JP2012521209A - 微生物を培養するための光合成リアクター及び微生物の培養方法 - Google Patents

Abstract

光合成リアクター１は、光合成微生物、特に藻類を培養するのに適し、少なくとも１本の光合成反応パイプ２と、少なくとも１本のリターンパイプ３と、液体培地を循環させるための少なくとも１つの循環手段４と、少なくとも１つの気体注入手段５と、リアクター１の上部に位置する少なくとも１つの気体排出手段６とを備える。気体注入手段５の配置及び／又は反応パイプ２若しくはリターンパイプ３の構造は、気体注入手段５によって注入された気体が反応パイプ２内の循環によって低所から高所へと流れる方向に、排出手段６へと再度上昇していくように、及び注入された気体及び液体培地が反応チャネル２の実質的な水平反応セクション２３内で気液二相流を形成するように設計される。本発明は、光合成微生物、特に藻類の培養への適用を見出すものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に藻類等の光合成微生物を培養するのに適した光合成リアクター、あるいはまた、そのようなリアクターを用いて光合成微生物を培養する方法に関する。

より詳細には、本発明は光合成リアクターであって、
液体培地が内部で循環し、少なくとも１つの実質的に水平な反応セクションを有し、少なくとも部分的には太陽光の照射に対して透明な材料で構成されている少なくとも１本の光合成反応パイプであり、当該リアクターの下部(low portion)に配置された下端と、上記下部の上方にある当該リアクターの上部(high portion)に配置された上端とを有する光合成反応パイプと、
前記反応パイプの下端と上端との間で流体の接続を確保する、少なくとも１本のリターンパイプと、
液体培地を循環させるための少なくとも１つの手段と、
を備えている。

本発明は、いかなる光合成微生物、すなわち、二酸化炭素のような炭素を分子中に豊富に含む気体の存在下、適切な栄養培地中で生育及び光合成が可能ないかなる生命体の培養にも適用される。

本発明に関係する光合成微生物としては、例えば微細藻類、コケ原糸体、小型の微細藻類、及び多細胞植物から分離された細胞などの水生植物が特に挙げられる。これらの水生植物は、特に薬学、ヒト及び動物の栄養学、皮膚美容学、エネルギー及び環境分野において興味深い特性を持っている。

ほとんどの光合成微生物と同様に、この資源を利用するには適切なリアクターで補助された培養が必要である。光がそれら光合成微生物の主要な基質であるので、培地は光束を受けるための光学界面を有していなければならない。光合成微生物の培養の困難さは、それら光合成微生物自体がそれらの主要な基質である光の通過の障害物となっている、という事実にある。そのため、培養物の成長は、培養物の濃度が、当該培養物に光が透過しないものとなった時点で安定化する。この減少は、セルフ・シャドウイングと呼ばれる。

光路の長さ、又は「光路長」とは、異なる閉じ込めモードの特性を許容し、「培養物への入射点から透明な光学界面を通過して不透明な壁に至るまでの光路の長さ」、あるいは「２つの対向する透明な光学界面を通る光を閉じ込め体が受けたときの、分離された透明な両光学界面同士の距離の半分」を意味するものと定義する。

この光路長は、数センチメートルから数デシメートルの間で変化し、この光路長が、必然的に、最終成長相での単位時間当たり及び単位光学ユニット表面当たりの植物体の生産量(表面生産性；ｇ／ｍ²／ｄ)及び当該最終成長相での培養物の濃度(ｇ／Ｌ)を決定する。微小な水生生物の培養を確保するために適用される種々の閉じ込め方法は、この特有の光路長によりこのように分類されうる。

光合成反応はまた、二酸化炭素(ＣＯ₂)の消費と酸素(Ｏ₂)の生産とを伴う。過剰な酸素は光合成反応を抑制し、二酸化炭素の欠如は、変換すべき基質の欠乏を通じて当該光合成反応を阻害する。気液間の界面では、そのため、これらの気体と液相との間の物質転移が生じるはずである。これらの気液交換を促進し、不均一性を避けるため、培養物は前述の光学界面及び気体液体界面における微生物を補給することを目的として、混合物の中心にあるべきである。

第１の公知例に係る光合成リアクターは、重力によって培養物が保持され、単独で光学界面と気液界面を成す自由表面を有する水盤(basin)又はタンク型の開放型容器によって構成される。培養物は、例えば外輪型(paddle wheel type)の、１つ又はそれ以上の機械的攪拌装置によって水盤内で混合される。水盤での培養物は表面領域の多くを覆っていてもよく、この公知例は、微細藻類の現在での世界生産では不可欠な原点となるものである。そして、その生産量は乾燥重量にして数千メートルトンにもなっている。このタイプのリアクターによって生産される光合成微生物は、
−いわゆる極限性の藻類、すなわち、その生育環境が捕食種、競合種にとって好ましくないもの、例えばスピルリナ(spirulin)やドナリエラ(Dunaliella)タイプ等のもの、又は、
−いわゆる優性藻類(dominating algae)、すなわち、機械的なストレスやコンタミネーションに対して抵抗性を有するもの、例えば、クロレラ(Chlorella)、セネデスマス(Scenedesmus)、スケレトネマ(Skeletonema)、オドンテラ(Odontella)、ナノクロロプシス(Nannochloropsis)タイプ等のもの、
であることが必須である。

第２の公知例に係る光合成リアクターはまた、リザーバー(reservoir)又はタンク型であるが、第１の公知例での水盤よりも寸法の小さい開放型容器によって構成されている。これらの容器は一般的に、培養液の自由表面及び容器の透明な側面の両方によって光学界面が形成されるように、太陽光の照射に対して透明な側面を有している。

この第２の公知例では、リザーバーの下部に空気を注入し、液体中で自由表面へと上昇しながら移動する空気の泡を形成させる方法が一般的に用いられている。その結果形成された泡の表面は、気液界面となる。液体の表面へと泡が移動することにより、その泡は培養物を上方へと運び去り、その結果として、全体の体積へと広がる対流挙動が生じる。二酸化炭素(ＣＯ₂)は、時々、モル分率にして数％の所定量の炭素分を追加で供給するために、注入する空気に添加される。

第１の公知例に係る水盤よりも体積が小さいことで、第２の公知例に係るリザーバーは、水産養殖において特に軟体動物や幼魚の餌とすることを目的とする微小藻類の培養など、より制御された培養に適用される。これらのリザーバーの頻繁なクリーニングは、純粋且つ大量の接種と同様に、リザーバー内での汚染を制限する。数十もの種が存在すると、培養された微小藻類の温度と光の要求性を、一般的な培養物の条件に比較的近づけることができる。

これらの開放型容器内で行われる形式の両公知例では、光路長は１〜数デシメーターとなる。

第３の公知例に係る光合成リアクターは、密閉式のリアクターにより構成されている。そのリアクターは、いわゆるフォトバイオリアクターであり、内部に液体培地を循環させる閉じられた口部を備えており、上述の閉じられたループは、光の照射又は光に対して透明な材料で構成された反応セクションを有する反応パイプと、上述の反応パイプの対向する２つの端部の間の接続を確保するリターンパイプとを有している。

特に、ＧＢ ２１１８５７２ Ａ、ＥＳ ２１９３８６０ Ａ１、ＧＢ ２３３１７６２ Ａ、ＥＳ ２１５０３８９ Ａ１、ＦＲ ２６８５３４４ Ａ１、及びＦＲ ２８７５５１１ Ａ３等の文献に開示されているフォトバイオリアクターは、１〜数センチメーターという、開放型容器を用いる公知例に比べて実質的により小さい光路長を提供でき、空気の汚染を避け、数ｇ／Ｌの光合成微生物の濃度を達成することが可能になる。フォトバイオリアクターの反応パイプは、一般的に、ガラス又はプラスチックで構成され、厚さ及び直径が１ｃｍオーダーの透明板又は透明なチューブで構成されている。反応パイプでは、コイル形状のパイプを共に形成するための屈曲部を介して端部同士が接続されている。

リターンパイプは、液体培地が内部を上方へと移動する、いわゆる上向性垂直チューブと、重力の効果により液体培地が内部を下方へと移動する下向性垂直チューブとを有している。

気体注入システムは、ガスサイホンを有するフォトバイオリアクターに一般的に適用される。ガスサイホンは、「ガスリフト」又は「ガスリフティング装置」とも呼ばれ、リターンパイプの上向性垂直チューブの基底部に設けられた気体の注入部である。このガス注入部は、反応中の液体培地を循環又は置き換えることと、気体液体交換を行うことの両方の目的で設けられている。ガスリフトは、リザーバーの高所部に循環速度が遅く、気体−液体分離がされる装填あるいは体積が広げられた部分を有している。また、リターンパイプの下向性垂直チューブは、反応パイプに液体を供給するロードリザーバーの底部に開口する。

上述のフォトバイオリアクターは、反応が液相内でのみ起こるという原則を利用している。言い換えれば、これらのフォトバイオリアクターは、生産性を減少させないようにするため、リアクター内に注入する気体の体積を最小限にして液体培地の体積を減らさないように努められる。このように、これらのフォトバイオリアクターでは、先に定義した上向性垂直チューブによって酸素の抽出が行われる。当該上向性垂直チューブは、空気の泡柱を形成し、液体培地を受けるロードリザーバーに開口する。そして、当該上向性垂直チューブは、ＣＯ₂を豊富に含む空気を適切に注入する注入部を、その下部に含んでいる。上で述べたように、循環機能及び気体輸送機能の両方は、ガスリフトと呼ばれる単独の装置内で同時に生じ、当該ガスリフトは、気体注入に起因する液体と気体の泡との間の運動量の交換によって上向性で垂直な循環を生じさせる。ＣＯ₂が液体に入ると同時に、空気が掃き出されることによって、光合成で生じた過飽和状態の酸素は、気相へと移る。これらの脱ガス機能及び炭酸化機能は、不可欠の機能であり、この単独の装置で同時に生じる。

ガスリフトには、フォトバイオリアクターのリターンパイプの上向性垂直チューブを上方に移動する泡が発生するという不利益がある。出願人は、フォトバイオリアクター内で微生物を培養する際のこれらの泡の有害な役割、すなわち、
−一方では、当該泡が微小藻類に機械的な圧力を加え、脆弱な微生物に対して有害となりうること、
−他方では、有機分子、細胞片、及び生存細胞の排出特性など、界面活性特性を有する分子を当該泡が界面活性効果によって捕集してしまうこと、
を実際に観測している。

泡がない状態では通常、培地中に分散されているこれらの物質は、泡がはじけた時にロードリザーバーの自由表面で凝集物として集まる。そして、これらの有機分子が強く希釈されているために生育できないバクテリア及び菌類は、生育するのに適した、濃縮された基質を見つける。

本発明の目標の１つは、
−微生物を培養する際に従来課されていた衛生上の規格への適合性を残す目的で、バクテリア及び菌類の生育を抑えること、及び
−液体培地中での機械的ストレスを制限し、リアクター内でのそのような培養から除外された脆弱な微生物の培養を可能にすること、
のために泡の形成を回避し、又は少なくとも制限することにある。

選択された実施形態に係るガスリフトでは、フォトバイオリアクター内で循環している液体培地からの脱酸素は、一定の高さにある容器内へと重力によって液体培地を落下させることで行われる。液体培地は、ポンピング手段によってここで循環されるが、ポンピング手段としては、特に、パイプ内の圧力損失を補償するだけでなく、落下する高さによって培養物を上昇させるように反応パイプ内に配置された遠心力ポンプが挙げられる。

泡をほとんど生じさせないにも関わらず、遠心力ポンプを備えたこの装置は、微生物及びガスリフトにダメージを与えやすい。確かに、圧力損失を解消するために、ポンピング手段に対して直角に微生物の成長を阻害する機械的な力が生じ、これが培養物の死亡を引き起こす。生産能力は時に禁止された方法により変化する。

例えば、培養物を循環させるための遠心力ポンプを備えたフォトバイオリアクターでは、いわゆる脆弱な微小藻類を培養することはできないことが分かる。これらの脆弱な微小藻類は、それらが鎖を形成する、及び／又は、剛毛、べん毛及び針などの付属器官を有しているので、機械的ストレスに敏感であると思われる。例えばヘマトコッカス・プルビアリス(Haematococcus pluvialis)などのある種の藻類は、厚く、抵抗性のある細胞壁を形成することによってべん毛及び被嚢を失う。一方、例えば、クロレラ・ブルガリス(Chlorella vulgaris)又はナノクロロプシス・オクラタ(Nannochloropsis)種等の微小藻類は、ポンピング手段、特に遠心力ポンプ中を通過する抵抗力を有するため、付属器官を有しておらず、厚い細胞壁を有している。

しかしながら、微生物の生存及び生育に影響を与える機械的ストレスの性質を同定することは困難である。ほとんどの著者は、剪断及び加速が最も影響を与える、という提示に同意する。剪断は張力を生じ、この張力は、微生物の壁を引き裂くこと、及び細胞質の流出によって細胞を無傷な状態から変化させる。加速は、重力場の増大によって細胞の構造を変化させる。

生存細胞は、これらの力によって十分に調製されず、静力学的平衡状態で生き、重力場を克服することができる構造を形成しない水性細胞では、なおさら十分に調製されないだろう。さらに、水性細胞は、閾値及びその変化、曝露の持続等にも敏感である。現在の知識では、細胞に加わる流体力学的状態の機械的影響を予測することは難しい。

本発明の目的の１つは、リアクターの内部において、培養可能な種の数を、これらの損傷を与える機械的影響に最も敏感な微生物にまで広げ、微生物への機械的影響、特に剪断及び加速の影響を低減すること、言い換えれば、例えば上述の脆弱な微小藻類のような脆弱な微生物の培養を可能にするリアクターを提供することにある。

さらに、出願人は、ガスリフト又は遠心力ポンプを備えたフォトバイオリアクターの培養物の収量は、特に泡の形成のために制限されることを観測した。実際に、出願人は、培養物の収量が、消耗による重大品目の喪失及び低減を避けるための気液交換を包含する現象に部分的に依存することを立証した。その反応を対象とした二酸化炭素の気液交換、及び生産される酸素の気液交換のモデリングは、表面移動係数(surface transfer coefficient)に依存する転移速度によって決定される必要がある。

表面移動係数は、安定状態での気液交換システムの性能を表す鍵となるパラメータである。この表面移動係数は、液体へ移動する物質のバルク移動係数”ＫＬ”(ｍ・ｓ^-1)及び体積当たりの界面面積”ａ”(ｍ^-1)のバルク移動係数と等しく、
ａ＝(α_Ｇ・Ｓ)／Ｖ
となっている。ここで、ａは体積当たりの界面面積(ｍ^-1)、α_Ｇは相保持係数(phase retention coefficient)、Ｓは接触表面面積(ｍ²)、Ｖはリアクターの体積(ｍ³)である。

従って、表面移動係数は、気液交換システムの形態だけでなく、その液体及び気体の物理化学的特性にも依存する。垂直な泡柱の内部での気液交換の場合、交換表面面積は、泡の数とそれら泡のサイズとに依存する。液体中への気体の注入によって生じる泡の数は、注入流速、インジェクターの形状、及び圧力の差異にそれぞれ依存する。

本発明は、特に、光合成微生物の大量培養を可能にし、最も脆弱な種にも応用できる、以下の問題：
−一般的に、培地の攪拌及び循環に関係し、微小藻類等の光合成微生物、より詳細には付属器官を有する鎖状の微小藻類、の成育能力及び成長能力を低減する機械的ストレスを低減又は回避すること、
−有機分子の凝集を促進させるであろう小寸法の泡の生成、及び微細藻類を基質として用いる従属栄養性の微生物の生育を低減又は回避すること、
−光子の移動が行われている間の、光合成微生物に太陽光を照射させるための、物質移動又は炭素の供給及び酸素の除去に必須な気液間移動、及び照射によってもたらされた熱量を除去し、培養物の温度を適正な温度に保持するための熱の移動、
−細胞の完全性を保持する機械的状態を維持する間、汚染及び伝播に寄与する周囲の培地との交換を回避すること、
に合致するリアクターを備えた光合成リアクターを提供することを目標とする。

この目的を達成するため、光合成微生物、特に藻類を培養するのに適した光合成リアクターであって、
−内部を液体培地が循環し、少なくとも１つの実質的に水平な反応セクションが設けられ、少なくとも部分的には光の照射に対して透明な材料によって構成され、前記リアクターの下部に位置する下端と、前記リアクターの上部に位置し、前記下端の上方にある上端とを有する少なくとも１本の光合成反応パイプと、
−前記反応パイプの下端と上端の間での流体の接続を確保する少なくとも１本のリターンパイプと、
−液体培地を循環させるための少なくとも１つの手段と、
−前記反応セクション内、又は気体の循環方向に対して前記反応セクションの上流側に位置し、前記リアクター内に前記気体を注入できる少なくとも１つの気体注入手段と、
−前記リアクターの上部に位置し、前記リアクターに注入された前記気体を逃がすことができる少なくとも１つの気体排出手段とを備え、
前記気体注入手段の配置、及び／又は反応パイプの構造、又はリターンパイプの構造は、前記気体注入手段から注入された前記気体が、前記反応パイプの前記下端から前記上端へと循環する方向で、前記反応パイプ内を循環する間に前記気体排出手段へと移動するように、且つ、注入された前記気体及び前記液体培地が実質的に水平な前記反応セクション内で気液二相流を形成するように構成されている光合成リアクターを提供する。

本発明に係るリアクターによれば、実質的に水平で、且つ透明な反応セクションに沿って、液体培地と気体とを互いに接触した状態で同時に循環させ、液体培地及び気体の共通経路に沿っていくつかの成分を交換することができる。下部で注入された気体は、１つ又はそれ以上の循環手段の起動力のもと、ループによって液体が循環する間にリアクターの上部から逃がされる。その(成分の)交換は、透明部分の長さに比例し、大規模化を企図する際に後者の影響を減少させるように行われる。

本発明に係るリアクターはこのように、気液間移動の効率を向上させるよう、及び脆弱な種についての生産にも拡大するために培養物中の微生物に加わる機械的ストレスを低減するように、特に設計されている。さらに、本発明のリアクターによれば、直径の小さい泡の形成を制限することができ、それによって酸素を消費する従属栄養型の微生物の成育を低減させることができる。実際、本発明のリアクターを用いれば、気液間移動はもはや垂直な泡の柱内では起こらず、水平な二相型の条件に依存した流れが存在する実質的に水平なパイプセクションに沿って起こる。

このように、本発明のリアクターは、反応パイプ内の液体の自由表面に形成される界面を通した気液交換を可能にしうる。より詳細には、気体及び液体の循環が実質的に水平な、気体−液体の二相流方式の気体−液体の流れ、層状又は細長い状態のスラグ(弾丸状)又は泡の流れが存在する実質的水平反応セクションにおける気液交換を可能にしうる。上述した原理と異なり、その反応は液体中でのみ起こるので、出願人は、気体が反応の構成部分であり、液体と同様の方法で反応空間に入ることが認められているはずであるという想定をした。水平二相流の条件(層状又は細長い状態のスラグ又は泡)に注目することにより、気体と液体との間の交換表面は、反応パイプ内の経路全体(言い換えれば、各々の実質的に水平な反応セクションに沿って)に引き延ばされ、従来技術に係るリアクターの場合よりも泡の生成が少なくなり、その結果、これらの泡により観察される有害な効果を低減することができる。

さらに、本発明のリアクターでは、剪断力及び遠心力の減少を生む１つまたはそれ以上の循環手段によって液体培地の循環の設定は確保される。この循環機能は、ガスリフトを用いた場合とは異なり、気液交換の機能から分離されている。

１つの特徴によれば、前記リアクターは、液体を前記リアクター内に注入する少なくとも１つの液体注入手段と、注入された前記気体を逃がすのと同時に前記リアクター内で過剰な体積の液体を逃がせるように構成された前記排出手段とを備えている。これによれば、結果として、注入された気体の体積に加え、前記液体培地の再生及び余剰の液体の体積の排出を可能にすることができる。

第１の実施形態において、前記循環手段は、前記反応パイプの下端から上端までの間で前記反応パイプ内の液体培地を、注入された前記気体と同じ方向で循環させるように、リターンパイプ内に配置される。この実施形態では、反応パイプ内で気体と液体とが同じ方向で循環し、この循環は並流モードである。この並流モードによれば、流体(気体及び液体)は同じ方向に動き、その速度の違いのために、気体と液体との接触はそれらが分離される前の数秒間続く。気体及び液体の並流循環は、反応パイプの長さに比例した表面範囲の交換を生じ、その交換は、脱ガス及び炭酸化用の装置の数を増やすことなく表面範囲を大きくする。

第２の実施形態において、前記循環手段は、前記反応パイプの前記上端から前記下端までの間で液体培地を注入された前記気体の循環方向とは逆の方向に循環させるように、前記リターンパイプ内に配置される。この実施形態では、気体と液体とが反応パイプ内で反対方向に循環し、この循環は向流モードである。出願人は、このように、流体が即座に分離されて再度接触するのはかなり後になる、という流れを規制する上での問題があるにもかかわらず、向流循環が並流循環を用いた場合に比べて能率的であることを観察している。

１つの特徴によれば、気体注入手段は、前記リアクターの下部であって、前記循環手段と前記反応パイプの前記下端との間に位置している。この構成において、循環手段は、反応パイプに向かって気体を放出しやすくなっている。その結果、リターンパイプ内で気体の気体の蓄積を避けることができる。

もう１つの特徴によれば、前記リターンパイプにおいて、前記循環手段と前記気体注入手段との間に高さ位置の差異を有している。この高さ位置の差は、循環手段と気体注入手段との間でのレベルの違いを形成するが、これは、前記気体注入手段によって注入された気体が前記循環手段の方向に移動しないようにするためである。

特定の実施形態では、前記循環手段は、前記リターンパイプ内に配置された機械的推進手段である。

好ましくは、前記循環手段はモーターにより回転するプロペラを有し、前記リターンパイプは、当該プロペラがその内部で可動的に回転する、広がった断面を有するハウジングを備えている。

前記プロペラの前記ハウジングは、液体培地の循環の分岐領域と収束領域との間に配置されていれば有利であるが、これは、微生物によって経験される圧力損失、加速及び剪断力を制限する目的で、リターンパイプ内で急な速度変化を無くし、水力学的な連続性を確保するためである。

前記リターンパイプがその上部に幅広領域を有し、前記排出手段が前記リターンパイプの前記幅広領域内に配置されていれば、気体の排出が生じる幅広領域での液体の流速を低減することができ、液体によって気体が下方へと追い出されるのを防ぐことができる、という利益を得ることができる。

もう１つの特徴によれば、前記排出手段は、前記液体培地を循環するための手段から見て、前記気体の循環方向についての上流に配置されるが、これは、前記循環手段を通した前記気体の循環を防ぎ、その操作に不利益を与えるのを防ぐためである。

好ましい実施形態において、前記リアクターは、前記反応パイプ及び前記リターンパイプ内を循環し、前記液体培地を循環するための前記手段を通る少なくとも１つの洗浄体を備えている。その洗浄体によれば、リアクターの内側を洗浄することができる。

前記洗浄体が、前記液体培地の循環によって運ばれるにも関わらず、前記反応パイプ内を循環する前記気体の少なくとも一部が通るように形成されていれば、当該洗浄体は、前記気体と前記液体との間の速度の差にいかなる影響も与えないという利益を得ることができる。ここで、気体と液体の速度の差異は、気液間の物質移動に直接影響を与えるものである。

前記洗浄体は、粗毛(bristles)、髪の毛、ひも(strands)、あるいはこれらの等価物の集合体を有するブラシ、又はエラストマー材料からなり、表面の少なくとも１箇所に穴が開けられた中空球で構成されていてもなお、利益を得られる。このように、粗毛又は穴は、液体培地の循環に対する障害物となる洗浄体が液体に沈められている間、気体を通させ、洗浄体がこの液体培地と共に運ばれるのを可能にしている。

特定の実施形態において、前記リアクターは、
−前記リターンパイプ上に、当該リターンパイプと平行に配置され、前記リアクター上に設けられた、前記反応パイプ上に配置された前記第１の接続箇所と前記リターンパイプ又は前記反応パイプ上に配置された第２の接続箇所とを含む２つの接続箇所を接続させる短絡パイプと、
−前記第１の接続箇所のいずれかの側方上に配置され、一方が前記短絡パイプ上に配置された２つのバルブと、
−前記第２の接続箇所のいずれかの側方上に配置され、一方が前記短絡パイプ上に配置された２つのバルブとを備え、
前記リアクターのうち、前記反応パイプの側方で、前記反応パイプの前記第１及び第２の接続箇所の間に位置する部分の隔離を可能にし、前記気体−液体混合培地が、前記短絡パイプ、及び前記リターンパイプの側方で、前記第１及び第２の接続箇所の間に位置する前記リアクターの非隔離部分内を循環できるように、前記バルブは取り扱われる。

この実施形態では、リアクターは、反応パイプのサブボリューム(subvolume)を隔離することが可能な短絡パイプを有している。従って、第１のフェーズにおいて、サブボリュームが隔離され、微生物の接種及び培養されることが可能となる。次に、このサブボリューム中で濃度が十分なレベルに達すると、リアクターの残りの部分は循環され、サブボリュームによる接種が行われるように、４つのバルブは反対の状態へと切り替わる。

本発明はまた、少なくとも２つの本発明に係るリアクター、すなわち第１及び第２のリアクターを備えた光合成微生物の培養に適した光合成リアクターの組み立て体であって、前記第１のリアクターと前記第２のリアクターとの間で流体の接続を確保する少なくとも１本の接続パイプと、前記接続パイプ上に配置された少なくとも１つのバルブとを備えたものに関する。

その組み立て体は、生産性のある組み立て体を形成するため、２つ又はそれ以上の接続可能で且つ平行なリアクターを有しており、特に前記接続パイプ経由で接種できる、という利益を得ることができる。隣接するリアクターにより１つのリアクターに接種するのを可能にするために濃度が進んだ段階に達しており、それらの内容物が共に混合されるように両リアクターを相互に連結することができる。

１つの特徴によれば、前記組み立て体は、両リアクターの間に設けられ、それぞれバルブを有する２本の接続パイプを備え、当該２本の接続パイプは、
−前記第１のリアクター内で循環をさせるための手段から見て上流であって、前記第１のリアクター上に配置された注入点を、前記第２のリアクター内で循環をさせるための手段から見て下流であって、前記第２のリアクター上に配置された排出点に接続する第１の接続パイプと、
−前記第２のリアクターのための前記循環手段から見て上流であって、前記第２のリアクター上に配置された注入点を、前記第１のリアクターのための前記循環手段から見て下流であって、前記第１のリアクター上に配置された排出点とを接続する第２の接続パイプとを含んでいる。

既に稼働し、濃度が稼働レベルに達している前記第１のリアクターから前記第２のリアクターへの接種を進めるために、接種される前記第２のリアクターは、滅菌された栄養豊富な培地で満たされ、両リアクターの間で培地を互いに交換するための接続パイプの両バルブを共に開くことで、循環が行われる。両リアクター間の相互接続は、交換循環を促進する循環手段と共に推進力を得ることができるように、前記循環手段の上流部と下流部との間で成される。

もう１つの特徴は、前記組み立て体が、前記接続パイプのうちいずれか１つの上に設けられ、両リアクター間での交換の持続期間を低減するためのポンプを備えていることである。

本発明はまた、本発明に係るリアクターを用いた光合成微生物、特に藻類を培養するための方法に関しており、以下のステップを含んでいる。

−制御された流速で前記リアクター内に液体培地を注入する、
−制御された流速で、前記気体注入手段を用いて前記リアクター内に気体を注入する、
−前記循環手段を用いて前記液体培地を循環させる、
−前記循環手段及び前記気体注入手段を制御し、層状流、スラグ流又は細長い泡の流れの気液二相流状態が前記反応セクション内で形成されるようにする。

上述したように、層状又は細長い状態のスラグ又は泡の、実質的に水平な気液二相流の条件を確立することにより、泡の生成を減少させ、気体と液体との間の交換表面領域を大きくすることにより、リアクターの収率を増加させる、といった多くの利益を得ることができる。

１つの特徴によれば、前記制御ステップは、前記層状流の二相流状態を形成するために、前記反応パイプ内の液体の循環速度を約０．１ｍ／ｓと０．２ｍ／ｓとの間に制御するステップを含んでいる。

もう１つの特徴によれば、前記制御ステップは、スラグ流又は、細長い泡の流れの二相流状態を形成するために、前記反応パイプ内の液体の循環速度を約０．２ｍ／ｓと１ｍ／ｓとの間に制御するステップを含んでいる。

有利なことには、前記制御ステップは、反応の必要性から、気体の循環速度が０．５ｍ／ｓと０．８ｍ／ｓとの間になるように制御するステップを含んでいる。

なお、有利なことには、前記循環手段は、液体培地内での機械的ストレスを制限するために、モーターによって、毎分１００回転以下の速度で回転するプロペラを有している。

その他の特徴及び本発明の利点は、詳細な記述を読めば明確になり、添付の図面を参照した例示的なその後の実施形態に限定されない。

図１は、本発明に係る光合成リアクターの概略正面図である。 図２は、図１で示されたリアクターの概略側面図である。 図３は、図１で示されたリアクターの内部の部分概略図である。 図４は、本発明に係るもう１つの光合成リアクターの概略正面図である。 図５は、接続パイプを経由して共に接続された本発明に係る２つのリアクターの部分概略図である。 図６(ａ)、(ｂ)は、本発明に係る第１のリアクターにおける溶存酸素の経時変化、及び第１のリアクターにおける溶存二酸化炭素の経時変化をそれぞれ示す図である。 図７(ａ)、(ｂ)は、本発明に係る第２のリアクターにおける溶存酸素の経時変化、及び第２のリアクターにおける溶存二酸化炭素の経時変化をそれぞれ示す図である。 図８(ａ)〜(ｆ)は、水平な導管内でのいくつかの流れの状態、それぞれ分散した泡を伴う流れ、細長い泡を伴う流れ、静かな層状流、波を生じる層状流、スラグ状の流れ、及び環状の流れを概略的に示す図である。

図１〜３は、光合成微生物、特に藻類の培養、とりわけ機械的ストレスに対して脆弱で、それ故、最先端のリアクターでの培養に適さない光合成微生物の培養に適した本発明の光合成リアクター１を示す。

リアクター１は、
−内部を液体培地が循環し、リアクター１の下部に位置する下端２１と、リアクター１の上部に位置し、下端２１の上方にある上端２２とを有する少なくとも１つの光合成反応パイプ２と、
−反応パイプ下端２１と上端２２との間での液体の接続を確保する少なくとも１本のリターンパイプ３と、
−液体培地を循環させるための少なくとも１つの手段４と、
−リアクター内に気体を注入できる少なくとも１つの気体注入手段５と、
−リアクター１の上部に位置し、リアクター１に注入された気体を逃がすことができる少なくとも１つの気体排出手段６と、
−リアクター１内に液体を注入できる少なくとも１つの液体注入手段７と
を備えている。

本発明において、リアクターの部分を呼ぶための”ｌｏｗ”及び”ｈｉｇｈ”の使用は、例えば”ａｂｏｖｅ”等の語の使用と同様に、構成要素の相対的な配置又は図中で矢印Ｚによって示される垂直方向に沿ったリアクターの部分を参照する意味で用いられるものと理解される。

図１で見られるように、反応パイプ２は、いくつかの水平セクション２３を有している。当該水平セクション２３は、屈曲セクション２４に連続的に接続された反応セクションであり、水平セクション２３と屈曲セクション２４とは、反応パイプ２が、その下端２１と上端２２との間でアコーディオン状又はらせん状の連続的な導管の形状を有するような間隔で直列に接続されている。この反応パイプ２は、主に、各々の上方に連続的に配置される水平セクション２３に垂直な平面に沿って延びる。

図２で見られるように、水平セクション２３は、
−スクリュー８１を経由して地面に固定された垂直柱８０と、
−垂直柱８０に固く取付けられ、水平セクション２３を支持しているクロスバー８２と
を有する垂直な支持構造８の両側方に連続的に配置される。

支持構造８は、自身の重量によって液体及び気体で満たされた水平セクション２３の破裂が生じない限界のスパンを超えない間隔を互いに空けた垂直柱８１と、互いに同じ垂直間隔及び水平間隔を空けて水平セクション２３を保持するクロスバー８２との両方を用いて反応パイプ２の重量を分散させる。

水平セクション２３は、少なくとも一部分が太陽光の照射に対して透明な材料、例えばガラス材料又はプラスチックあるいはＰｌｅｘｉｇｌａｓ^ＴＭなどのアクリルポリマー等の合成材料で構成されている。これらの水平セクション２３は、直径Ｄｃの円形断面を有する直線構成のパイプで構成されている。屈曲セクション２４は、連続する水平セクション２３の端部同士を接続させるための、１８０°曲げられたパイプで構成されている。屈曲セクション２４は、水平セクションと同様の直径Ｄｃの円形断面を有している。

リターンパイプ３は、一般的な”Ｃ”字状を有し、
−コネクター９９を介して反応パイプ２の上端２２に接続される水平な上部３０と、
−図２に見られる通り、約９０°の角度を成している第１の屈曲部３２を通って上部３０に接続され、垂直又はわずかに傾いた中央セクション３１と、
−一方では約９０°の角度を成している第２の屈曲部３４を通って中央セクション３１に接続され、他方ではコネクター９８を介して反応パイプ２の下端２１に接続され、第１の水平セクションとなる、反応パイプ２のうち最も低い位置にある水平セクション２３の延長部分となる下部３３と
を含んでいる。

リターンパイプ３は、太陽光の照射に対して不透明な材料で構成され、及び／又は、温室の下など、反応パイプ２が太陽光に晒されているにも関わらず光から閉ざされた内側に配置されてもよい。

上部３０は、反応パイプ２の水平セクション２３と同じ直径Ｄｃを有する循環セクションを備え、直線パイプとして設けられている。上部３０は、反応パイプ２のうち最も高い位置にある水平セクション２３の延長部分となっており、後者の水平セクション２３と同じ垂直レベルで延長された、最後の水平セクションとなる。

中央セクション３１はまた、反応パイプ２の水平セクション２３と同じ直径Ｄｃの円形断面を有する直線パイプとして設けられている。中央セクション３１は、垂直又は垂直方向Ｚに対してわずかに傾いた方向に沿って延びている。

上部に位置する第１の屈曲部３２は、上部３０、及びこれと同じ直径を有する中央セクションの直径Ｄｃに対して幅が広い断面を有している。(気体)排出手段６は、第１の屈曲部３２上に配置され、第１の屈曲部３２の内側から開口する所定の寸法を有するパイプとして現れる。このように、第１の屈曲部３２でのパイプの断面は、第１の屈曲部３２中での液体の流速を減少させ、気体が中央セクション３１へと下方に移動するのを避けるために大きくなっている。排出手段６は、気体と同時にリアクター１から余剰の液体だけを逃がすように、反応パイプ２のうち最も高い位置にある水平セクション２３が設けられた上部に配置されている。排出手段６は、注入された気体を逃がすのと同時にリアクター１内で余剰の液体体積を逃がすことができるように、目盛りが付けられている。

リアクター１は、中央セクション３１上に配置された２つの液体注入手段７、すなわち、液体培地及び接種物をそれぞれリアクター１内に注入できる第１及び第２の注入手段、を備えている。これらの注入手段７は、無菌状態を制御しつつ供給源への接続を可能にする注入口の形で表されている。

リアクター１は、リターンパイプ３上、より詳しくは中央セクション３１上に配置され、液体培地の温度、ｐＨ、溶存酸素レベル及び濁度に代表される、反応を制御するために必要とされる信号を提供するために用いられる１又はそれ以上のセンサー９をさらに備えている。この制御は、特にリアクター１内への気体及び液体の注入を管理するために用いられる。

下部３３は、直径Ｄｃが中央セクション３１よりも広がった断面を有し、部分的に循環手段４を収納するハウジング３５を有している。このハウジング３５は、第２の屈曲部３４の直接延長部分に位置しており、水平主方向Ａに沿って延びる。

図１〜３に示される循環手段４は、反応パイプ２の下端２１から上端２２まで、言い換えれば反応パイプ２内側の底部から頂部まで、反応パイプ２内で液体培地を循環させるように、リターンパイプ３内に、少なくとも一部がハウジング３５の内側に入るように配置されている。この構成では、液体培地はリターンパイプ３の内側で上部３０から下部３３、言い換えればリターンパイプ３の内側の頂部から底部、及びリターンパイプ３の中央セクション３１内を循環する。

循環手段４は、回転モーター４１によって、当該回転モーター４１の出力シャフト４２を介して回転駆動されるプロペラ４０を有する機械的推進手段として設けられている。モーター４１は、リアクター１の外側であって、第２の屈曲部３４に配置され、リターンパイプ３の壁に、取付ネジ等を用いて着脱自在に取付けられられたプレート４３に取付けられている。出力シャフト４２は、密閉可能な状態で当該プレート４３を横切ってハウジング３５の内側へと通じており、ハウジング３５の内側でこのように回転するプロペラ４０を支持する。出力シャフト４２及びプロペラ４０は、回転の水平方向軸の周りを回転し、プロペラ４０は、実質的に垂直な面内に延びる。

リターンパイプ３の下部に循環手段４の設置されることにより、整備が容易になっている。図１〜３に示す例では、プロペラ４０を収納するためのハウジング３５を塞いでいるプレート４３を取り外すことにより、現に容易に整備することができる。モーター４１、プレート４３、出力シャフト４２及びプロペラ４２により形成された機械的な集合体は、例えば地面上のベアリングによって水平移動が単純に可能となっていてもよい。

下部３３は、反応パイプ２の水平セクション２３と同じ直径Ｄｃの円形断面を有する、直線状のパイプで構成された水平直線部分３８を有している。直線部分３８は、ハウジング３５と反応パイプ２の下端２１との間に配置されている。直線部分３８は、第１の水平セクション２３(１つの反応パイプ２のうちの最下段に位置するパイプ)の延長部分となっており、第１の水平セクション２３と同じ垂直高さ位置において延伸する。微生物によって経験される圧力損失、加速及び剪断力を制限するために、リターンパイプ３内で急な速度変化を伴うことのない水力学的な連続性は、探し求められている。中央セクション３１とハウジング３５との間の経路の断面積が増加するため、中央セクション３１と下部３３との間の液体培地の平均速度を減少させることができる。逆に、ハウジング３５と直線部分３８との間の経路の断面積は、減少に反比例して増加する。中央セクション３１と下部３３の直線部分３８との間の水力学的な連続性を確保するために、分岐チューブ３６は第２の屈曲部３４の上部、言い換えれば、ハウジング３５及びプロペラ４０から見て上流に配置され、収束チューブ３７はハウジング３５と直線部分３８との間、言い換えれば、ハウジング３５及びプロペラ４０から見て下流に配置される。

下部３３は、ハウジング３５と直線部分３８との間、より詳細には収束チューブ３７と直線部分３８との間に高さの差３９がある。この高さの差３９は、ハウジング３５と直線部分３８との間の高さの差を形成する２つの屈曲部の形によりもたらされる。

気体注入手段５は、反応パイプ２の下端２１から上端２２へ、言い換えれば、反応パイプ２の底部から頂部へと循環する方向に反応パイプ２内を循環する間、当該気体注入手段５から注入された気体Ｇが、排出手段６へと移動するように、リターンパイプ３の下部３３の直線部分３８上に配置される。この構成では、気体Ｇと液体培地Ｌとは反応パイプ２内で並流、すなわち同じ循環方向で循環する。

高さの差３９は、気体注入手段５から注入された気体が間違った方向、すなわち、モーター４１が停止している時に、ハウジング３５及びプロペラ４０に向かう方向に移動するのを避けるため、気体注入手段５の上流に配置されている。

循環手段４、特にプロペラ４０が、リターンパイプ３の中央セクション３１の下部内であって気体注入手段５から見て上流に位置していることは、注入された気体がリターンパイプ３の下部３３のうち直線部分３８内で水平方向に運ばれて放出することができる点で利益がある。

気体注入手段５から見て上流の循環手段４の配置と共に循環手段４の上流に排出手段６を配置することは、プロペラ４０を通る気体の循環とプロペラ４０の操作の妨害とを防ぐことができる点で利益がある。実際に、気体の存在は、ほとんどの機械的な推進手段、特にプロペラの操作を妨げるので、プロペラ４０が気泡を作るリスクを有する気体の蓄積を避けるべきである。

図３に見られる通り、気体注入手段５により注入された気体Ｇと、液体培地Ｌとは共に、直線部分３８内及び必然的に反応パイプ２の最下段の水平セクション２３内で気液二相流を形成するようにプロペラ４０によって循環される。気体Ｇは、図３に見られる通り、直線部分３８及び反応パイプ２の最下段の水平セクション２３の内側で被覆(blanket)を形成する；この被覆はまた、気体の反応パイプ２内でのゆるやかな前進に伴って後に続く水平セクション２３内でも排出手段６に至るまで形成される。

特に、気体及び液体培地のそれぞれの循環速度次第で、気液二相流は、その後に層状流(連続的な気体被覆)、スラグ又は細長い泡(不連続な気体被覆)等の二相流条件となる。これらの流れの状態は、液体培地の循環の並流又は向流としての気体の循環が主に下部３３の水平な直線部分３８、水平セクション２３及び水平な上部３０内で果たされるために生じうる。もちろん、気体は屈曲セクション２４を経由して反応パイプ２内を浮上するが、このような気体の屈曲セクション２４での上方への流れは、水平セクション２３中で観察される層状流、スラグ流、又は細長い泡の流れの状態に対して有害なものではない。

一般的に、気体注入手段５は、第１の水平セクション２３(反応パイプ２のうちの最下段のもの))から見て上流に位置するか、選択的に、反応パイプ２の内側で気体の低所から高所への流れに対して当該第１の水平セクション２３内に位置する。また、反応パイプ２の異なった複数箇所に、１又はいくつかの水平セクション２３を通していくつかの気体注入手段を設けること、及び任意に他の気体排出手段を設けることも考えられる。

水平導管中の二相流に関しては、速度、直径、温度の条件、性質、循環流体の圧力などに依存していくつかの流れの状態になることが研究により示されている。すなわち、
−マンドハネ(Ｍａｎｄｈａｎｅ) ＡＤ類型の分散した泡を伴う流れであり、これは図８(ａ)に示されている、
−図８(ｂ)に示された、マンドハネ I類型の細長い泡を伴う流れ、
−層状流又は層状にされた流れであり、これは、それぞれマンドハネＳＳ類型とマンドハネＳＷ類型である、図８(ｃ)に示す小さく波打つ層状の流れ及び図８(ｄ)に示す平坦な層状の流れ、
−図８(ｅ)に示された、マンドハネＩ類型のスラグ流、
−図８(ｆ)に示された、マンドハネＡＤ類型の環状懸濁流
である。

本発明の場合、優先的な流れの状態は、マンドハネ類型におけるＳＳ／Ｉ遷移にあり、これはすなわち、層状状態とスラグ流又は細長い泡の状態との間の状態である。層状状態の下では、パイプ内の液体レベルによってその幅が変化する自由表面により気液界面が形成される。スラグ又は細長い泡の状態の下では、スラグ又は細長い泡の下面(床)と天井とにより気液界面が形成される。

本発明の場合、水平セクション２３の直径Ｄｃは数センチメートルオーダー、例えば約４〜１５センチメートルの間であり、水平セクション２３内での気液二相流は、液体の流速が０．１〜０．２ｍ／ｓの間で層状流となり、液体の流速が０．２〜１ｍ／ｓの間でスラグ又は細長い泡の流れとなるだろう。

液体培地中での混合を促進するために、液体の速度は０．２ｍ／ｓ以上にされてもよく、それによって、水平セクション２３での二相流は、スラグ流又は細長い泡の流れの状態となるだろう。

気体の循環速度と液体培地の循環速度との差によって、気液間交換又は移動の割合は実質的に変化し、気体の循環速度と液体の循環速度との大きな差を維持することは、特に有益である。それについて、出願人は、光合成反応を行う必要から、気体の流速は０．５〜０．８ｍ／ｓの間で安定化されるべきであること、及び上述の気液交換を行うための速度の差は、並流循環によって容易に得ることができることを観察した。

気体循環と液体循環との並流循環は、反応パイプ２の長さに比例する交換表面を生じるが、その交換表面は、脱ガス装置及び炭酸化装置の数を増やすことなく反応パイプ２の長さを増加させることができる。この、反応パイプ２内への気体の導入は、気体の流速に依存して１５％までの範囲での液体の反応体積の減少を伴うのにも関わらず、反応パイプ２の内側における、この液体の反応体積の減少は、光路長の減少に起因する体積生産性の増加によって大部分が補償される。上述したように、微生物の品質の観点からは、本発明に係るリアクター１内で小さい泡が無ければ非常に利益があり、このリアクター１はまた、いかなる脱ガス装置及び炭酸化装置を必要としないので、コストの点でも利益がある。

出願人はまた、反応パイプ２内で向流循環を適用すること、言い換えれば、反応パイプ２内部での頂部から底部への液体培地の循環を確保することにより、気体循環と液体循環との間の速度の差を増加させることができ、それ故、気液間移動を増加させられることを観測した。このように、図示しない実施例では、反応パイプ２の上端２２から下端２１まで、注入された気体が循環する方向とは反対の循環方向、言い換えれば、反応パイプ２内部での頂部から底部に向かう方向に、反応パイプ２中の液体培地を循環させるために循環手段４はリターンパイプ３内に配置される。この選択肢では、液体培地は、リターンパイプ３の内側を下部３３から上部３０に向かって、言い換えれば、リターンパイプ３及びその中央セクション３１の内側を底部から頂部へと循環する。同じ適切なハウジング３５内の一部でいかなる気体循環も無くてよいという利点があるので、そのような向流循環を達成するために、先程の並流の場合と同じ位置で別の循環方向で操作するべく循環手段は１８０°逆にされていてもよい。気体注入手段５及び排出手段６は、先程の場合と同じ位置のままで保持されていれば、共通経路の長さを最大限にすることで流体の接触が継続する時間を最大限にすることができるので有利である。

次のテーブル(表１)は、(緯度)４２度線下に埋め込まれ、長さが２１５ｍ、内径が７６ｍｍで全体の容量が１０００リットルの透明な反応パイプを備えた３つの光合成リアクターの性能を比較したものである。

「泡柱(bubble column)」リアクターは、上述したガスリフトを有する状態のリアクターに相当する。この「泡柱」リアクターは、高さが４ｍで直径が７６ｍｍと、高さ及び直径が反応パイプと等しい泡柱を備えている。

本発明に係る「並流」リアクターは、反応パイプ内で並流循環モードが形成される本発明のリアクターに相当し、一方、本発明に係る「向流」リアクターは、反応パイプ内で向流循環が形成される本発明のリアクターに相当する。最大酸素化速度ＶＭは、光合成活動のピーク、すなわち夏期の正午の間に速やかに生育する藻類の種類により算出される。

出願人は、このようにして「泡柱」を備えた公知のリアクターによる酸素の抽出が不十分で、且つ効率を制限することを確認する一方で、本発明に係る「並流」及び「向流」リアクターが酸素抽出の要求を満たすことを確認している。

反応パイプの経路全体で気液界面が形成される本発明に係るリアクターを用いた気液間移動とそれ故の酸素の抽出は、公知の「泡柱」リアクター、−そこでは気液界面が小さい泡で制限され、酸素の抽出が局在化している−、を用いる場合よりも効果的である。このことは、気体は反応の構成部分であり、液体と同じ理由に基づいて反応体積に入れられる
べきである、という上述の出願人の意見を裏付けている。

さらに、向流循環モードは並流モードよりも効果的である。図６及び図７は、微小藻類であるポルフィリディウム・クルエンタム(Porphyridium cruentum)種を、毎分６リットルの量で注入された３％のＣＯ₂及び０％のＯ₂を含む気体の流れを受けるリアクター内で、並流循環モードで培養した場合(図６(ａ)、(ｂ))及び向流循環モードで培養した場合(図７(ａ)、(ｂ))での気体交換の数値上のシミュレーションを示すことにより、この点を裏付けている。そして、
−図６(ａ)は、並流リアクターを用いた時間(日)に対する溶存酸素Ｏ２Ｄ(ｍｇ／Ｌ)の変化を図示しており、
−図６(ｂ)は、並流リアクターを用いた時間(日)に対する溶存二酸化炭素ＣＯ２Ｄ(ｍｇ／Ｌ)の変化を図示しており、
−図７(ａ)は、向流リアクターを用いた時間(日)に対する溶存酸素Ｏ２Ｄ(ｍｇ／Ｌ)の変化を図示しており、
−図７(ｂ)は、向流リアクターを用いた時間(日)に対する溶存二酸化炭素ＣＯ２Ｄ(ｍｇ／Ｌ)の変化を図示している。

これらの数値上のシミュレーションは、従って、向流モードの優れた効率を裏付けている。並流循環モードは、しかしながら、全ての時間に亘って２０ｍｇ／Ｌ以下の酸素含有量を維持しており、言い換えれば、仮に毒性のしきい値が２０ｍｇ／Ｌである場合には、並流モードは(酸素含有量を)十分な値に留めることができる。

しかしながら、向流モードに頼ると、調整の問題を引き起こすことになる。実際に、並流モードを用いると、流体(気体及び液体)は同じ方向に循環し、気体と液体との接触は、速度の違いによりのために両者が互いに分離されるまでの数秒間行われる。他方で、向流モードを用いると、流体はかなり後で再び接触するように速やかに分離する。

一般的に、異なる培養種に合わせるための光量の変化と同様に、気体の流速及び液体培地の循環速度に影響を与えることができる。例えば、光量が大きく、生育速度が速い藻類種を用いる場合は、気液交換を増加させるために気体の流速を強くすることが望ましい。しかしながら、気体の流速の変化は培養体積の変化を生じることを考慮に入れなければならない。このように、気体の流速の増加は、最終段の水平セクション２３(最上段に位置するもの)のフラッディングを停止(de-flooding)に導き、循環パイプ２内の循環を阻害するおそれがある液体量の減少を引き起こす。

図３に見られるように、リアクター１は、反応パイプ２及びリターンパイプ３の内側を洗浄するためにこれらの反応パイプ２及びリターンパイプ３を循環するのに適合された１つ又はそれ以上の洗浄体１０を備えていてもよい。リアクター１におけるループ内での循環を可能にするために、(１又は複数の)洗浄体１０もまた液体培地の循環のための循環手段４を通るよう、言い換えれば、上述の特定の実施形態でのプロペラ４０の羽根を通過するようになっている。

洗浄体１０は球状であり、実質的に反応パイプ２及びその水平セクション２３及び屈曲セクション２４の内径Ｄｃと実質的に等しければ好ましい。リアクター１の洗浄は、本質的に、微生物の培養が行われる反応パイプ２の内壁に関係している。洗浄体１０は、循環手段４の機械的ストレス、例えばハウジング３５を通過する間のプロペラ４０の羽根の衝撃、を変形によって吸収するために、柔軟性のある材料からなることが好ましい。

ハウジング３５は、循環セクションの、少なくともプロペラ４０の回転面、すなわちプロペラ４０に対して直角な平面内にあれば有利である。図３に見られるように、ハウジング３５のこの円形断面はプロペラ４０の直径よりも僅かに大きい直径ＤＬを有している。この直径３５はまた、プロペラ４０が洗浄体１０を通過させることができるように、反応パイプ２及びリターンパイプ３の中央セクション３１の直径Ｄｃよりも大きくなっている。上述の通り、この直径の増加は、流体の直線速度及びプロペラの回転速度の減少により表現される。この場合、モーター４１の出力シャフト４２の直径によって減少しているハウジング３５の直径ＤＬは、洗浄体１０が自由に循環し、プロペラ４０を通って液体反応培地によって運び去られるように、少なくとも反応パイプ２の直径Ｄｃの二倍はあるべきである。すなわち、
ＤＬ−Ｄａ＝２・Ｄｃである。

図３に示された実施形態において、直径ＤＬは反応パイプ２の内径Ｄｃの三倍に等しく、出力シャフト４２の直径Ｄａは反応パイプ２の内径Ｄｃと等しくなっている。この構成では、ハウジング３５の内壁とシャフト４２との間に広がる直径Ｄｃの洗浄体１０は、Ｄｃに等しい広さを有する環状部内を循環することができ、これによりプロペラ４０の羽根の間を容易に通過することができる。プロペラ４０の羽根によって形成される洗浄体１０及び微生物にとっての障害物を減らすために、これらの羽根の数は１つ(従って、ある種のアルキメデスのスクリュー(Archimedes' screw))又は２つに制限されることが好ましい。羽根の掃引表面の面積を減少させてこの機械的な効果を減少させるために、プロペラ４０の回転速度は低速で、毎分１００回転以下であることが好ましい。

水平セクション２３内での洗浄体１０の循環は、当該洗浄体１０が流体のうちのどちらか一方にとっての障害物となるため、気体と液体培地のこれらの水平セクション２３内での循環速度を実質的に同一にさせることによる効果を与え得り、それらをリーク速度の範囲内の同じ速度で進ませることを強いる。

しかしながら、上述のように、気体循環と液体循環の間の速度の違いは、直接的に気液間物質移動に影響を与え、好ましくはできるだけ大きく保持されるべきである。これが、洗浄体が気体の通過を妨げてはならない理由である。このため、洗浄体は、液体培地の流れによって運び去られるように形成される一方で、反応パイプ２の内側を循環する気体の少なくとも一部を通過させるように形成される。この目的のため、各洗浄体１０は粗毛の集合体、髪の毛、ひも、又はこれらの等価物を有し、これらの粗毛(等)をその中央部で支える球状ブラシの形で作成される。このように、水平セクション２３では、明らかになった粗毛は、気体の被覆(gas blanket)において気体を通させ、液に浸され粗毛を支える中央部は、液体培地が洗浄体１０それ自体を運び去れるように、液体の通過に対して障害物を形成するのに十分に大きな直径を有する。

同様に、洗浄体１０は、気体が通り抜けられる穴が開けられた表面の実質的部分を有するエラストマー材料でできた中空球であってもよい。

図４に示されたリアクター１の第１の改良は、上述のように、
−リターンパイプ３上に、当該リターンパイプ３と平行に配置され、リアクター１上に設けられた、１つの第１の接続箇所９１とリターンパイプ３又は反応パイプ２上に配置された第２の接続箇所９２とを含む２つの箇所(第１の接続箇所９１はもちろん第２の接続箇所９２と異なる箇所である)を接続させる短絡パイプ９０と、
−第１の接続箇所９１のいずれかの側方上に配置され、バルブ９４のうちの一つが短絡パイプ９０上に配置された２つのバルブ９３、９４と、
−第２の接続箇所９２のいずれかの側方上に配置され、バルブ９６のうちの一つが短絡パイプ９０上に配置された２つのバルブ９５、９６とを備えている。

図４に示された実施形態において、
−第１の接続箇所９１は、屈曲部３４上、又は第１の水平セクション(最下段に位置するもの)の上方で且つ最終段の水平セクション(最上段に位置するもの)の下方に位置する水平セクション２３上に配置され、
−第２の接続箇所９２は、短絡ループ内の気体を逃がすことができるように、リターンパイプ３上であって、反応パイプ２の上端２２と排出手段６との間、具体的には上部３０上に配置され、
−バルブ９３は、第１の接続箇所９１から見て気体の循環方向の上流、第１の接続箇所９１のすぐ後ろに配置され、
−バルブ９４は、短絡パイプ９０上であって、第１の接続箇所９１のすぐ後ろに配置され、
−バルブ９５は、第２の接続箇所９２と反応パイプ２の上端２２との間であって、第２の接続箇所９２から見て気体の循環方向の下流に配置され、
−バルブ９６は、短絡パイプ９０上、第２の接続箇所９２のすぐ手前に配置される。

バルブ９３〜９６、それらは例えば完全な通過を分離するタイプのバルブである、の操作は、リアクター１における、反応パイプ２の側方で、接続箇所９１、９２の両方の間に配置された部分を分離することを可能にするとともに、リアクター１におけるリターンパイプ３及び短絡パイプ９０の側方であって両接続箇所９１、９２の間に位置する非分離部分を有する短絡ループ内での気体と液体培地との混合物の循環を可能にする。短絡パイプ９０は、直線形状で、反応パイプ２の水平セクション２３と等しい直径Ｄｃの円形断面を有する垂直なパイプにより構成される。

図４に示されたバルブ９３、９５は、(気体と液体培地の)混合液がリターンループ内を循環するようにバルブ９４、９６が開いている間には閉じられている。

この改良されたリアクターは、このように、反応パイプ２のうちの短絡ループ内に配置された部分に相当し、反応用の小区画として用いられるだけの短絡を備えており、この短絡の体積は、反応パイプ２全体体積のおよそ１／１０程度であってもよい。図４では、この反応用小区画の体積が、２６の水平セクションに対して２つの水平セクション２３に相当する下端２１と第１の接続箇所９１の間の体積と一致する例を示している。

短絡ループ又は縮小ループは、
−液体を注入するための手段７と、センサー９とを有する中央セクション３１と、
−循環手段４と、
−気体注入手段５と、
−排出手段６と、
−少なくとも１つの水平セクション２３を有する反応用小区画と、
を有しているので、大きいループ(図１に示すリアクターの場合での全周)が有する機能性のすべてを有している。

そのようなリアクターの使用は、以下のような方法でなされてもよく、滅菌した培地でリアクター１の全体を満たした後、４つのバルブ９２〜９６は図４に示された構成を得るために操作される。第１の段階では、反応用小区画は接種され、培養が開始される。第２の段階では、微生物の濃度が反応用小区画内で十分なレベルに達した時に、反応パイプ２の残りの部分での循環を開始するためにバルブ９２〜９６を逆の状態に切替えて、反応用小区画による接種を行う。そして、接種は内部の接続により委ねられる。

図示しない、内部接続による接種の代替的な実施形態では、
−第１の接続箇所９１は、反応パイプ２上であって、屈曲部３４上、又は第１の水平セクションの上方で且つ最終段の水平セクションの下方に位置する水平セクション２３上に配置され、
−第２の接続箇所９２はまた、反応パイプ２上であって、(リターンパイプのうち両接続箇所の間に配置された部分を短絡するために)第１の接続箇所９１の上方に配置される。

もう１つの図示しない、内部接続によるリアクターの接種についての代替的な実施形態では、
−第１の接続箇所９１は、反応パイプ２上であって、屈曲部３４上、又は第１の水平セクションの上方で且つ最終段の水平セクションの下方に位置する水平セクション２３上に配置され、
−第２の接続箇所９２は、リターンパイプ３上であって、(リターンパイプのうち下端と第１の接続箇所との間の部分を短絡するために)気体注入手段５と反応パイプ２の下端２１との間に配置される。

図５に示されたように、本発明はまた、少なくとも２つの本発明に係るリアクター１Ａ、１Ｂ、すなわち第１のリアクター１Ａ及び第２のリアクター１Ｂと、第１のリアクター１Ａと第２のリアクター１Ｂとの間の流体の接続を確保する少なくとも１つの接続パイプ７１、７２と、他方のリアクターによって一方のリアクターの接種を可能にするための、接続パイプ７１、７２上に配置された少なくとも１つのバルブ７７、７８とを備えた光合成リアクターの組み立て体に関する。

図５に示された実施形態において、組み立て体は２つのリアクター１Ａ、１Ｂの間に設けられ、２つのバルブ７７、７８を有する２つの接続パイプ７１、７２を備えている。第１のリアクター１Ａには２つのバルブ７７、７８が設けられ、第２のリアクター１Ｂには別の２つのバルブ(図示しない、２つのバルブ７７、７８と向かい合ったバルブ)が設けられており、組み立て体は、
−第１のリアクター１Ａのプロペラ(図示せず)から見て上流であって、ハウジング３５内で第１のリアクター１Ａ上に配置された注入点を、第２のリアクター１Ｂのプロペラ(図示せず)から見て下流であって、第２のリアクター１Ｂ上に配置された排出点７４に接続する第１の接続パイプ７１と、
−第２のリアクター１Ｂのプロペラ(図示せず)から見て上流であって、第２のリアクター１Ｂ上に配置された注入点７５を、第１のリアクター１Ａのプロペラ(図示せず)から見て下流であって、第１のリアクター１Ａ上に配置された排出点７６に接続する第２の接続パイプ７２とを含んでいる。

堅実な生産性のある組み立て体を形成するために、リアクター１Ａ、１Ｂは平行に組み立てられる。微生物の濃度が進んだ段階に達した隣接部分による接種を可能にするために、組み立て体は、それぞれのリアクターの内容物を混合させるべく接続パイプ７１、７２を用いてこれらのリアクター同士を相互に連結させる。

図５に示された実施形態において、両プロペラの回転面は、単一且つ同一の垂直面Ｐと一致する。

さらに、図５に見られるように、排出点７４、７６の各々は、ベンチュリ効果の利益を得るために、対応する収束チューブ３７の端部に配置される。収束チューブ３７は、それぞれのハウジング３５とそれぞれの直線部分３８との間に配置された。
に配置される。

さらに、各注入点７３、７５は、対応するプロペラのハウジング３５内に配置され、好ましくは対応する回転面Ｐから見て上流に配置されることが好ましい。

各接続パイプ７１、７２は、両接続パイプ７１、７２の無菌的接続を可能にし、交差し、対称な方法でリアクター１Ａ、１Ｂの注入点と排出点とを接続させて互いに連結させる少なくとも１つのバルブ７７、７８を有している。各接続パイプ７１、７２はまた、１つが注入点にあり、もう１つが排出点にある、２つのバルブを有していてもよい。

そのような組み立て体は、以下のような方法で使用されうる。既に稼働し、微生物の濃度が稼働レベルに達している第１のリアクター１Ａから第２のリアクター１Ｂへの接種を始めるため、第１段階ではバルブ７７、７８及びこれらと向かい合うバルブを閉じておく。接種されることになる第２のリアクター１Ｂは、滅菌された栄養価の高い培地で満たされ、それから内部での循環が開始される。第２段階では、バルブ７７、７８及びこれらと向かい合うバルブを開くことで、図５の矢印Ｅで示される両リアクター間での交差交換が行われる。

バルブ７７、７８及びこれらと向かい合うバルブを開いた後、リアクター１Ａ、１Ｂの双方での濃度は実質的に等しくなり、バルブ７７、７８及びこれらと向かい合うバルブを閉じることにより、両リアクター間を分離することができる。この交換の持続時間を減らすため、ポンプ(図示せず)を接続パイプ７１、７２のいずれか一方上に介在させてもよい。

リアクター内でプロペラ以外の推進手段によって循環が得られた場合、及びリアクターが収束チューブを形作る直径の変化を有しない場合、ベンチュリ効果は得られない。そのような図示しない構成では、両リアクター間の交差接続は、両循環手段の上流側と下流側との間に設けられ、推進力は、図５に示された方向以外の方向に交換循環させる。

もちろん、上述の例に係る出願は、本発明の範囲から逸脱しない範囲でいかなる本質その他の詳細の制限を受けず、発明に係るリアクターの改良が提供されてもよい。例えば、反応パイプ及び／又は他のリターンパイプ、及び／又は循環手段が他の形状であってもよい。このように、水平セクション２３は水平方向に対してわずかに傾いていてもよく、例えば水平方向に対して数度傾いていてもよい。

Claims (23)

1. 光合成微生物、特に藻類を培養するのに適した光合成リアクター(１)であって、
   内部を液体培地が循環し、少なくとも１つの実質的に水平な反応セクション(２３)が設けられ、少なくとも部分的には光の照射に対して透明な材料によって構成され、前記リアクター(１)の下部に位置する下端(２１)と、前記リアクター(１)の上部に位置し、前記下端(２１)の上方にある上端(２２)とを有する少なくとも１本の光合成反応パイプ(２)と、
   前記反応パイプ(２)の下端(２１)と上端(２２)の間での流体の接続を確保する少なくとも１本のリターンパイプ(３)と、
   液体培地を循環させるための少なくとも１つの循環手段(４)とを備えており、
   前記反応セクション(２３)内、又は気体の循環方向に対して前記反応セクション(２３)の上流側に位置し、前記リアクター(１)内に前記気体を注入できる少なくとも１つの気体注入手段(５)と、
   前記リアクター(１)の上部に位置し、前記リアクター(１)に注入された前記気体を逃がすことができる少なくとも１つの気体排出手段(６)とを備え、
   前記気体注入手段(５)の配置、及び／又は反応パイプ(２)の構造、又はリターンパイプ(３)の構造は、前記気体注入手段(５)から注入された前記気体が、前記反応パイプ(２)の前記下端(２１)から前記上端(２２)へと循環する方向で、前記反応パイプ(２)内を循環する間に前記気体排出手段(６)へと移動するように、且つ、注入された前記気体及び前記液体培地が実質的に水平な前記反応セクション(２３)内で気液二相流を形成するように構成されていることを特徴とする光合成リアクター。
2. 請求項１に記載のリアクター(１)において、
   液体を前記リアクター(１)内に注入する少なくとも１つの液体注入手段(７)と、注入された前記気体を逃がすのと同時に前記リアクター(１)内で過剰な体積の液体を逃がせるように構成された前記排出手段(６)とを備えている、リアクター。
3. 請求項１又は２に記載のリアクター(１)において、
   前記循環手段(４)は、前記反応パイプ(２)の下端(２１)から上端(２２)までの間で前記反応パイプ(２)内の液体培地を、注入された前記気体と同じ方向で循環させるために、リターンパイプ(３)内に配置される、リアクター。
4. 請求項１又は２に記載のリアクター(１)において、
   前記循環手段(４)は、前記反応パイプ(２)の前記上端(２２)から前記下端(２１)までの間で液体培地を、注入された前記気体の循環方向とは逆の方向に循環させるために、前記リターンパイプ(３)内に配置される、リアクター。
5. 請求項３又は４に記載のリアクター(１)において、
   気体注入手段(５)は、前記リアクター(１)の下部であって、前記循環手段(４)と前記反応パイプ(２)の前記下端(２１)との間に位置している、リアクター。
6. 請求項５に記載のリアクター(１)において、
   前記リターンパイプ(３)は、前記循環手段(４)と前記気体注入手段(５)との間に高さ位置の差異(３９)を有しており、
   前記高さ位置の差異(３９)は、前記気体注入手段(５)によって注入された気体が前記循環手段(４)の方向に移動しないように前記循環手段(４)と前記気体注入手段(５)との間でのレベルの違いを形成する、リアクター。
7. 請求項１〜６のうちいずれか１つに記載のリアクター(１)において、
   前記循環手段(４)は、前記リターンパイプ(３)内に配置された機械的推進手段である、リアクター。
8. 請求項７に記載のリアクター(１)において、
   前記循環手段(４)はモーター(４１)により回転するプロペラ(４０)を有し、
   前記リターンパイプ(３)は、当該プロペラ(４０)がその内部で可動的に回転する、広がった断面を有するハウジング(３５)を備えている、リアクター。
9. 請求項８に記載のリアクター(１)において、
   前記ハウジング(３５)は、液体培地の循環の分岐領域(３６)と収束領域(３７)との間に配置されている、リアクター。
10. 請求項１〜９のうちいずれか１つに記載のリアクター(１)において、
    前記リターンパイプ(３)は、その上部に幅広領域(３２)を有し、
    前記排出手段(６)は、前記リターンパイプ(３)の前記幅広領域(３２)内に配置されている、リアクター。
11. 請求項１〜１０のうちいずれか１つに記載のリアクター(１)において、
    前記排出手段(６)は、前記循環手段(４)を通した気体の循環を防ぎ、操作に不利益を与えるのを防げるように、前記液体培地を循環するための前記循環手段(４)から見て、前記気体の循環方向についての上流に配置されている、リアクター。
12. 請求項１〜１１のうちいずれか１つに記載のリアクター(１)において、
    前記反応パイプ(２)及び前記リターンパイプ(３)内を循環し、前記液体培地を循環するための前記循環手段(４)を通る少なくとも１つの洗浄体(１０)を備えている、リアクター。
13. 請求項１２に記載のリアクター(１)において、
    前記洗浄体(１０)が、前記液体培地の循環によって運ばれるにも関わらず、前記反応パイプ(２)内を循環する前記気体の少なくとも一部が通るように形成されている、リアクター。
14. 請求項１３に記載のリアクター(１)において、
    前記洗浄体(１０)は、粗毛、髪の毛、ひも、あるいはこれらの等価物の集合体を有するブラシ、又はエラストマー材料からなり、表面の少なくとも１箇所に穴が開けられた中空球で構成されている、リアクター。
15. 請求項１〜１４のうちいずれか１つに記載のリアクター(１)において、
    前記リターンパイプ(３)上に、当該リターンパイプ(３)と平行に配置され、前記リアクター(１)上に設けられた、前記反応パイプ(２)上に配置された第１の接続箇所(９１)と前記リターンパイプ(３)上又は前記反応パイプ(２)上に配置された第２の接続箇所(９２)とを含む２つの接続箇所(９１、９２)を接続させる短絡パイプ(９０)と、
    前記第１の接続箇所(９１)のいずれかの側方上に配置され、一方(９４)が前記短絡パイプ(９０)上に配置された２つのバルブ(９３、９４)と、
    −前記第２の接続箇所(９２)のいずれかの側方上に配置され、一方(９６)が前記短絡パイプ(９０)上に配置された２つのバルブ(９５、９６)とを備え、
    前記リアクター(１)のうち、前記反応パイプ(２)の側方で、前記反応パイプ(２)の前記第１及び第２の接続箇所(９１、９２)の間に位置する部分の隔離を可能にし、前記気体−液体混合培地が、前記短絡パイプ(９０)、及び前記リターンパイプ(３)の側方で、前記第１及び第２の接続箇所(９１、９２)の間に位置する前記リアクター(１)の非隔離部分内を循環できるように、前記バルブ(９３、９４、９５、９６)が取り扱われる、リアクター。
16. 少なくとも２つの請求項１〜１５のうちいずれか１つに記載のリアクター(１Ａ、１Ｂ)、すなわち第１及び第２のリアクター(１Ａ、１Ｂ)を備え、光合成微生物の培養に適した光合成リアクター(１Ａ、１Ｂ)の組み立て体であって、
    前記第１のリアクター(１Ａ)と前記第２のリアクター(１Ｂ)との間で流体の接続を確保する少なくとも１本の接続パイプ(７１、７２)と、
    前記接続パイプ(７１、７２)上に配置された少なくとも１つのバルブとを備えている、組み立て体。
17. 請求項１６に記載の組み立て体において、
    両リアクター(１Ａ、１Ｂ)の間に設けられ、それぞれ少なくとも１つのバルブ(７７、７８)を有する２本の接続パイプ(７１、７２)を備え、
    当該２本の接続パイプ(７１、７２)は、
    前記第１のリアクター(１Ａ)における前記循環手段から見て上流であって、前記第１のリアクター(１Ａ)上に配置された注入点(７３)を、前記第２のリアクター(１Ｂ)の前記循環手段(４)から見て下流であって、前記第２のリアクター(１Ｂ)上に配置された排出点(７４)に接続する第１の接続パイプ(７１)と、
    −前記第２のリアクター(１Ｂ)の前記循環手段(４)から見て上流であって、前記第２のリアクター(１Ｂ)上に配置された注入点(７５)を、前記第１のリアクター(１Ａ)の前記循環手段(４)から見て下流であって、前記第１のリアクター(１Ａ)上に配置された排出点(７６)とを接続する第２の接続パイプ(７２)とを含んでいる、組み立て体。
18. 請求項１６又は１７に記載の組み立て体において、
    前記接続パイプ(７１、７２)のうちいずれか１つの上に設けられたポンプを備えていることを特徴とする組み立て体。
19. 請求項１〜１５のうちいずれか１つに記載のリアクター(１)を用いた光合成微生物、特に藻類を培養するための方法であって、
    制御された流速で前記リアクター(１)内に液体培地を注入するステップと、
    制御された流速で、前記気体注入手段(５)を用いて前記リアクター(１)内に気体を注入するステップと、
    前記循環手段(４)を用いて前記液体培地を循環させるステップと、
    前記循環手段(４)及び前記気体注入手段(５)を制御し、層状流、スラグ流又は細長い泡状の流れの気液二相流状態が前記反応セクション(２３)内で形成されるようにするステップとを備えている、方法。
20. 請求項１９に記載の方法において、
    前記制御ステップは、前記層状流の二相流状態を形成するために、前記反応パイプ(２)内の液体の循環速度を約０．１ｍ／ｓと０．２ｍ／ｓとの間に制御するステップを含んでいる、方法。
21. 請求項１９に記載の方法において、
    前記制御ステップは、スラグ流又は、細長い泡の流れの二相流状態を形成するために、前記反応パイプ(２)内の液体の循環速度を約０．２ｍ／ｓと１ｍ／ｓとの間に制御するステップを含んでいる、方法。
22. 請求項１９〜２１のうちいずれか１つに記載の方法において、
    前記制御ステップは、気体の循環速度が０．５ｍ／ｓと０．８ｍ／ｓとの間になるように制御するステップを含んでいる、方法。
23. 請求項１９〜２２のうちいずれか１つに記載の方法において、
    前記循環手段(４)は、モーター(４１)によって、毎分１００回転以下の速度で回転するプロペラ(４０)を有している、方法。