500nm～600nm)蓝色光(400～500nm)，则称为叶绿素或植物色素、类胡萝卜素的光接受体受到刺激，对光合成、叶和茎等藻类器官的生长产生影响。然而，为了促进藻类生长，正常地进行生长，对于特定的单色光，会发现藻类器官的形成异常和叶面的褪色，因此不能是单色波长的光，优选照射所述三种波长的混色光(权利要求2)。存在根据藻类的红色类、蓝色类和绿色类光能量比的特征。在绿藻类中，适合将红色类、蓝色类和绿色类大概以能量比依次为2±1∶3±1∶5±1的比率混合。在褐藻类的情况下，适合将红色类、蓝色类和绿色类以能量比分别为3±1∶2±1∶5±1的比率混合。这些光质平衡的光源照射藻类的照度是藻类生长必须的照度，在20～400μmol/m2/s的范围内，但根据该藻类的栖息环境，适合生长的照度受到影响。例如，如果是红藻类的紫菜，则优选为140～200μmol/m2/s，如果是褐藻类的海藻，则优选为40～200μmol/m2/s，如果是绿藻类的蕨藻(クビレヅタ)，则优选为100～120μmol/m2/s。
为了控制这些光的波长、三色混合光与照度，作为光源，优选发光二极管、半导体激光器、金属卤化物灯和高压钠灯。在现实情况中，金属卤化物灯和高压钠灯较为便宜。但是，为了获得正确的光质平衡，优选发光二极管。发光二极管可以得到正确的光质平衡，适合在藻类的人工加速栽培用中，在水槽的上方(例如在顶棚面)上设置发出各自波长的发光二极管，将其作为光源(技术方案2)。由此，通过变换器对各波长区域的三种发光二极管进行控制，还可以对照度进行控制。
在向藻类照射如此控制光的情况下，如果连续照射光线，则光合成能力有时会降低。即，植物的生理代谢功能变得异常，产生光障碍。因此，不能是连续光，优选在明暗周期下进行。在明亮期内，通过吸收二氧化碳进行光合成，合成贮藏碳水化合物，在黑暗期内，在藻类的体内开始代谢。从水中吸收氧气，氧气和碳水化合物在体内燃烧，产生能量，排出二氧化碳。该明暗周期根据藻类有所不同，1天的明亮期总计时间为5小时～24小时，尤其适合的是12小时～24小时(技术方案3)。
<气体浓度的控制>
藻类与陆上植物一样，在明亮期进行光照射、光合成并吸收二氧化碳，在黑暗期吸收氧气，重复呼吸代谢，从而生长。因此，通过在明亮和黑暗下改变明暗周期中必须的二氧化碳和氧气浓度，从而适于植物的生长。
在本发明中，在这些气体内，二氧化碳气体可以使用市售的液化二氧化碳瓶，也可以通过化石燃料或生物量(biomass)的燃烧得到。通过化石燃料的燃烧产生二氧化碳的二氧化碳产生装置也是市售的。氧气可以通过使用以气体分离膜浓缩空气中氧气的类型的氧气产生装置，以浓缩氧气的形式得到(技术方案4，5)。
向扩散管中导入这些气体，从而以微细气泡的形式在水中溶解扩散。另外，采用泵而使水流流动，从而扩散气体。此时的气体浓度通过市售的二氧化碳浓度计和溶解气体浓度计测定，通过输出信号控制各气体导管的电磁阀(技术方案10)。对光的明暗周期进行控制，使得明亮期的溶解二氧化碳浓度为100～500ppm，优选为150～300ppm，相反，黑暗期停止二氧化碳，通入含有氧气的空气。控制氧气浓度，使其为5ppm～20ppm(技术方案5，6)。
<营养盐的供应>
除了光和气体浓度的控制以外，还必须控制培养水营养盐类的浓度，补充藻类要求的营养盐类。
通常，藻类从叶面吸收水中的营养盐类。在海藻类的情况下，使用如本发明的藻类装置时，将人工海水或过滤海水用作培养水，因此海藻无法吸收水中的微量矿物质，生长繁殖降低。为了解决该问题，必须从外部补充海水，或向培养水中补充必要的营养盐类。混合溶解藻类生长必须的营养盐类的液体在本文中称为“营养液”。
藻类生长中不可缺少的必须的营养素与陆上植物一样是氮和磷。这些已经以陆上植物用和海藻用的方式进行了市售。另外，在新的制备中，将作为氮源的铵盐(硫酸铵、硝酸铵等)、作为磷源的磷酸盐(过磷酸钙、托马氏磷酸等)、作为钾源的钾盐(硫酸钾、氯化钾、硝酸钾等)根据藻类生物体N、P、K元素的构成比混合各矿物质。例如，在“海葡萄”的情况下，N∶P∶K的比率为4∶2∶3，根据该比率，将氮、磷、钾分别溶解在过滤海水或清水中，从而配置营养液。另外，还可以参考作为海藻用培养液已知的PES培养液或屋岛培养液调整营养液。
此外，还可以在所述营养液中添加维他命类或生长激素等进行调整。
向藻类培养水中滴入该营养液的控制可以是以培养液中的氮、磷和钾之一作为指标，对所述培养水中的氮、磷、钾之一进行测定，补充由于藻类生长吸收的营养盐类的不足，从而定量滴入营养液(技术方案8)。
<除菌过滤>
通常，在藻类栽培水槽中，除了用于栽培的目的的藻类以外，还存在硅藻类等微细藻类和细菌类繁殖的情况，附着藻类、微细藻类、原生动物和细菌类在栽培水槽内竞争，从而妨害目的藻类的生长，此外，由于进行密集栽培，因此如果产生细菌引起的藻类的疾病，则栽培变得困难，作为其对策，可以对该培养水进行除菌过滤。
除菌过滤优选使用含有MF膜(精密过滤膜)和UF膜(超滤膜)的过滤装置(技术方案9)。膜的可以过滤的颗粒为0.1μm以下，如果使用该膜，则还可以除去病毒。通过使用该膜，可以以2天1次以上，6小时以内1次的频率过滤替换栽培水量的量。该过滤频率即使在培养水的循环过滤和弃用中也是适用的。为了延长MF或UF膜的耐用期，可以在MF或UF膜前安装砂过滤装置或5～10μm的过滤膜等预处理装置。
<温度控制>
在本发明中，温度控制优选包括作为用于提高水温的加温加热器热源的蒸汽、电和加温用地下水以及锅炉或太阳热利用型温水制造装置和蓄热水槽、和用于降低水温的冷却用地下水或冷却装置。优选通过分别利用热源和冷却源，对培养水进行热交换的热交换器构成，控制培养水温，使其在5℃以上35℃以下的范围内。(技术方案7)。
<各装置的自动控制>
优选组装输入来自对溶解气体浓度计、温度计、照度计、营养液的指标物质的浓度进行测定的测量器的信号，对通气量、水温和照度进行自动控制的电路(技术方案10)。各自的测量装置和其自动控制装置可以使用其自身公知的装置。
以下，基于所附的附图对本发明的实施例进行说明。
实施例1栽培的藻类是蕨藻目的蕨藻(クビレヅタ)，通称为“海葡萄”的分布于冲绳以南的食用海藻。
在栽培水槽1(栽培尺寸长150cm×宽100cm×高30cm水槽容积450升)内，在水深15cm的部分固定100cm×100cm的母藻植毡2。母藻植毡2在具有8mm开口部分的养殖网(合成纤维制)的框架2-a中，以1.5kg/m2铺设了母藻2-b，使用同样的2张养殖网以夹心状夹住母藻，使用器具固定，使得四面的网框架不会张开。夹住该母藻的夹心结构空隙的间隔为2cm。夹住该母藻的网和框架在本文中称为“母藻植毡2”。
在栽培水槽1的底部，固定有向水中通入空气的空气分散管3-a和通入二氧化碳的二氧化碳换气管3-b。这些换气管是树脂制的直径6cm×长20cm的三根串联连结的结构。空气分散管3-a用于在水中溶解空气中的氧气和进行水的搅拌。另一方面，二氧化碳换气管3-b用于在水中溶解二氧化碳。在该实施例中，二氧化碳的供应使用二氧化碳瓶4。向空气换气光3-a中供应的空气由鼓风机装置5得到。各气体浓度通过调整空气流量计6-a和二氧化碳流量计6-b的供应流量而进行调整。空气流量计6-a通过阀门7-a调整，使得水槽内液体的溶解氧气浓度为5～10ppm，二氧化碳流量计6-b通过阀门7-b调整，使得水槽内液体的溶解二氧化碳浓度为150～200ppm。在空气分路电磁阀8-a和8-b中，根据光源明暗周期的控制，使用气体控制装置9进行控制，使得在明亮时，打开二氧化碳电磁阀8-b，关闭空气电磁阀8-a。在黑暗时，打开空气电磁阀8-a，关闭二氧化碳电磁阀8-b。
水槽内的水温通过加热器17进行加热。海葡萄的栽培的水温为26～30℃是适宜的，在实施例中，使用温度计18测定水温，使用温度控制装置19控制加温加热器17，将水温控制在28±1℃。
在栽培水槽1顶部的上部设置的光源10为将红色、绿色和蓝色的发光二极管三排并联的结构。设置光源10，用光源控制装置11对各光源的能量比进行控制，使形成红色类2蓝色类3绿色类5。对光源的照度进行控制，使得水面下15cm处为140μmol/m2/s，控制明暗周期，使得明亮期为20小时，黑暗期为4小时。
海水的净化使用UF膜过滤装置12。开动泵13，通过阀15调整流量计14，使得过滤流量为0.6升/分钟。UF膜的过滤能力为0.01μm，因此可以过滤细菌类和病毒。
滴入栽培水槽中的营养液是向过滤海水中添加作为氮(N)源的硝酸铵和磷酸铵、作为磷(P源)的磷酸钙、作为钾(K)源的氯化钾，使得分别达到N4％∶P2％∶K3％，对营养液进行调整。营养液贮存在营养液罐20中。滴入的营养液的量以作为在营养液中进行判断的任意营养源的溶解态总氮(TN)为指标进行测定，在溶解态总氮(TN)浓度中，设定培养水的溶解态总氮(TN)的基准值，使用营养盐类滴入装置16控制培养水中的溶解态总氮(TN)，使得培养水的的营养盐类具有稳定的N∶P∶K比。在该实施例中，调整溶解态总氮(TN)浓度，使其常常保持为1.0ppm～3.0ppm。培养水的更换为1天1次。
使用所述栽培装置进行20天的栽培。另外，作为对照区，在同样的栽培水槽中，安装加热器、UF膜过滤装置和搅拌用的空气分散管，每天进行新鲜海水的更换，光源使用自然光，在从海水吸收营养源的自然环境中，仅仅水温和UF膜的条件与实施例中所述的栽培装置相同，在这种条件下进行海葡萄的栽培。
为了观察生长，每天测定海葡萄的重量。在图2中示出海葡萄的平均重量。在对照区海葡萄的栽培中，重量在20天内增加到2.6倍。如果根据本发明的所述实施例进行栽培，则增加到7.9倍，和对照区相比重量比的增长达到对照区的3.1倍。另外，海葡萄的质量也良好。收获最佳日在直立茎长部的生长为5cm～10cm之间时，如果为5cm以上，则为收获最佳日，发明中的栽培装置与对照区相比，14天左右达到了收获最佳日。
根据本发明，可以进行目前养殖技术中难以实现的、安全、质量良好的藻类短期栽培。
权利要求
1.一种藻类的人工加速栽培装置，其特征在于，包括将藻类的藻体、孢子体或配子体作为种藻进行栽培的水槽(1)；使气体溶解在所述水槽中的培养水中的气体溶解扩散装置(3-a、3-b)；向所述水槽照射已控制波长和照度的光的光照射装置(10、11)；将所述培养水的温度控制在一定范围的温度控制装置(20)；向所述培养水中添加含有藻类生长中不可缺的必须营养素的营养盐类的营养盐类添加装置(17)；进行所述培养水的除菌过滤的净化装置(12)；所述各装置的控制用测量装置。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述光照射装置(10、11)使用发出红色光类(600～780nm)、绿色光类(500nm～600nm)和蓝色光类(400～500nm)3个波长的特定波长的发光二极管、半导体激光器、金属卤化物灯或高压钠灯而构成。
3.如权利要求2所述的装置，其中，在所述光照射装置(10、11)中，到达藻类叶面的照度为20～400μmol/m2/s，其照度和明暗周期可以调整，且每天的累积照射时间为5小时～24小时以下。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述气体溶解扩散装置是还包括含有氧的空气或含有由氮气分离膜浓缩的氧的空气的溶解扩散装置(3-a)和利用水流扩散气体的扩散装置的溶解扩散装置，通过所述光照射装置的明暗周期进行控制。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述气体溶解扩散装置是还包括含有氧的空气或含有由氮气分离膜浓缩的氧的空气和二氧化碳的溶解扩散装置(3-a，3-b)和利用水流扩散各气体的扩散装置的溶解扩散装置，通过所述光照射装置的明暗周期进行控制，在光照射时，二氧化碳气体浓度上升，在黑暗时停止二氧化碳，溶解含有被浓缩的氧气的空气。
6.如权利要求5所述的装置，其中，培养水的二氧化碳浓度和氧浓度如下所述光周期的明亮期的培养水溶解二氧化碳浓度为100～500ppm，黑暗期的溶解氧浓度为1ppm～20ppm。
7.如权利要求1所述的装置，其中，所述温度控制装置(20)包括用于提高温度的加温加热器(18)或加温用地下水和太阳热利用型温水制造装置和蓄热水槽、以及用于降低温度的冷却用地下水或冷却装置，由分别利用热源和冷却源对培养水进行热交换的热交换器构成，对培养水的温度进行控制，使培养水的温度在5℃以上35℃以下的范围保持恒定。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述营养盐类添加装置为了促进藻类的生长，溶解营养盐类，定量添加在藻类培养水中。
9.如权利要求1所述的装置，其中，所述培养水净化装置为含有MF膜(精密过滤膜)和UF膜(超滤膜)的过滤装置(12)。
10.如权利要求1～7中任一项所述的装置，其中，所述控制用测量装置包括测定溶解二氧化碳和氧的溶解气体浓度计；温度计(19)；照度计，由输入来自各个浓度计的信号，对二氧化碳和氧量以及温度、照度进行自动控制的电路构成。
11.一种藻类的人工加速栽培方法，其为在以藻类的藻体、孢子体或配子体作为种藻的水槽(1)中进行栽培的方法，其特征在于，包括使气体溶解在所述水槽中的培养水中的步骤；从已控制各个蓝色、红色、绿色光的光质平衡以及照度的光源向所述水槽照射光的步骤；将所述培养水的水温控制在一定范围的步骤；向所述培养水中添加含有藻类生长中不可缺的必须营养盐类的营养液的步骤；进行所述培养水的净化的步骤。
12.如权利要求11所述的方法，其中，藻类是属于褐藻纲、绿藻纲、红藻纲、蓝藻纲的食用藻类。
13.如权利要求12所述的方法，其中，藻类是海葡萄(蕨藻目的蕨藻)。
全文摘要
本发明涉及一种在溶解气体、光、温度、营养源、卫生环境的人工环境下，进行最适合藻类生长的环境控制而人工加速栽培的装置和方法。本发明的装置包括将藻类的藻体作为种苗进行栽培的水槽(1)；使气体溶解在所述水槽中的培养水中的气体溶解扩散装置(3－a、3－b)；向所述水槽照射已控制波长和照度的光的光照射装置(10、11)；将水槽中的培养水的温度控制在一定范围的温度控制装置(20)；向水槽中添加含有藻类生长中不可缺的必须营养源的营养液的营养盐类添加装置(17)；进行水槽中的培养水的除菌过滤的净化装置(12)；所述各装置控制用测量装置。
文档编号C12N1/12GK101018480SQ20058001172
公开日2007年8月15日 申请日期2005年4月18日 优先权日2004年4月20日
发明者加山浩之, 门胁秀策 申请人:国立大学法人鹿儿岛大学