特開 2023-166320 波長変換を用いた微細藻類反応ユニット及びこれを用いた微細藻類培養システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023166320

(43)【公開日】2023-11-21

(54)【発明の名称】波長変換を用いた微細藻類反応ユニット及びこれを用いた微細藻類培養システム

(51)【国際特許分類】

   C12M 1/00 20060101AFI20231114BHJP

   C12M 3/00 20060101ALN20231114BHJP

【ＦＩ】

C12M1/00 E

C12M3/00 Z

【審査請求】有

【請求項の数】16

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022142906

(22)【出願日】2022-09-08

(31)【優先権主張番号】10-2022-0056571

(32)【優先日】2022-05-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(71)【出願人】

【識別番号】520445277

【氏名又は名称】シェルパ スペース インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100091683

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼川 俊雄

(74)【代理人】

【識別番号】100179316

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 寛奈

(72)【発明者】

【氏名】ユン，チャ ムン

【テーマコード（参考）】

4B029

【Ｆターム（参考）】

4B029AA02

4B029AA07

4B029AA27

4B029BB04

4B029CC01

4B029DF10

4B029DG10

4B029FA01

(57)【要約】

【課題】反応容器に収容された微細藻類の種、成長段階、健康状態、目標生産物質などによって予め決定された波長帯域の光源を選択的に提供し、微細藻類の成長効率を高めたり、又は目標とする生産物質の生産量を向上できる波長変換を用いた微細藻類培養システムを提供する。
【解決手段】第１波長の波長変換物質が用いられた各微細藻類反応ユニットを含む第１培養セクター；第２波長の波長変換物質が用いられた各微細藻類反応ユニットを含む第２培養セクター；及び制御条件が達成されると、前記第１培養セクターの微細藻類を伝送管を介して前記第２培養セクターに移動させるための制御ポンプ；を含んで波長変換を用いた微細藻類培養システムを構成する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１波長の波長変換物質が用いられた各微細藻類反応ユニットを含む第１培養セクター、
第２波長の波長変換物質が用いられた各微細藻類反応ユニットを含む第２培養セクター、及び、
制御条件が達成されると、前記第１培養セクターの微細藻類を伝送管を介して前記第２培養セクターに移動させるための制御ポンプ、
を含む波長変換を用いた微細藻類培養システム。

【請求項2】

前記第１波長及び第２波長は、培養対象の微細藻類の種、成長段階、健康状態、及び目標生産物質のうち少なくとも一つによって決定されることを特徴とする、請求項１に記載の波長変換を用いた微細藻類培養システム。

【請求項3】

前記微細藻類反応ユニットは、
閉鎖型ユニットであって、板型、カラム型、環型、チューブ型、及び袋型のうちいずれか一つの形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の波長変換を用いた微細藻類培養システム。

【請求項4】

前記微細藻類反応ユニットは、
光透過性の形状層と、予め定められた帯域の波長変換素材を含む波長変換層と、を含んで構成される、請求項３に記載の波長変換を用いた微細藻類培養システム。

【請求項5】

前記波長変換層は、
波長変換素材を含む柔軟性のフィルム層と、前記形状層に付着するための粘着性の接着層と、を含む、請求項４に記載の波長変換を用いた微細藻類培養システム。

【請求項6】

前記波長変換層は、
波長変換物質が前記形状層に塗布されることによって形成される、請求項４に記載の波長変換を用いた微細藻類培養システム。

【請求項7】

前記微細藻類反応ユニットは、
光透過性の形状素材と予め定められた帯域の波長変換素材の混合物を成形加工して製作されることを特徴とする、請求項３に記載の波長変換を用いた微細藻類培養システム。

【請求項8】

前記微細藻類反応ユニットの映像を獲得するカメラ、光透過率を感知する光センサー、及び前記微細藻類反応ユニット内部の温度を測定する温度センサーのうち少なくとも一つ、及び、
前記カメラの映像、光透過率及び温度のうち少なくとも一つに基づいて前記微細藻類反応ユニット内の微細藻類の培養状態を判断し、判断された培養状態が予め設定された基準に符合すると、管理者の指示入力又は自動化されたアルゴリズムによって前記制御ポンプに移送命令を伝送するコントローラー、
をさらに含む、請求項１に記載の波長変換を用いた微細藻類培養システム。

【請求項9】

前記波長変換物質は、
無機蛍光体、量子点、及びペロブスカイトのうち少なくとも一つであることを特徴とする、請求項１に記載の波長変換を用いた微細藻類培養システム。

【請求項10】

培養対象の微細藻類の種、成長段階、健康状態、及び目標生産物質のうち少なくとも一つによって予め決定された波長帯域の光を選択的に透過させる波長変換物質が用いられる、波長変換を用いた微細藻類反応ユニット。

【請求項11】

前記微細藻類反応ユニットは、
閉鎖型ユニットであって、板型、カラム型、環型、チューブ型、及び袋型のうちいずれか一つの形状を有することを特徴とする、請求項１０に記載の波長変換を用いた微細藻類反応ユニット。

【請求項12】

前記微細藻類反応ユニットは、
光透過性の形状層と、予め定められた帯域の波長変換素材を含む波長変換層と、を含んで構成される、請求項１１に記載の波長変換を用いた微細藻類反応ユニット。

【請求項13】

前記波長変換層は、
波長変換素材を含む柔軟性のフィルム層と、前記形状層に付着するための粘着性の接着層と、を含む、請求項１２に記載の波長変換を用いた微細藻類反応ユニット。

【請求項14】

前記波長変換層は、
波長変換物質が前記形状層に塗布されることによって形成される、請求項１２に記載の波長変換を用いた微細藻類反応ユニット。

【請求項15】

前記微細藻類反応ユニットは、
光透過性の形状素材と予め定められた帯域の波長変換素材の混合物を成形加工して製作されることを特徴とする、請求項１１に記載の波長変換を用いた微細藻類反応ユニット。

【請求項16】

前記波長変換物質は、
無機蛍光体、量子点、及びペロブスカイトのうち少なくとも一つであることを特徴とする、請求項１０に記載の波長変換を用いた微細藻類反応ユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、波長変換を用いた微細藻類培養技術に関し、より詳細には、反応容器に収容された微細藻類の種、成長段階、健康状態、目標生産物質などによって予め決定された波長帯域の光源を選択的に提供することによって微細藻類の成長効率を高めたり、又は目標とする生産物質の生産量を向上できる微細藻類反応ユニット及びこれを用いた微細藻類培養システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、機能的多様性によって光合成微生物や微細藻類に対する関心が高まっており、多様な分野でその研究の範囲が拡大されている。微細藻類は、光合成能力を保有することによって、地球温暖化などの環境問題によって最近大きな関心の対象となっている二酸化炭素の節減に関する研究に活発に使用されており、化石燃料の枯渇に備えた持続可能なエネルギー源として注目されるバイオディーゼル、バイオエタノール及び水素ガスなどのバイオエネルギーの生産と関連する研究にも活用されている。

【0003】

しかし、微細藻類を用いた量的に意味のある二酸化炭素の除去や、バイオエネルギーなどの有用な産物の大量生産のためには、必ずしも微細藻類の培養が大規模的且つ高濃度で行わなければならない。したがって、規模の大きい培養設備の構築と関連する技術が必須的に要求されている実情にある。

【0004】

特に、微細藻類の培養において、光波長（ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）及び光度（ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を考慮して微細藻類を培養しなければならないので、光波長は何よりも重要である。光波長の場合、特定の光波長や領域を供給することによって、菌体の濃度及び微細藻類から生産する代謝産物の濃度を向上させることができる。

【0005】

しかし、微細藻類の培養装置に光波長を生成するために備えられた装置は、生産費の面でも最も高い比重を占めており、初期設置費用及び維持補修の面で短所を有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】韓国登録特許第１０－１１８８７４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明が解決しようとする課題は、反応容器に収容された微細藻類の種、成長段階、健康状態、目標生産物質などによって予め決定された波長帯域の光源を選択的に提供し、微細藻類の成長効率を高めたり、又は目標とする生産物質の生産量を向上できる波長変換を用いた微細藻類培養システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一実施例に係る波長変換を用いた微細藻類培養システムは、第１波長の波長変換物質が用いられた各微細藻類反応ユニット（ａｌｇａｅ ｒｅａｃｔｉｎｇ ｕｎｉｔｓ）を含む第１培養セクター（ｆｉｒｓｔ ｇｒｏｗ ｓｅｃｔｏｒ）と、第２波長の波長変換物質が用いられた各微細藻類反応ユニットを含む第２培養セクター（ｓｅｃｏｎｄ ｇｒｏｗ ｓｅｃｔｏｒ）と、制御条件が達成されると、前記第１培養セクターの微細藻類を伝送管を介して前記第２培養セクターに移動させるための制御ポンプ（ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｕｍｐ）とを含むことができる。

【0009】

前記第１波長及び第２波長は、培養対象の微細藻類の種（ｓｐｅｃｉｅｓ）、成長段階（ｇｒｏｗｔｈ ｓｔｅｐ）、健康状態（ｈｅａｌｔｈ ｓｔａｔｕｓ）、及び目標生産物質（ｔａｒｇｅｔ ｍａｔｅｒｉａｌ）のうち少なくとも一つによって決定され得る。

【0010】

前記微細藻類反応ユニットは、閉鎖型ユニット（ｃｌｏｓｅｄ ｔｙｐｅ ｕｎｉｔ）であって、板型（ｐｌａｔｅ ｔｙｐｅ）、カラム型（ｃｏｌｕｍｎ ｔｙｐｅ）、環型（ａｎｎｕｌａｒ ｔｙｐｅ）、チューブ型（ｔｕｂｕｌａｒ ｔｙｐｅ）、及び袋型（ｓａｃｋ ｔｙｐｅ）のうちいずれか一つの形状を有することができる。

【0011】

前記微細藻類反応ユニットは、光透過性の形状層（ｓｈａｐｉｎｇ ｌａｙｅｒ）と、予め定められた帯域の波長変換素材を含む波長変換層（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ）とを含んで構成され得る。

【0012】

前記波長変換層は、波長変換素材を含む柔軟性の（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）フィルム層（ｆｉｌｍ ｌａｙｅｒ）と、前記形状層に付着するための粘着性の（ｓｔｉｃｋｙ）接着層（ｂｏｎｄｉｎｇ ｌａｙｅｒ）とを含むことができる。

【0013】

前記波長変換層は、波長変換物質が前記形状層に塗布されることによって形成され得る。

【0014】

前記微細藻類反応ユニットは、光透過性の形状素材と予め定められた帯域の波長変換素材の混合物を成形加工して製作され得る。

【0015】

前記微細藻類反応ユニットの映像を獲得するカメラ、光透過率を感知する光センサー、及び前記微細藻類反応ユニットの内部の温度を測定する温度センサーのうち少なくとも一つと、前記カメラの映像、光透過率及び温度のうち少なくとも一つに基づいて前記微細藻類反応ユニット内の微細藻類の培養状態を判断し、判断された培養状態が予め設定された基準に符合すると、管理者の指示入力又は自動化されたアルゴリズムによって前記制御ポンプに移送命令を伝送するコントローラーとをさらに含むことができる。

【0016】

前記波長変換物質は、無機蛍光体、量子点、及びペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）のうち少なくとも一つであり得る。

【0017】

本発明の第２実施例に係る波長変換を用いた微細藻類反応ユニットには、培養対象の微細藻類の種、成長段階、健康状態、及び目標生産物質のうち少なくとも一つによって予め決定された波長帯域の光を選択的に透過させる波長変換物質が用いられ得る。

【0018】

前記微細藻類反応ユニットは、閉鎖型ユニットであって、板型、カラム型、環型、チューブ型、及び袋型のうちいずれか一つであり得る。

【0019】

前記微細藻類反応ユニットは、光透過性の形状層と、予め定められた帯域の波長変換素材を含む波長変換層とを含んで構成され得る。

【0020】

前記波長変換層は、波長変換素材を含む柔軟性のフィルム層と、前記形状層に付着するための粘着性の接着層とを含むことができる。

【0021】

前記波長変換層は、波長変換物質が前記形状層に塗布されることによって形成され得る。

【0022】

前記微細藻類反応ユニットは、光透過性の形状素材と予め定められた帯域の波長変換素材の混合物を成形加工して製作され得る。

【0023】

前記波長変換物質は、無機蛍光体、量子点、及びペロブスカイトのうち少なくとも一つであり得る。

【発明の効果】

【0024】

本発明の実施例によると、反応容器に収容された微細藻類の種、成長段階、健康状態、目標生産物質などによって予め決定された波長帯域の光源を選択的に提供し、微細藻類の成長効率を高めたり、又は目標とする生産物質の生産量を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】微細藻類の成長と光波長との関係を説明するための図である。

【図2】第１実施例の微細藻類が培養される反応ユニットの形態を説明するための図である。

【図3】図２に例示した反応ユニットを種類別に示した図である。

【図4】図２に例示した反応ユニットを種類別に示した図である。

【図5】図２に例示した反応ユニットを種類別に示した図である。

【図6】波長変換を用いた微細藻類培養システムを説明するための概略図である。

【図7】図６に示した培養セクターの変形した例を示した図である。

【図8】本発明のシステムにおいて微細藻類の成長段階の順に提供される光波長帯域を示した図である。

【図9】成長段階別の光波長帯域の拡大図である。

【図10】成長段階別の光波長帯域の拡大図である。

【図11】成長段階別の光波長帯域の拡大図である。

【図12】成長段階別の光波長帯域の拡大図である。

【図13】光波長帯による微細藻類の成長とアスタキサンチンの生産との関係を示した図である。

【図14】本発明の第２実施例に係る波長変換を用いた微細藻類培養システムを説明するための概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本発明のいくつかの実施例を図面を用いて詳細に説明する。ただし、これは、本発明を特定の実施例に対して限定しようとするものではなく、本発明の技術的思想を含む全ての変形（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ）、均等物（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓ）及び代替物（ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎｓ）は、本発明の範囲に含まれるものと理解しなければならない。

【0027】

本明細書において、単数の表現は、文脈上明白に異なる意味を有さない限り、複数の表現を含む。

【0028】

本明細書において、一つの構成が一つのサブ構成を「備える（ｈａｖｅ）」又は「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」と記載した場合、特に反対の記載がない限り、他の構成を除外するのではなく、他の構成をさらに含み得ることを意味する。

【0029】

本明細書において、「…ユニット（Ｕｎｉｔ）」、「…モジュール（Ｍｏｄｕｌｅ）」及び「コンポーネント（Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）」という用語は、少なくとも一つの機能や動作を処理する単位を意味し、ハードウェア、ソフトウェア、又はハードウェアとソフトウェアの結合で具現されることもある。

【0030】

図１は、微細藻類の成長と光波長との関係を説明するための図である。

【0031】

光度（又は光波長）は、微細藻類栽培の主要制限要素の一つであり、光源の持続時間及び強度は、微細藻類の光合成に直接的な影響を及ぼし、微細藻類の生化学的組成及びバイオマス生産量に影響を及ぼす。

【0032】

微細藻類の成長に対する光波長は、微細藻類の種又は成長段階によって異なり、これは、代謝経路、色素沈着、多様な種、及び成長段階によって光受容体が異なるためである。

【0033】

微細藻類の光酸化及び成長抑制を避けるためには、微細藻類用生物反応器で適切な光強度及び持続時間が必要である。非常に低いか、又は非常に高い光度では、微細藻類が効率的に成長できない。

【0034】

光生物反応器において、光度は、光生物反応器内での位置又は深さによって多様に適用される。光生物反応器で光源と最も遠く離れた位置、すなわち、深い位置では光度の照射量が減少するようになる。例えば、このような現象は、下層の藻類に透過される光源の量が、上層によって光が遮断されることから減少する現象と類似する。これを自体陰影効果とも言うが、自体陰影による光抑制を避けるためには、適切な光源の透過及び光源の均一な分布が必要である。

【0035】

光源（例えば、太陽光）は、藻類細胞においてバイオマスの最終収率、炭水化物の合成及び蓄積に直接的な影響を及ぼし、全ての細胞に同一の強度を提供するためには光の均一な分布が必要である。

【0036】

本実施例は、上記で説明したように、全ての細胞に均一な光源を分布させて提供し、自体陰影による光抑制を避け、微細藻類の成長段階、微細藻類の種、及び目標生産物質によって必要とする光波長帯を提供するためのものである。

【0037】

図２は、第１実施例の微細藻類が培養される反応ユニットの形態を説明するための図である。

【0038】

図２で説明する各反応ユニットＡ～Ｄは、全て閉鎖型で形成される。閉鎖型反応ユニットは、二酸化炭素又は養分を必要によって注入するなどの環境の制御が可能であるので、微細藻類の培養効率が高いという利点を有する。また、閉鎖型反応ユニットは、内部が外部から遮断され、各汚染物質が反応ユニットの内部に浸透することを防止することができる。

【0039】

図２の（Ａ）は、カラム型反応ユニットを示した図であって、カラム型反応ユニットは、以下では、反応ユニットの種類のうち代表として再度説明する。

【0040】

図２の（Ｂ）及び図３に示すように、板型反応ユニット１０ａ、１０ｂは、一定の面積を有して四角形又は多角形のプレートの形態で形成され得る。

【0041】

板型反応ユニット１０ａ、１０ｂは、横方向及び縦方向に複数個存在し得る。また、複数の反応ユニット１０ａ、１０ｂは、縦方向又は横方向に分類され、複数の培養セクターをなすことができる。例えば、第１培養セクターには第１反応ユニット１０ａが含まれ、第２培養セクターには第２反応ユニット１０ｂが含まれる。

【0042】

培養セクターを複数個で形成する理由は、微細藻類の種、成長段階、健康状態、及び目標生産物質によって微細藻類を異なる培養セクターに収容し、培養セクター別に異なる光波長を提供するためである。以下では、これに対して具体的に説明する。

【0043】

参考までに、各反応ユニット１０ａ、１０ｂは、それぞれ隣り合う各反応ユニット１０ａ、１０ｂと伝送管（図示せず）を介して連結され得る。また、各培養セクターは、隣り合う各培養セクターと伝送管を介して連結され得る。伝送管には、流体の移動を防止したり、又は流体を移動させる制御バルブ（図示せず）が備えられてもよい。

【0044】

図２の（Ｃ）及び図４に示すように、環型反応ユニット２０ａ、２０ｂは、一定の長さを有して形成され、一端又は両端が環状に折り曲げられるように形成される。

【0045】

環型反応ユニット２０ａ、２０ｂは、地面と水平な方向に配置されてもよく、複数の層で積層されてもよい。このように積層された各反応ユニットは、積層群別に一つの培養セクター２０ａ又は２０ｂを形成し、培養セクターの個数はいずれか一つに限定しない。

【0046】

図２の（Ｄ）及び図５に示すように、反応ユニット３０ａ、３０ｂは、チューブ型で形成される。チューブ型反応ユニット３０ａ、３０ｂは、両端が互いに連結された円形の形態で形成される。チューブ型反応ユニット３０ａ、３０ｂは、複数の層で積層され得る。このように積層された各反応ユニットは、積層群別に一つの培養セクター３０ａ又は３０ｂを形成し、培養セクターの個数はいずれか一つに限定しない。

【0047】

この他にも、反応ユニットは、袋と類似する形態を有する袋型（図示せず）で形成されてもよく、外部との接触が不可能な閉鎖された形態であればいずれの形態で形成されても構わない。

【0048】

図６は、波長変換を用いた微細藻類培養システムを説明するための概略図である。

【0049】

図６に示すように、システムは、複数の培養セクター１１０、１２０、１３０、１４０及び制御ポンプ（図示せず）を含む。

【0050】

培養セクターは、少なくとも二つ以上備えられてもよく、本実施例では、微細藻類の成長段階の４つの例を挙げて説明するので、４個の培養セクター１１０、１２０、１３０、１４０が備えられたことを例に挙げて説明する。微細藻類の成長段階の数によって培養セクター１１０、１２０、１３０、１４０の個数が変更され得る。また、培養セクター１１０、１２０、１３０、１４０別に異なる種の微細藻類が収容されてもよく、微細藻類の種の数によって培養セクター１１０の個数が変更されてもよい。

【0051】

以下では、説明の便宜のために、各培養セクターを第１培養セクター１１０、第２培養セクター１２０、第３培養セクター１３０、及び第４培養セクター１４０と定義して説明する。

【0052】

第１培養セクター１１０には、第１波長の波長変換物質が用いられた各微細藻類反応ユニット１０１を含む。第２培養セクター１２０には、第２波長の波長変換物質が用いられた各微細藻類反応ユニット１０２を含む。第３培養セクター１３０には、第３波長の波長変換物質が用いられた各微細藻類反応ユニット１０３を含む。第４培養セクター１４０には、第４波長の波長変換物質が用いられた各微細藻類反応ユニット１０４を含む。

【0053】

各培養セクター１１０、１２０、１３０、１４０には、各微細藻類反応ユニット１０１、１０２、１０３、１０４が含まれてもよく、各反応ユニット１０１、１０２、１０３、１０４には微細藻類及び培養液が収容される。ここで、培養セクター１１０、１２０、１３０、１４０には、培養対象、すなわち、微細藻類の種別に異なるものが収容されてもよく、微細藻類の成長段階別に異なるものが収容されてもよく、健康状態によって異なるものが収容されてもよく、目標生産物質によって異なるものが収容されてもよい。

【0054】

例えば、第１培養セクター１１０には、成長段階１に該当する微細藻類が収容され、第２培養セクター１２０には、成長段階２に該当する微細藻類が収容され、第３培養セクター１３０には、成長段階３に該当する微細藻類が収容され、第４培養セクター１４０には、成長段階４に該当する微細藻類が収容され得る。

【0055】

参考までに、微細藻類の目標生産物質は、アスタキサンチン（ａｓｔａｘａｎｔｈｉｎ）であり得る。例えば、微細藻類に供給される太陽光の波長帯のうち赤色光と青色光の照射比率を１：３とする場合は、５５．１ｍｇ／Ｌのアスタキサンチンの生産量を得ることができ、赤色光と青色光の照射比率を２：２とする場合は、５０．３ｍｇ／Ｌの生産量を得ることができ、赤色光と青色光の照射比率を３：１とする場合は、３６．３ｍｇ／Ｌの生産量を得ることができる。すなわち、培養セクター１１０別に異なる目標物質を生産するための微細藻類を収容し、培養セクター１１０別に異なる光波長帯を照射し、目標とする生産物質の生産量を向上させることができる。

【0056】

反応ユニット１０１、１０２、１０３、１０４は、各培養セクター１１０、１２０、１３０、１４０別に同一の形状に形成され、第１培養セクター１１０に含まれた反応ユニット１０１を代表として説明する。

【0057】

反応ユニット１０１は、カラム型で形成され得る。参考までに、反応ユニット１０１は、上述したように、板型、環型、チューブ型、及び袋型で形成されてもよい。

【0058】

カラム型反応ユニット１０１は、地面から垂直の方向に配置され、上部又は下部が支持フレーム（図示せず）によって支持される。

【0059】

反応ユニット１０１は、支持フレーム１によって複数個が一方向に整列・配置され得る。ここで、予め定められた反応ユニット１０１の個数で培養セクター１１０、１２０、１３０、１４０が構成される。例えば、培養セクター１１０、１２０、１３０、１４０別に３個ずつの反応ユニット１０１が含まれ得る。

【0060】

反応ユニット１０１は、光透過性の形状層と、予め定められた帯域の波長変換素材を含む波長変換層とを含む。参考までに、波長変換層は、各培養セクター１１０別に異なる帯域の波長変化素材を含むことができる。図６において、波長変換層がフィルムタイプで形成されたことを例に挙げて説明する。

【0061】

反応ユニット１０１の光透過性形状層は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、及びポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）ガラスなどの材質のうちいずれか一つの材質からなり得る。反応ユニット１０１の形状層の材質によって上部及び下部が支持フレーム１に固定されてもよく、下部及び上部のうちいずれか一つのみが支持フレーム１に固定されてもよい。例えば、反応ユニット１０１は、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）で形成される場合、支持フレーム１の上部にのみ固定されてもよく、上部及び下部に固定されてもよい。

【0062】

反応ユニット１０１の波長変換層は、フィルム層１０１ａ及び接着層を含む。

【0063】

フィルム層１０１ａは、波長変換素材を含み、柔軟性の材質で形成される。フィルム層１０１ａの波長変換素材（物質）は、無機蛍光体、量子点、及びペロブスカイトのうち少なくとも一つであり得る。

【0064】

フィルム層１０１ａに含まれた量子点は、光源（例えば、太陽光）を照射すると、粒子の大きさ、形状及び材料によって特定の光を放出する。すなわち、フィルム層１０１ａは、量子点を用いて入射された光源を多様な波長帯に変換して放出する。

【0065】

例えば、フィルム層１０１ａは、量子点を通じて赤色、青色、及び緑色のうち少なくとも一つの光源を放出することができる。例えば、フィルム層１０１ａは、量子点を通じて、上述したように、微細藻類の成長段階によって第１波長帯域乃至第４波長帯域のうち一つの光源を放出することができる。反応ユニット１０１には、収容された微細藻類の種、健康状態、及び目標生産物質によって第１波長帯域乃至第４波長帯域のうちいずれか一つの波長帯域の光源を放出するためのフィルム層１０１ａが形成されてもよい。

【0066】

第１培養セクター１１０の反応ユニット１０１に形成されたフィルム層１０１ａには、第１波長帯域を変換する量子点が含まれ、第２培養セクター１２０の反応ユニット１０２に形成されたフィルム層１０２ａには、第２波長帯域を変換する量子点が含まれ、第３培養セクター１３０の反応ユニット１０３に形成されたフィルム層１０３ａには、第３波長帯域を変換する量子点が含まれ、第４培養セクター１４０の反応ユニット１０４に形成されたフィルム層１０４ａには、第４波長帯域を変換する量子点が含まれ得る。

【0067】

接着層は、反応ユニット１０１の形状層に波長変換層を付着させるためのものである。接着層の一面には粘着性の物質が形成される。

【0068】

一例として、反応ユニット１０１の波長変換層としては、フィルム層１０１ａと接着層の代わりに、上述した波長変換物質（素材）が塗料／顔料の形態で形成され、反応ユニット１０１の形状層の表面に塗布されてもよい。

【0069】

他の一例として、反応ユニット１０１は、製造段階で予め定められた帯域の波長変換素材の混合物が含まれた状態で成形加工して製作されてもよい。例えば、反応ユニット１０１の製造組成物がポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）ガラスなどの一つであるとき、該当の組成物と予め定められた帯域の波長変換素材とを混合して製造することもできる。

【0070】

第１培養セクター１１０乃至第４培養セクター１４０は、伝送管Ｐを介して互いに連結される。伝送管Ｐの予め指定された位置には、流体の移動を調節する制御バルブ（図示せず）が備えられてもよい。伝送管Ｐの一側には制御ポンプが備えられる。

【0071】

各培養セクター１１０、１２０、１３０、１４０での微細藻類の移動順序を見ると、第３培養セクター１３０の反応ユニット１０３に収容された微細藻類は、制御ポンプの動作によって伝送管Ｐを介して第４培養セクター１４０の反応ユニット１０４に移動する。続いて、第２培養セクター１２０の反応ユニット１０２に収容された微細藻類は、制御ポンプの動作によって伝送管Ｐを介して第３培養セクター１３０の反応ユニット１０３に移動する。次に、第１培養セクター１１０の反応ユニット１０１に収容された微細藻類は、制御ポンプの動作によって伝送管Ｐを介して第２培養セクター１２０の反応ユニット１０２に移動する。

【0072】

参考までに、第４培養セクター１４０の反応ユニット１０４には、バンパー容器（図示せず）が含まれたバンパーセクター（図示せず）が連結され得る。例えば、第３培養セクター１３０の反応ユニット１０３に収容された微細藻類が第４培養セクター１４０に移動する前に、第４培養セクター１４０の反応ユニット１０４に収容された微細藻類は、バンパーセクターのバンパー容器に移動し、第４培養セクター１４０の反応ユニット１０４は、第３培養セクター１３０の反応ユニット１０３から微細藻類が移動する前まで空の状態で維持される。

【0073】

制御ポンプは、予め設定された周期で動作してもよく、管理者の指示によって動作してもよく、自動化されたアルゴリズムによって動作してもよい。

【0074】

支持フレーム１は、複数の反応ユニット１０１を支持する。支持フレーム１によって支持される各反応ユニット１０１は、複数の培養セクター１１０、１２０、１３０、１４０に区画され得る。

【0075】

例えば、図７に示すように、支持フレーム１、２、３、４が複数個で構成された場合、支持フレーム１、２、３、４のそれぞれに複数の反応ユニット１０１、１０２、１０３、１０４が支持され、支持フレーム１別に培養セクター１１０、１２０、１３０、１４０が区画されてもよい。このとき、第１伝送管Ｐ１は、同一の培養セクターに含まれた各反応ユニット１０１、１０２、１０３、１０４を連結し、第２伝送管Ｐ２は第１伝送管Ｐ１を連結する。

【0076】

制御ポンプが動作すると、微細藻類は、第１伝送管Ｐ１及び第２伝送管Ｐ２を介して培養セクター１１０、１２０、１３０、１４０の間に移動する。

【0077】

図８は、本発明のシステムで微細藻類の成長段階の順に提供される光波長帯域を示した図で、図９乃至図１２は、成長段階別の光波長帯域の拡大図である。

【0078】

実施例１において、微細藻類の成長段階は、４段階（ＳＴＥＰ１～４）に分類して定義する。

【0079】

成長段階１では、微細藻類に初期適応のための光波長帯域を提供し、成長段階２では、バイオマス生産性の向上のための光波長帯域を提供し、成長段階３では、自体陰影による光阻害を防止する光波長帯域を提供し、成長段階４では、特定の成分／色素を強化する光波長帯域を提供する。

【0080】

成長段階別の光波長帯域は、上述した培養セクター別の反応ユニットに形成された波長変換物質（素材）、すなわち、量子点を用いて入射された光源を多様な波長帯に変換した後で反応ユニットの内部に提供する。

【0081】

図８及び図９に示すように、微細藻類の成長段階１では、微細藻類細胞の初期適応のために、光の衝撃を避け、遅延段階を短縮するための適切な光波長帯域を提供する。

【0082】

成長段階１では、４００ｎｍ乃至７００ｎｍの赤色光波長帯を提供することができ、より具体的には、４５０ｎｍ乃至４７０ｎｍの青色光波長帯、５３０ｎｍ乃至５６０ｎｍの緑色光波長帯、６５０ｎｍ乃至６７０ｎｍの赤色光波長帯を提供することもできる。

【0083】

図８及び図１０に示すように、微細藻類の成長段階２では、バイオマス生産性の向上のための光波長帯域を提供する。この段階で提供される光波長帯域は、成長率及び微細藻類の代謝に重要な役割をする。

【0084】

成長段階２で青色光波長帯を受けた微細藻類は、細胞分裂過程の遅延により、細胞の大きさが赤色光波長帯を受けた微細藻類より大きいことが示された。

【0085】

成長段階２では、３５０ｎｍ乃至８００ｎｍの赤色光波長帯を提供することができ、より具体的には、３５０ｎｍ乃至４００ｎｍのＵＶ光波長帯、４５０ｎｍ乃至４７０ｎｍの青色光波長帯、６５０ｎｍ乃至６７０ｎｍの赤色光波長帯、７１０ｎｍ乃至７５０ｎｍの遠赤色光波長帯を提供することもできる。

【0086】

図８及び図１１に示すように、微細藻類の成長段階３では、自体陰影による光阻害を防止する光波長帯を提供する。

【0087】

成長段階３では、微細藻類の成長により、反応ユニット内で上位レイヤーに位置した微細藻類によって自体陰影処理が施され、下位レイヤーに位置した微細藻類においては、光源の浸透量が減少し得る。成長段階３では、このような自体陰影処理を防止するために、反応ユニットの内部に深く浸透可能な光波長帯を提供する。

【0088】

成長段階３では、３５０ｎｍ乃至８００ｎｍの赤色光波長帯を提供することができ、より具体的には、３５０ｎｍ乃至４００ｎｍのＵＶ光波長帯、４５０ｎｍ乃至４７０ｎｍの青色光波長帯、５３０ｎｍ乃至５６０ｎｍの緑色光波長帯、６５０ｎｍ乃至６７０ｎｍの赤色光波長帯、７１０ｎｍ乃至７５０ｎｍの遠赤色光波長帯を提供することもできる。

【0089】

成長段階４では、微細藻類の特定の成分／色素を強化するための光波長帯を提供する。

【0090】

例えば、緑藻類は、葉緑素－ａと葉緑素－ｂを３：１の比率で含有している。葉緑素－ａは、４３０ｎｍ（青色／紫色光）及び６６０ｎｍ（深い赤色光）で吸収ピークを有しており、葉緑素－ｂは、４６０ｎｍ（青色光）及び６３０ｎｍ（赤色光）で吸収ピークを有する。

【0091】

すなわち、成長段階４では、微細藻類が有している色素によってその色素を強化するための光波長帯を提供することによって、目標生産物質の生産効率を向上させることができる。

【0092】

例えば、微細藻類の種がヘマトコッカスプルビアリス（Ｈａｅｍａｔｏｃｏｃｃｕｓ ｐｌｕｖｉａｌｉｓ）で、目標生産物質がアスタキサンチンである場合、成長段階４では、青色光波長帯を提供するときに、さらに高いアスタキサンチンの数値を得ることができる。

【0093】

図１３は、光波長帯による微細藻類の成長とアスタキサンチンの生産との関係を示した図である。

【0094】

図１３に示すように、微細藻類の種がヘマトコッカスプルビアリスであるとき、赤色光と青色光の照射比率を１：３とする場合は、５５．１ｍｇ／Ｌのアスタキサンチンの生産量を得ることができ、赤色光と青色光の照射比率を２：２とする場合は、５０．３ｍｇ／Ｌの生産量を得ることができ、赤色光と青色光の照射比率を３：１とする場合は、３６．３ｍｇ／Ｌの生産量を得ることができる。赤色と青色の光波長帯の混合（１：３の比率）で得た最大バイオマスは１．４８ｇ／Ｌで、その次に、青色及び赤色の光波長がそれぞれ１．３６ｇ／Ｌ及び１．０６ｇ／Ｌである。

【0095】

図１４は、本発明の第２実施例に係る波長変換を用いた微細藻類培養システムを説明するための概略図である。

【0096】

図１４を参照すると、システムは、複数の反応ユニットを含む複数の培養セクター、制御ポンプＰ及びコントローラー３００を含む。そして、システムは、カメラＣ、光センサーＳ１及び温度センサーＳ２のうち少なくとも一つを含む。

【0097】

実施例２の各反応ユニット、各培養セクター及び制御ポンプＰは、実施例１と同一であるので、重複する説明を省略し、カメラＣ、光センサーＳ１、温度センサーＳ２及びコントローラー３００について説明する。

【0098】

実施例２では、第１培養セクター２１０及び第２培養セクター２２０が備えられたことを例に挙げて説明するが、培養セクターの個数は限定しない。

【0099】

カメラＣは、微細藻類が収容された反応ユニットを撮影する。カメラＣは、反応ユニットのそれぞれを近接撮影できる個数（例えば、反応ユニットの個数）で設置されてもよく、培養セクターのそれぞれを撮影できる個数（例えば、培養セクターの個数）で設置されてもよい。好ましくは、カメラＣの設置費用を節減するために、カメラＣが培養セクターの個数と同一の個数で設置されてもよく、一つのカメラＣが設置されてもよい。

【0100】

光センサーＳ１は、反応ユニット別の光透過率を感知する。

【0101】

温度センサーＳ２は、反応ユニット内部の温度を測定する。

【0102】

コントローラー３００は、カメラＣの映像、光透過率及び温度のうち少なくとも一つに基づいて前記微細藻類反応ユニット内の微細藻類の培養状態を判断する。

【0103】

例えば、コントローラー３００は、カメラＣの映像を通じて反応ユニット内部の色相を判別し、反応ユニット内部の色相が予め設定された基準に符合すると、管理者の指示入力又は自動化されたアルゴリズムによって制御ポンプＰ（図示せず）に移送命令を伝送する。

【0104】

ここで、予め設定された基準は、微細藻類の成長段階の変化、健康状態などであり得る。例えば、コントローラー３００は、カメラＣの映像で第１培養セクター２１０に含まれた反応ユニットの内部色相が変化すると、該当の反応ユニットの微細藻類が成長したと判断し、制御ポンプＰを制御することによって、第１培養セクター２１０に含まれた反応ユニット内部の微細藻類を第２培養セクター２２０に含まれた反応ユニットの内部に移送させる。

【0105】

参考までに、微細藻類が第１培養セクター２１０から第２培養セクター２２０に伝送される伝送管に制御バルブが備えられた場合、コントローラー３００は、制御ポンプＰと制御バルブの動作を連動させて制御することもできる。

【0106】

第１培養セクター２１０に含まれた反応ユニット内部の微細藻類を第２培養セクター２２０に含まれた反応ユニットの内部に移送させる予め設定された基準についてさらに説明すると、コントローラー３００は、光センサーＳ１の測定値で光透過率が変化すると、該当の反応ユニットの微細藻類が成長したと判断することもできる。また、コントローラー３００は、反応ユニット内部の温度が変化すると、該当の反応ユニットの微細藻類が成長したと判断することもできる。

【0107】

一方、第１培養セクター２１０及び第２培養セクター２２０に含まれた反応ユニットには、微細藻類を培養するための養液を供給する養液供給機（図示せず）がさらに備えられ得る。

【0108】

前記養液供給機は、コントローラー３００によって制御され得る。

【0109】

コントローラー３００は、予め設定された基準に符合した反応ユニットに養液を供給する。例えば、コントローラー３００で養液供給機を制御するための予め設定された符合は、カメラＣで撮影された映像で反応ユニット内部の色相が変化したり、光センサーＳ１で測定された光透過率が変化したり、温度センサーＳ２で測定された反応ユニット内部の温度が変化することであり得る。

【0110】

例えば、コントローラー３００は、反応ユニット内部の色相値が＋１になると、微細藻類が成長したと判断し、反応ユニット内部の色相値が－１になると、反応ユニット内部の養液が不足すると判断することもできる。

【0111】

以上では、本発明に関するいくつかの実施例を参照して説明したが、該当の技術分野で通常の知識を有する者であれば、下記の特許請求の範囲に記載の本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更可能であることを理解できるだろう。

【0112】

本発明は、次のＲ＆Ｄプロジェクト遂行中に導出されたものである。
－プロジェクト固有番号：１５４５０２４４７９
－プロジェクト番号：４２１００８－０４
－部処名：農林畜産食品部、科学技術情報通信部、農村進興庁
－研究管理専門機関：農林食品技術企画評価院、財団法人スマートファーム研究開発事業団
－研究事業名：スマートファーム多部処パッケージ革新技術開発事業
－研究課題名：輸出用高温多湿型スマート温室パッケージモデル開発
－寄与率：１／１
－プロジェクト遂行機関：（株）シェルパスペース
－研究期間：２０２２．１．１～２０２２．１２．３１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】