JP2018526024A - 発光ダイオード光バイオリアクタ及び使用方法 - Google Patents

Abstract

水及び複数のソースからの栄養素が、使用される特定の光合成生物株に特有な要件に対して均衡していて（通気を使って混合され）、滅菌され、システムを平衡状態とするようにさらに混合されて、光合成微生物、たとえば微細藻類（濃縮株の希釈物又は既存の藻類バイオマスへ追加された）が播種される、光バイオリアクタシステム及びその利用のためのプロセスが示される。このような実施形態に従い、藻類バイオマスは、（通気、内部コイル冷却システム、又はその組み合わせを使って）温度、（ＣＯ２の配送を介して）ｐＨ及び光の配送（藻類バイオマス内へ内部照明を使って直接）が生育される藻類株に対して最適化される、完全に制御された環境で最も効率的な時間にわたって生育される。【選択図】図４

Description

関連出願への相互参照
本特許出願は２０１５年７月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／１９８，６５２号の優先権を請求するものであり、その内容の全体は参照により全て具体的に本願に援用される。

本発明は、光合成生物の培養及び収穫を最適化するバイオリアクタシステムを対象としている。本発明は特に、そのような光合成生物の最適な準備、生育、及び収穫に必要な二酸化炭素、酸素、水、栄養素、温度、バイオマスの浮遊及び光エネルギーなどのすべての重要なパラメータを維持する、基本的に自己完結型のモジュール式でスケーラブルなユニットであるバイオリアクタシステムに関する。さらに詳細には、本発明は好適には発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイである放射源を含み、特定の種の光合成生物の最適な生育及び収穫のために選択された波長である特定の波長の光をバイオリアクタ内に放射するように設計されている、光反応器の機能を持つバイオリアクタのシステムに関する。このシステムは、永続的に藻類バイオマスを生産するため、生育されている生物の完全性を守り、維持しながら、半連続的に微細藻類バイオマスの長期間培養のために設計されている。

光合成は、植物や他の生物（すなわち、原生生物及びシアノバクテリア）が光エネルギーを後に生物の活動源となるよう放出できる化学エネルギーへ変換するのに使用されるプロセスである。この化学エネルギーは、二酸化炭素と水から合成される糖などの炭水化物分子に貯蔵される。大抵の場合、酸素もまた排出物として放出される。ほとんどの植物、ほとんどの藻類、及びシアノバクテリアは光合成を行うが、そのような生物は光合成独立栄養生物と呼ばれる。光合成は異なる種では異なる方法で行われるが、プロセスは常に、光のエネルギーが緑色のクロロフィル色素を含む反応中心と呼ばれるタンパク質に吸収されることで始まる。植物においては、このタンパク質は葉の細胞内で最も豊富な葉緑体と呼ばれる細胞小器官の内部に保持され、細菌においては細胞膜内に埋め込まれる。この光依存性の反応において、水などの適切な物質から電子を奪うのにいくらかのエネルギーが使われ、ＣＯ_２の炭素分子を定着しながら酸素ガスを生成する。また、さらに２つの化合物、すなわち還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰＨ）及びアデノシン三リン酸（ＡＴＰ）が生成され、細胞へエネルギーを与える。

植物、藻類及びシアノバクテリアでは、糖はカルビン回路と呼ばれるその後の一連の光依存性の反応により生成されるが、一部の細菌は、逆クレブス回路などの異なる仕組みを使う。カルビン回路において、大気中の二酸化炭素がリブロース二リン酸などのすでに存在する有機炭素化合物に取り込まれる。結果として生じた化合物が、光依存性反応で作られたＡＴＰ及びＮＡＤＰＨを使って還元除去され、グルコースなどのさらに別の炭水化物を形成する。

光反応器、特に光バイオリアクタは知られており、例えばクロレラ種、クラミドモナス種若しくはヘマトコッカス藻である微細藻類、シアノバクテリア（例えばアルスロスピラ属、ロドバクター属、ロドスピリルム属）などの光合成細菌、若しくは蘚類の工業生産、又は他の工業細胞培養に使われる。

池などの開水路光バイオリアクタは、他の光合成生物、寄生生物、捕食者、又は外部の汚染物質による汚染による問題、及び池の上部のみを照らすという光の非効率な使い方による問題に見舞われる。より効率的な光バイオリアクタは大きな単位体積あたり照明面面積（Ｓ／Ｖ）比率を有し、浅い池が基準となる。しかし、このために池をベースとした光バイオリアクタ用の土地への要求が非常に大きくなる。また、これらの池で天然の日光を使う場合、プロセスは日光を利用できる時間により制限される。このような処理制約は、光バイオリアクタが１日２４時間操業する汚染施設からの排ガスを処理するのに使われる場合に重要となりうる。さらに、これらの池が気候の季節による変化などの要素から遮断されていなければ、光合成生物は温度の変化、外部の汚染、及び敵の種からの攻撃に耐えることが難しくなる。オープンポンドやレースウェイにおける他の制約は非効率な混合であり、これは生育を制限するＣＯ_２や生育を阻害する酸素などのガスの物質移動が小さいために、低い生産性につながる。制御の不足と層流により培養物の沈殿及び生物付着が発生し、生産性が低下し、保守・生産コストが増加する。

かなりの注目を集めている代替の技術は、エアリフトの原理を利用した円筒形の管を有するシステムのような閉水路システムである。概して、エアリフト式光バイオリアクタは、システムの底部に空気又はガスが注入される液体培地に浮遊する藻類などの光合成物質を有し、この光合成物質は円筒形の管の中の流体培地を通って上昇する。しかし、従来のエアリフト式光バイオリアクタには、再現又は制御可能で容易に定義できる流れのパターンを欠いているという問題がある。さらに、１つ以上のバイオリアクタ及び１つ以上の電磁放射源を有し、１つ以上の電磁放射源が発光ダイオードである光合成微生物の培養向けの装置を与えることが知られている。

この技術の発展のための業界の主要な推進力は、ドイツのフラウンホーファー境界層・バイオプロセス技術研究所（Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology）が「現在、バイオ燃料は主に植物由来の原材料、例えば菜種やヤシ油由来のバイオディーゼル、から生産されている。ドイツでは、食料の生産のための耕作可能な土地はもはやなく、東南アジアでは熱帯雨林が油やし農場のために取り除かれているところである。バイオ燃料の生産のための陸生植物の栽培の間の多量の水の消費もまた批判的に捉えられている。さらに、現在の生産能力及びこの目的のために利用できる地域は、バイオ燃料のための再生可能資源に対する需要に応えられない。」と明確に述べているように、化石燃料の代用品としてのバイオ燃料を生産する要求であった。そのため、価値連鎖（例えば、生物学、オープンポンド、閉鎖系バイオリアクタ、バイオリアクタの設計、採取）の多くの側面を網羅する一世紀に及ぶ商業的な藻類研究にも関わらず、衆目の一致する課題に対処可能で、大量の高品質なバイオマスに対する市場の要求を満たす商業的に実行可能なソリューションは、今日まで実行に移されていない。
［従来技術の説明］

Ｄａｕｔｈ及びその他へのUS 2010/0190227 Aは、好適にはＬＥＤシリコン成型品であるＬＥＤプラスチック成型品を備え、随意で放射源として導光用成型品を併用する光反応器に関し、特に、好適にはＬＥＤシリコン成型品であるＬＥＤプラスチック成型品を備えて随意で放射源として導光用成型品を併用する光バイオリアクタに関する。

ＤｕｔｉｌへのUS 6602703 Bは、光合成生物の培養のための液体培地を含む容器、容器内に取り付けられ、第１方向に延び、外表面を有する複数の平行光発光管、及び発光管の外表面を清浄にするために容器内に取り付けられた清浄手段を有する光バイオリアクタについて記載している。

ＭｏｒｇａｎへのUS 8476067 Bは、略垂直な流体経路及び略垂直で螺旋形状の流体経路を有する光バイオリアクタを開示している。２つの流体経路は、生物活性物質が略垂直な流体経路と略垂直で螺旋形状の流体経路の間を大きな障害なく滑らかに行ったり来たり移動できるように、ヘッドキャップアセンブリ及びベースアセンブリにより流体的に連結されている。光源は発光ダイオード（ＬＥＤ）であり得て、少なくとも部分的に略垂直で螺旋形状の流体経路の一部の内側に置かれている。この光源は複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えることができる。さらに、光源から発せられる波長は可視光の範囲とすることができ、より詳細には約４００から約７００ｎｍの間とすることができる。

ＳｔｒｏｕｄへのWO 2008/151376は、１つ以上のバイオリアクタ及び１つ以上の電磁放射源を有し、１つ以上の電磁放射源が有機又は高分子発光層を備える発光ダイオードである光合成微生物の培養向けの装置を対象にしている。

US 2012/0270304 Aは、複数の発光パネル及び浮力駆動の流路流れを利用する光バイオリアクタ（ＰＢＲ）システムを開示している。太陽電池パネル及び集光器と結合されたダイオードのシートを使って内部を照らされた発光ダイオード（ＬＥＤ）パネル及び両面発光パネルが開示されている。

US 2012/0149091 Aは、光合成生物の培養のためのバイオリアクタを開示している。ＬＥＤ及び両面発光パネルが開示されている。これらは、太陽熱収集器及び光ファイバーと結合されたダイオードのシートを利用する、内部ＬＥＤで照射されるＰＢＲである。

WO 2015087169 A2は、複数の水平向きで垂直に離間した棚を支持する骨組みを有する、光栄養微生物の培養のための光バイオリアクタを開示している。これは、開放された構造を持った外部から照らされるＰＢＲであり、すぐに開示される発明の高度に制御されたプラットフォームとは根本的に異なる。

US 2013/0023044 Aは、多数のＬＥＤ（ロッド構成）（段落［０００８］、［００２５］、［００４６］及び［００５２］）を利用する藻類バイオリアクタ及びバイオ燃料生産システムを開示している。

US 2010/0323436 Aは、平面板（図３）として配置された発光ダイオードを使った光バイオリアクタを開示している。光源のシート（ＯＬＥＤ）を使って内側及び外側をＬＥＤに照らされたＰＢＲ、導光板ではなくＬＥＤシートが使われている。

US 2013/0102069 Aは、ＬＥＤで生成した光を有する、藻類生育用のバイオリアクタを開示している。この方法は、第１屈折率を有する発光ダイオードで発光すること、並びに第２屈折率を有する液体培地及び第３屈折率を有する固形培地を通して第４屈折率を有する水性液体へと光を伝達することを含む。

CN 105087371 Aは、ＬＥＤ光源アレイを使って微細藻類を自動的に培養するための光バイオリアクタを開示している。この参考文献では、ＬＥＤ照明は外部で限定的であり、スケールアップは限定的と思われる。

US 2014/0073035 Aは、光合成微生物の連続的な培養向けで、１つ以上の培養エンクロージャ（１）であって微生物培地（３）及び培養エンクロージャ（１）の外に１つ以上の光源（２）を含むことを意図した１つ以上の培養エンクロージャ（１）を備え、光源（２）により放射された光子を集めて外側面の傍の培地（３）へ戻すために培養エンクロージャ（１）の内部に置かれ、光学的に光源（２）と結合された１つ以上の円筒形又は角柱の光拡散要素（４）をさらに備えることを特徴とする、光バイオリアクタに関する。図６参照。

US 2015/0140642 Aは、ＬＥＤを使って緑藻類を培養する方法を開示している。この出願は、外部の赤色光及び青色光の組み合わせを使って緑色段階のヘマトコッカス藻の生育を向上、促進する方法が記載されている。

これらの先行技術の光合成生物培養の方法及びシステムは、微細藻類などの光合成生物の生育及び収穫に対する最適な条件を与えるのに必要な要素を教示、提案するものではなく、商業運転でスケーラブルであるとは思われない。これらの先行技術では必要な装置も、現在開示されている本発明で例示されている藻類生育の実現に必須である方法も検討していない。

先行技術で欠けているものは、任意の生物学的に適切な培地又は光依存性の生物に適応可能な普遍的アプローチで高収量のバイオマスを供給することが可能で、外部照明や環境条件に関係なく世界中のどこでも使用することができる、商業的に非常にスケーラブルで実行可能なシステム及び方法である。システムは、無菌で閉鎖系のスケーラブルなシステムで、刻々と変わる生産要件に対応するよう設計されていなければならない。加えて、システムは商業使用を考慮して設計され、扱いにくい複雑なハードウェアなしに、容易なアクセスと取り回し、及び清浄能力を提供するべきである。

本発明は、水及び複数のソースからの栄養素が、使用される特定の光合成生物株に特有な要件に対して均衡していて（通気を使って混合され）、滅菌され、システムを平衡状態とするようにさらに混合されて最適な温度とされ、光合成微生物、たとえば微細藻類（濃縮株の希釈物又は既存の藻類バイオマスへ追加される）が播種される、光バイオリアクタシステム及びその使用のためのプロセスを対象としている。そして、このような実施形態に従い、藻類バイオマスは、（バブラーを使用してタンクに注入された空気を使って）バイオマスの浮遊、（内部コイル冷却システムを使って）温度、（ＣＯ_２の供給を介して）ｐＨ、及び（内部照明を使って藻類バイオマス内へ直接）光の供給が生育される藻類株に対して最適化される、完全に制御された環境で最も効率的な時間にわたって生育される。所与の生育周期の最後には半連続的な収穫が行われ、藻類バイオマスの一部（例えば１０〜５０％）が収穫されて新鮮培地に置き換えられ、残りのバイオマス、約５０〜９０％は次の生育段階の播種に使用される。

本発明はさらに、バイオリアクタを使って廃棄物を処理する方法、並びにバイオリアクタ及びそのような装置で作られる光合成バイオマス、例えば藻類バイオマスを使って所望の物質を分離して製造する方法に関する。本発明の装置及び方法は、リアクタ容積と同等の量に対する絶対重量のバイオマスと、同等又はより多量のバイオマスを作るのに要するエネルギーがより少なく、同じ期間でより多くのバイオマスを収穫する能力があるシステムのエネルギー効率を組み合わせることで、少なくともバイオマスの量の５〜５０倍を生成することを約束する。一実施形態では、光バイオリアクタは増殖培地を保持する１つ以上の容器、容器内に浸漬されている必要がある光源、培地を効率的に循させる手段、バイオマスを除去する手段、並びに温度及び／又はｐＨなどの関連するパラメータを監視する手段を有する。また、光バイオリアクタはＣＯ_２を供給する手段（例えば微気泡セラミックディフューザ）を含む。

一実施形態では、本発明は交換用培地のための１つ以上の容器（ファイアウォール容器に指定）と流体連結されたリアクタ容器及び１つ以上の収穫容器の一群として形成されていてもよい。十分な弁調節がされることで、個々の容器の分離が可能となり、必要に応じて選択的かつ個別に容器が１つ以上のファイアウォール容器及び１つ以上の収穫容器と流体連結した状態となる。すべての結合ハードウェアは、汚染を制限するために容易にすすぎ、滅菌、及び洗い流すことができる。リアクタ容器の底面は１つ以上のバブラーを含み、その内部で気泡が培地及び微細藻類を循環させる流れを生成するバブラーはバブラーを動作させるのに十分な空気のソースに連結される。随意で、容器はＣＯ_２（二酸化炭素）などのガスを培地へ導入するための第２バブラーを含む。ＬＥＤで動作する、薄く略平面の導光板を備える光源が容器内で垂直に配置され、藻類バイオマスの浮遊、光への暴露、及び酸素の排出を最大化するのに十分な乱流を与えながら最大限に一様な配光とするため、好適には配列される。

一実施形態では、本発明は、リアクタ容器が培地及び最初の微細藻類溶液で充填され、微細藻類が半連続的に収穫されるような速度で生長できる十分な光に曝されることで、藻類バイオマスの所与の割合が毎日排出、収穫されて、最も効率的な方法で同等の量の栄養に富んだ培地と交換される、微細藻類の培養方法を教示する。

別の実施形態では、バイオマスの連続的な生育が、培地を含むバイオマスを一連の容器、又は流れを制御するために随意で区分けされうる単一の長い容器を通して流すことによりもたらされる。

一実施形態では、本発明のバイオリアクタの設計により、毎日バイオリアクタ容器の約１０％から約５０％の収穫が可能となり、２〜１０日ごとに容器一つ分の収穫が可能となる。収穫したバイオマスは、概して乾燥重量ベースで従来のシステムによるものの３から１０倍の密度となる。このように、本発明はより高いエネルギー効率でより高い濃度のバイオマスを作るだけでなく、回分生育方法と比べてより頻繁に収穫することで、従来のシステムの１００倍の効率を実現できる。

本発明の他の目的と利点は、以下の説明と、本発明の特定の実施形態が図示及び例として記載された任意の添付の図面を併用することで、明らかになるであろう。本明細書に含まれるいずれの図面も本明細書の一部を構成し、本発明の例示の実施形態を含み、本発明の様々な目的及び機能を示す。

図１はシステムへの高度に制御された入力源を含むファイアウォール、生育段階、オプションのストレス段階、及び収穫段階を含む、簡易化された連続的藻類生育モデルのフローチャートである。 図２は垂直に配置された藻類生育・収穫アセンブリの例示の実施形態である。 図３Ａ、３Ｂ、３Ｃは光パネル、通気システム、ＣＯ_２供給ディフューザ及び冷却システムから構成される基本ユニットを示しており、設計のモジュール性を示す。 図４は基本モジュールが機能するために必要な要素の設計図である。 図５はバイオリアクタシステムを意のままにスケールアップするため、図３Ａ、３Ｂ，３Ｃに示される基本ユニットを複数付加することで実現される設計のスケーラビリティを示す。モジュール式ユニット間の間隔は、予定される要求生産量を満たすために要求に応じて無数のパネルを付加することが考慮されているため、単に例示的なものであることに注意されたい。 図６は乱流、通気及び導光板を通る流れを強化し、最適な光子の流束を与える振動空気バブラーを含む藻類生育アセンブリの断面図を示す。 図７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄは典型的な光パネルアセンブリの平面図（７Ａ）、側面断面図（７Ｂ）、及び分解組立図（７Ｃ）、並びにヒートシンクの断面図（７Ｄ）を示す。 図８Ａは空気拡散用のエアベースの透視図である。 図８Ｂは図８Ａのエアベースの断面図を示す。 図９Ａ、９Ｂは本発明に係る容器内に含まれるバイオマスの混合パターンを示す、代替の断面図を示す。 図９Ｃは図９Ａ及び９Ｂの上面図である。 図９Ｄは導光板を含む容器を示し、最大化した透光領域を示す。 図９Ｅは図９Ｆで拡大したものによりさらに詳述されている、導光板の特定の部分を示し、バイオマスの生長を最大化するための導光板の各面からの光子の放出を示す。 図１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは導光板の代替の設計の正面図及び側面図を示すとともに、容器内に挿入されたこのようなガイドの断面図（１０Ｃ）を示す。 図１０Ｄは図１０Ａ及び１０Ｂの導光板の分解組立図である。 図１０Ｅは中央部ヒートシンクを介したＬＥＤプリント配線板と導光板の接合を示す上面図である。

一実施形態において、本発明は増殖培地を保持する１つ以上の容器、容器に浸漬された光源、培地を循環させる手段、及びバイオマスを除去する手段を含む。随意で、収穫したバイオマスを集める容器及びシステムを再充填する容器、いわゆるファイアウォール容器が与えられてもよい。

図１を参照すると、システムへの高度に制御された入力源を含むファイアウォール、生育段階、オプションのストレス段階、及び収穫段階を有する、簡易化された連続的生育モデルのフローチャートが示されている。連続的生育には、システムへ入ってくるあらゆる構成要素が均衡していて、無菌で、あらゆる藻類株に対して最適化されていることを保証する、上流プロセスの審査が必要となる。個々のタンク（ファイアウォール、生育）、又は（水、空気）へと通じ、他のタンクや容器の間及びそれらへ達する任意の接続管からの基本的なプロセスのあらゆる場所を複数の手段（すなわち、オゾン、蒸気、化学薬品）で滅菌する能力。これにより、生物学的である程度化学的なあらゆる潜在的な不純物を阻止し、除去できる。

図２を参照すると、藻類生育・収穫リアクタ容器アセンブリ２００の別の実施形態が示されており、容器は垂直に積層関係で配置することが可能で、貯蔵容器の役割を果たすファイアウォール混合・滅菌タンク容器アセンブリ２０４がラックの最上部に置かれ、重力により生育タンク容器アセンブリへ供給する。この実施形態は、リアクタ容器アセンブリの特定のグループがおおむね垂直に配置され、互いに対して並べられ、前記リアクタ容器アセンブリの一つのグループから別のグループへの重力流で流体的に結合されていることを特徴とする。より詳細には、この実施形態では、無菌で温度制御された水の供給源及び栄養補給源を含む１つ又は複数の最上部のファイアウォール容器アセンブリ（貯蔵容器）２０４が、重力流で複数の生育タンク容器アセンブリ２０２へ流体連結された状態となっている。生育タンク容器アセンブリ２０２は、定期的に最下部の収穫・ストレス容器アセンブリ２１０へと流れるよう構築、配置されている。十分な代替の流体連結装置（図示せず）が、必要に応じて個々のリアクタ容器アセンブリ （２０２、２０４又は２１０）の分離、並びに交換用培地の準備のためのファイアウォール容器アセンブリ２０４及び収穫・ストレス容器アセンブリ２１０と開放可能に流体連結できるように与えられている。図４で示される実施形態で教示されるように、圧縮ＣＯ_２源１０６が与えられ、バイオマスは遠心分離式バイオマス収集ステーション１０８を使って収穫される。

リアクタ容器が栄養培地及び最初の微細藻類培養物（接種材料）で充填され、十分な光へ曝されることで、各バイオリアクタが２４〜４８時間ごと、あるいは株の要求に応じたほかの期間で収穫できるような速度で微細藻類が生長できる、微細藻類を培養する方法が、図３Ａ、３Ｂ、及び３Ｃを参照してさらに示される。このイラストは、生育段階に入るものすべてが制御されなければならない、閉鎖系システムの設計を示す。水及び栄養素は（図２に示されるような）無菌のファイアウォール容器アセンブリから入ってきて、生育タンク容器アセンブリ２０２は、周囲環境からの侵入が起こらないように陽圧となっており、空中の生物が培養物を汚染しないようにすることで無菌環境が維持できる。藻類により作られた酸素は藻類バイオマスの生育に悪影響を与えてしまうので外に出る必要があるが、これにより空気をシステムから排出することができる。

図３Ａ及び３Ｂを参照すると、標準的な生育タンク容器アセンブリ２０２の構成要素がさらに詳細に示されている。なお、基本リアクタ容器アセンブリ２０２は、できるだけ効率的に光パネルの高さと幅に合う標準的な外形に沿って設計される。

生育タンク容器アセンブリ２０２は、本発明に係るリアクタ容器の非限定的な実施形態であるものの例示的であり、本明細書でさらに詳述される。生育タンク容器アセンブリ２０２の底部は１つ又は複数のバブラー２２０を含み、培地及び微細藻類を循環させる流れを気泡により作るバブラーを動作させるのに十分な除菌空気のソースである高効率微粒子捕集効率、すなわちＨＥＰＡ（図示せず）にバブラーは連結されている。エアベース又はバブラーは、タンク内でバイオマスが旋回して最大限の排出と光パネルにより与えられる光への暴露がなされるように、容器内で選択的に使用される。オゾンは、ベンチュリ管及び送水ポンプ（図示せず）を含む閉ループ装置を使って供給することができる。図３Ｃにさらに示されるように、ＬＥＤで動作する複数の薄い略平面の導光板２２４により形成される光源が容器２０２内で垂直に配置され、好適にはあらかじめ切込みがつけられた櫛型構造物２２６（さらに詳細には図６に示される）で画定される列に配置され、配光及び照射面を最大化する。

電力がケーブル２２３（図６）を介して光パネルへ供給される。生育タンク容器アセンブリ２０２の構造は最上部すなわち蓋２２８（明確化のため意図的に省かれているが、図４及び６で示されている）を特徴とし、この蓋は、酸素及び空気が外へ出られるようにして陽圧を引き起こして外来物質の無用な侵入を防ぐために、容器２３０の主ケースと離間して並置された関係に置かれるよう設計されている。離間したＬＥＤ導光板２２４のラックが最上部２２８の下に置かれている。バブラー２２０を介したＣＯ_２の制御された注入は最適な生育パラメータを維持するのを助ける。バブラー２２０からの空気の侵入により、藻類バイオマスが動く。温度は、オゾン、化学薬品、藻類バイオマス及び水（真水及び塩水）に対してほぼ不活性であるステンレス製のコイル２３２を使って制御される。冷却・加熱培地が、生育される微細藻類株に最適な所望の熱的条件を維持するため、コイル２３２を通して循環される。

一実施形態では、導光板には、端部から供給されるＬＥＤ光を導光板の表面から均等に配光する、ラムバス社から入手可能なマイクロレンズ（商標）型の光学要素を利用してもよい。そのような導光板は概して、発光パネル部材、導光板の端部の一つに配置された光の遷移領域、及び光の遷移領域へ取り付けられた１つ以上の光源を含む。

本明細書及び請求項で使用される「バイオマス」という用語は、概して任意の生物学的物質を指す。「バイオマス」の例には、光合成生物、生細胞、生物学的活性物質、植物、生きている又は最近生きていた生物学的物質、及び同種のものが含まれる。「バイオマス」の更なる例には、哺乳類動物、動物、植物、昆虫細胞、並びに様々な種類の細菌、藻類、プランクトン、及び原生動物が含まれる。

本明細書及び添付の請求項で使用される単数形の冠詞（「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」）は文脈において明確に他の記載がない限り、複数形の指示対象を包含することに留意されたい。したがって、例えば「光源」を含むバイオリアクタへの言及は、単一の光源又は２つ以上の光源を含む。また、用語「又は」は、文脈において明確に他の記載がない限り、概して「及び／又は」を含む意味で利用されることにも留意されたい。

本明細書で使用される用語「約」（「ａｂｏｕｔ」又は「ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ」）は、当業者の一人により決定される特定の値に対する許容誤差範囲内であることを意味し、部分的には、その値が測定、決定される方法、すなわち測定システムの限界に依存するであろう。特定の値が本出願及び請求項に記載されている場合、他の記載がない限り、用語「約」（「ａｂｏｕｔ」）はその特定の値の許容誤差範囲内であることを意味する。

開示される実施形態を最大限の商業規模の生産へ最適化するため、一定の基本的基準が策定された：
１．バイオリアクタは大規模な商業規模でバイオマスを生産可能でなければならない、
２．バイオリアクタは小さな設置面積を有していなければならず、それゆえ閉鎖系バイオリアクタの管類及び袋のネットワークである大きな開けた貯水所の使用を排除しなければならない、
３．バイオリアクタは気候及び地形とは無関係に使用できなければいけない、
４．バイオリアクタは、今日受け入れられている業界標準（０．５〜１．０ｇ／ｌの乾燥重量（ＤＷ））と同等又はより大きい、非常に大きな藻類バイオマス密度を実現しなければいけない、
５．バイオリアクタは、非常に効率的に空間を使って微細藻類の最適な生育を促進し、かつ商業的に実行可能でなければならない、
６．バイオリアクタは、制御された半連続的なバイオマスの収穫が可能であるべきである、
７．バイオリアクタは、バイオマスの生育を妨げる、又は遅らせる、不純物及び汚染物質の能力を著しく弱める／除去しなければならない、
８．バイオリアクタは、バイオマスの収穫プロセスを妨げる、不純物及び汚染物質の能力を著しく弱めなければならない、そして
９．バイオリアクタは、微細藻類を問わず、微細藻類又は光依存性微生物のあらゆる種に適応できなければいけない。

これらの基本的基準を達成するため、様々な実施形態における開発と生育のためのパラメータに影響する規則は、従来の藻類生育の基準から離れ、独自のガイドラインと教訓の組に従う必要があるであろうということが明白となった。その中には、
１）藻類に光を当てる、
２）藻類及び光に水をかける、
３）高度に制御可能で複製可能な生育環境を与える、
４）高水準の制御を与える、
５）コスト効率の良い大量製造向けに設計する、
６）半連続的な及び／又は定常状態の生産向けに設計する、
７）技術を生物学的に行われるように適応させる、
８）任意の環境へのシステムの配備のために設計する、
９）システムがコアプラットフォーム技術として動作するように設計する、そして
１０）独自の協調的ビジネスモデルを開発する、
というコンセプトがある。

これらの基本コンセプトを利用することで、我々は、任意の生物学的に適切な培地又は光依存性生物に適応可能な普遍的アプローチで高収量を供給することが可能で、外部照明や環境条件を問わず世界のどこでも使用できる、光合成生物生育のための商業的に実行可能なソリューションを可能とする実施形態を開発することが可能となる。これを達成するために、最適な効率とスケールアップ能力を実現するのを助ける、具体的な設計パラメータが特定された。この設計パラメータには、これらに限定されるものではないが、以下が含まれる：
１．適切な混合ができるようにすることで、サイクルの照明を当てている部分の間に適切な瞬間的な明暗サイクルを細胞へ与え、勾配や生物付着を防ぐこと、
２．高い物質移動能力を与えて、ＣＯ_２を効率的に供給し、Ｏ_２の増加を防ぐこと、
３．高い表面積対体積率（Ｓ／Ｖ）の光を与え、細胞濃度及び容積生産性を向上させること、
４．培養生物に最適な温度又はその近傍で温度を制御できるようにすること、
５．栄養素及び環境要因、すなわち光強度、温度、ｐＨ、ＣＯ_２、並びにカルシウム、マグネシウム、リン、窒素、鉄及び微量栄養素などの栄養素を正確に制御すること、
６．制御可能で予測可能な収穫法を可能とし、培養生物にとって最適な個体数密度を維持すること、
７．適切な光管理を可能とすることで光阻害を減少させ、光合成効率を最大化し、光の制約を減少させること、
８．外的要因、汚染物質及び不純物が培養生物の生育を妨げる、又は減少させる能力を著しく弱めること。

これらのパラメータを利用して、業界の標準値である１ｇ／ｌ ＤＷ、好適には１ｇ／ｌ ＤＷより多く、最も好適には小さな設置面積で５ｇ／ｌ ＤＷ以上、を上回る超高密度で十分な量のバイオマスを生成することを可能とするために、環境的に制御されたタンク貯蔵システムが開発された。

これにより、大量生産された構成要素を使って所望の効率を実現するシステムを作ることが可能となった。これにより、特別に設計された構成要素及びそれに関連するより高いコストを用いることが避けられる。既知のシステムの使用は、かさばって過剰な空間を必要とするか、環境要因に対して制御不能であるかのどちらかで、及び／又は本質的に非効率で商業使用に適さなかった。

これらによりさらに、プラスチック製タンクは容易に入手可能で多くのサイズと構成があり、安価で、特定の要求に対して簡単にカスタマイズ可能であるため、そのような光バイオリアクタシステムの大きな容積で生産可能な能力が可能となる。

空間利用を最大限に高めるため、３つの方策が使用可能である：
１．容器のハニカム配置
２．垂直棚置きシステム、又は
３．連続流タンク貯蔵システム。

図４を参照すると、動作に必要な関連する制御装置とともに基本モジュール２０２の設計図が与えられている。空気がブロワー２３４により与えられ、バイオマスの移動が確実に一様となるようにバブラー２２０を通して適量の空気を選択的に供給するため、一連の弁及び流量計を介して制御される。制御されたソレノイド２３６により、空気が交代する。バイパスシステム２４８は、いかなる水の逆流も制限し、主通気が一つのバブラーから別のバブラーへと移る際に円滑に移行できるように設計されている。設計された制御されるタンク温度が示されており、水冷却装置２３８（条件によっては水加熱システムもまた追加しうる）が貯水タンクを冷却する。このタンクからの水が、タンク内部に置かれたコイル２３２を通って循環する。冷却水貯蔵所内の温度２４４と共にタンク内の温度が測定され２４２、コントローラ２４６を使って監視される。ｐＨプローブ２４８もまたタンク内で使われる。ｐＨは、ソレノイド２３６で調整されるＣＯ_２ボトル１０６を使ってコントローラにより制御され、微細ディフューザ２２２を使ってタンク内部へ注入される。最後に、導光板２２４はタンク内の光強度を制御可能なＬＥＤ駆動システム２４０を使って制御される。

バイオマスはプロセスを流れ、滞留時間を最小値に制限し、可能な限り高い生産性に有利に働くとともに汚染の影響を限定する。

保護するとともに、可能な限り長期にわたってできるだけ安定を維持しなければいけない生育段階を最適化して守るために、すべてが仕立てられる。

設計基準の注意事項の一つはスケーラビリティである。システムは元々、大量のバイオマスを生育するために容易に拡大できるように設計されている。これを達成するため、我々は、タンク特有ではない基本構成要素を使って１０００リットルの容積の周りに積み上げるというコンセプトを決定した。そして、各構成要素は、特定の容器、標準的な中間バルクコンテナ（ＩＢＣ）、又は大規模水路のいずれかへ追加可能な、光と通気用の差し込み式モジュールを有することができる。コア技術全体を保持フレーム、冷却コイル、光パネル、通気プレナム、ＣＯ_２ディフューザ及び制御プローブへと削減する、単純な構成要素を大量生産する能力が、スケーラブルでモジュール式の設計コンセプトの中心にある。

光のスペクトルを最適に選択することもまた、エネルギーの使用とシステム全体の効率を最大化するので、重要な設計パラメータである。植物応答は、可視スペクトル領域内で変動する。微細藻類は、光合成活性な領域（ＰＡＲ）のうち、任意の所与の株に対して最も効果的な部分のみを必要とする。発光ダイオード（ＬＥＤ）技術を賢明に使うことで、我々は所望の強度の所望の波長を提供することができる。最も生産性の高い波長で光子を最適に供給することで、ほとんどの光子がバイオマスにより吸収されるので、よりよい熱管理につながる。

我々の実験から導かれた追加の新しい成果は、電力消費を低減する能力であった。我々は、直感的に信じていることに反して、省電力のＬＥＤ光を使って増強された生産が実現できると結論づけた。光子の供給と照射面積を最大化することで、以前使用していたよりも少ない光を利用することが可能だと結論付けられた。このことは電源ユニットに直接良い影響を与え、ＡＣ電源でなくＤＣ電源を使うという選択を可能とする。そうすることでエネルギー消費は劇的に減少し、システムが商業的容積までスケールアップされる際には極めて重要である。

低電力ＬＥＤを使うことと併用されるのは、表面積最適化のパラメータである。光源は、低／中電力ＬＥＤにより作られる光子の利用と効率的な供給を最適化するよう設計されてきた。バイオマスの体積に対して利用できる光を最大化することで、可能な限り大きな「光の届く」領域が作られる。我々は、平面導光板を使って１ｃｍ^２あたりの光子の供給を調整し、均一に照らす内部照明を使ってより大きな接触面積を与えた。我々は、可能な限り薄くすることで浸漬された要素が必要とする容積ができるだけ小さくなるような単純な設計の薄い導光板を使って、光源の容積の削減を実現した。我々はまた、長期間の浸漬向けに光パネルを防水処理する措置を講じ、生物付着を制限又は防ぐ材料を組み込んだ。

光の最適化に関しては、我々は光子の供給を最適化する平らな照明面を利用することを選択した。我々は照明要素の容積が光バイオリアクタ（ＰＢＲ）全体の容積に占める占有率を１０％以下とすることを目標としている。これにより、露出を増やして光を最大限透過させることができる。我々はさらに、すべての光子がバイオマスへ供給される直接浸漬により、効率を向上させた。この配置により、藻類バイオマスへ効率的に供給される必要がある光子を各ＬＥＤモジュールが過大な量作るため、光子の分配が最大化される。両面平面のパネルを使うことで、管やストリップと比べて著しく大きな光効率が与えられる。

一実施形態において、我々は制御可能な夜／昼のサイクルにより生育が最適化可能であることを発見した。内部照明により、自然の光源には全く依存しなくなる。任意の明暗比率（例えば、２４：０、１２：１２、１４：１０、８：４：８：４など）を検査することができる。ＬＥＤ技術はまた、光合成反応の暗期の利点を活かすために明周期の間に５０〜５００Ｈｚの範囲で高速で明滅させることを可能とする。明滅することでまた、我々はエネルギー消費を削減することができ、効率を高められる。

基本的要件として、我々は活性炭とＨＥＰＡによる、システムへ入力される任意の空気の濾過を利用する。我々はさらに、冷却管、中間冷却器、及び熱交換器を組み合わせて使うことで、空気の温度及び空気の総入力量を制御する。

ＣＯ_２の要件に関しては、ｐＨの変動によりＣＯ_２の供給がなされ、株に対する最適値を上回るｐＨはガスの供給を引き起こす。ガスの交換は、１００〜４００ミクロンの大きさの気泡を作るセラミックディフューザを使って最大化される。

図５を参照すると、その目的は、異なる長さと配置の複数の容器の中に複数の基本モジュール５０２を直列で追加できる設計のスケーラブル性を示すことである。図示の目的のため、モジュールは若干離されているが、均等に間を空けたパネルが連続しているであろう。また、先の図で記載の通り、陽圧環境を維持するために蓋（図示せず）があるであろう。

図６を参照すると、ここでは、タンクの容器２３０内の基本モジュール５０２の配置が示されている。パネル７００が櫛状のシステム２２６を使って正しい位置に保持され、任意の所与の藻類株に対してあらかじめ定められた所与の間隔で置かれている。陽圧を作って外来粒子がシステムへ入ってくるのを制限するため、蓋２２８が正しい位置に置かれてペトリ皿に似たシステムを閉じている。示されるように、冷却コイル２３２、通気ベース２２０及びＣＯ_２ディフューザ２２２はすべて、（図４に示されるような）外部コントローラ、プローブ及び電磁弁を組み合わせて使うことで制御される。

図７Ａ、７Ｂ、７Ｃ及び７Ｄを参照すると、光パネル７００の例示の実施形態が示されている。導光板２２４全体が、水密状に組み上げられた、真空形成された２つの同一のケース７０２に入れられている。複数のＬＥＤプリント配線板（ＰＣＢ）ストリップ７０６がヒートシンク７０４内に置かれ、中央の両面導光板２２４に沿って並置されている。上部及び底部を保持することで、ＬＥＤストリップと導光板２２４の間の接触を最大限保つことができて、効率が維持される。電力ケーブル２２３が、パネルへ入る水を最小限にするため、首状の構造物７０８を通って上部からパネルの外に出る。光が、パネルの各面での光子の均等な分布を可能とする両面導光板に注入される。

図８Ａ及び８Ｂを参照すると、基本エアベース８００が示され、最上面８０４内に形成された複数の孔８０２が示されている。孔の直径及び数は、バイオマスの所望の生育具合によって変わるであろう。図８Ｂを参照すると、エアベースの空洞内へバイオマスが侵入するのを制限するため、オプションの通気性膜８０６を最上面８０４の下に追加できることが断面図で示されている。最下部８０８は、加圧される容積が十分残るように形成されている。エアベース８００全体が、バルクヘッド取付け具（図示せず）又は空気がバブラーへ効率的に接続されることを可能とする任意の他の装置を使って、空気システム（図示せず）へ連結されている。

一実施形態では、藻類の浮遊が最適化される。藻類バイオマスは、円運動が生じるために時間をかけてゆっくりと定着する傾向がある。選択的にスイッチが入れられる、２つの対向して置かれたバブラーを使い、我々はバイオマスの円運動を反転することもできて、その結果、タンク又は水路における静止点を限定し、そうすることで藻類バイオマスの定着及び生物付着を効率的に制限することができる。

別の実施形態では、全体の原理によって生物学的に最適な方法でバイオマスの光への暴露を最大限に高めることが可能となり、最良のバイオマス生長効率は、容易にスケールアップ可能な図９Ａ〜９Ｆに示される無菌環境で実現される。

図９Ａ、９Ｂ及び９Ｃを参照すると、基本的要件は藻類を浮遊した状態に保つ必要であり、またタンク内の静止点を最小化することであるということである。この要件を最もよく満たすため、本発明は、最小でタンク容積の１０〜３０％に相当する （例えば、１０００リットルのタンクでは１００〜３００ｌ／ｍｉｎの範囲の空気混合容積が必要になる）、激しい選択的な混合を与える。最適な細胞の浮遊に加え、本発明はまた、バイオマスによって作られる酸素の排出と一般的なガス交換を可能とする。図９Ａ〜９Ｃは、特に図４で示される装置の動作を示す。図９Ａは、図４でＮＯ（通常開）と描かれている第１空気バブラー２２０から空気の泡が入れられる際の、初期の上部から底部への反時計回りの回転を示す。図９Ｂは、図４でＮＣ（通常閉）と描かれている第２空気バブラー２２０から空気の泡が入れられる際の、その後の上部から底部への時計回りの回転を示す。図９Ｃは、導光板２２４のそれぞれの面で空気で誘発された流れにより藻類をすすいでいることを示す上面図である。

図９Ｄを参照すると、導光板２２４を備えるタンク２３０の断面図が示されている。この構成により最大限の粒子の通行と光への暴露が実現され、タンク内の可能な限り多くの空間に合うように最適化された光パネルで透光領域／照射面を最大化することで、均質な光子の束が可能な限り均一にバイオマスを照らす。これは、最適なバイオマスの流れと相まって光合成効率を向上する、とても重要な要因である。

図９Ｅに関し、配光の仕組みを強調するために導光板の一部が描かれている。単一のＬＥＤチップにより供給される光子が非常に過量であり、光阻害を制限してバイオマスの生育を最大化するためにできるだけ分配する必要があるため、配光がプロセス全体の鍵となる部分であると理解することがこの動作にとって重要である。先に図７で記載の通り、光が、パネルの各面での光子の均等な分布を可能とする両面導光板に注入される。

図９Ｆは、図９Ｅで描かれた部分の概略図であり、バイオマスの最適な移動により藻類粒子が大きな光の領域を横切って通ることが可能となる、実現しなければならない均衡を示す。バイオマスへ与えられる光子の束は生育を妨げる光阻害が誘発されず、同時に十分な光合成が得られてバイオマスの合成と細胞分裂が可能となるように最適化される。さらに、酸素廃棄物は、細胞呼吸を防ぐために急速に除去され、そのため光合成プロセスが一斉に停止する。今日のシステムにより与えられる制御された環境は、半連続的な生育システムにおいて最大限の恒常性と一貫性を可能とする。

藻類バイオマスの最適な生育＝（細胞濃度×細胞の大きさ）^光の透過＋（バイオマス流量×空気流量）^{藻類の光合成／光への暴露}＋（廃棄物管理×無菌プロセス×環境制御）^{システム恒常性}

提案されるシステムは、こうしたすべての鍵となる基本に対して対処、制御及び管理を行う。最適な光の供給は、容器内に浸漬されたパネル２２４を有することで実現され、それにより最高の栄養制御が、もはや阻害要因とはならないように与えられる。

図１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、及び１０Ｅを参照すると、これらの図は光パネルの別の考えられる例を示し、さらに透光領域を増やして藻類生育を改善するとともにビルドスペーシングシステムを使ってパネルの位置決めを平易にするために、ＬＥＤストリップを中央の脊柱／柱部の中に置くことで、導光板を容器に合うように最適化した形状とすることが可能となる。図１０Ａは、図７に記載されたパネルと同じ原則で作られた中央柱光パネル１０００の全体図を表す。この場合、ＬＥＤ ＰＣＢストリップは中央に置かれ、導光板２２４の一面のみに光を注入する。図１０Ｂにおいて側面図は、一面のみが形成されている、真空形成された透明なプラスチック製ケース１００４に入れられた中央柱パネル１０００を示している。図１０Ｃは、容器の内部にアセンブリ１００４に入れられたパネル２２４が示されていることを示す図であり、パネル２２４は容器に内蔵された櫛／スペーサ１００６により正しい位置に保たれている。パネル２２４及び箱詰めアセンブリ１００４は、透光領域を増やすために、可能な限り多くの空間を占有するように設計されている。図１０Ｄは、中央部ヒートシンク１００２、ＬＥＤストリップ７０６、及び導光板２２４の分解組立図である。最後に、図１０Ｅは、中央部ガイド／ヒートシンク１００２、ＬＥＤストリップ７０６、及び導光板２２４の断面図であり、反射材１００８がありうるイラストとして示されている。

様々な実施形態において最適化されうる次のパラメータは、栄養素の供給である。半連続的にリアクタを動作させる場合、培養の定常状態では、各収穫期間に栄養素が最大で０．５〜３％残るように（９７〜９９．５％が収穫の間に消費されるように）、栄養素を完璧に投与することが必要になる。

定常状態では、非常に再現性が高く安定した方法で所与の開始濃度、並びに最適な混合及び光量である仮定すると、あらゆる藻類株が所与の速度で各栄養素を消費する。

カルシウム、マグネシウム、窒素、鉄、リン、及び様々な微量栄養素を含む栄養素が、最適化された栄養素レシピを使って投与される。半連続的な培養では、藻類株のそれぞれが特定の栄養素レシピを持っていることが必要となる。各再投与では、欠乏や蓄積が起こらないように適量の栄養素だけを供給すべきである。これは、特定の安定した条件で最適な生育が得られる各再投与の間にすべての必要な栄養素を与える弁当箱を作ることにつながる。

藻類バイオマスのプロセス制御プロトコル及びパラメータ
各種のバイオリアクタ、藻類株、及び藻類の最終的な利用法は、特定の方法と標準的な動作プロトコルの調整、最適化を必要とする。以下のプロトコルは、プロセスの全般的な理解と、本発明に係るタンクベースの光バイオリアクタを運営するのに必要な重要な手順を提供することを意図している。

作業環境の構築と配置は、可能な限り最大限、外部の汚染物質を制限するよう設計されてきており、それゆえ、バッチシステムと違い、半連続的な方法でかなりの時間にわたって生育されている藻類を多くの水中及び空中の寄生生物が阻害し、汚染する可能性がある場合に、製造管理・品質管理に関する基準（ＧＭＰ）及びクリーンルーム運用（ＨＥＰＡフィルター使用、オペレータは保護具を着用）が使用される。

生育段階：円筒形タンク及びＩＢＣタンク
オペレータが仕事に就く際の朝の設定：
ファイアウォールタンクはすでに、夜通し混合されていた水及び栄養素（４°Cで貯蔵された、加圧滅菌された微量栄養素を除く）で前日から充填されている（下表を参照）。これはまた、タンクの温度が平衡状態になることを可能にする。

生育タンクは、１２時間明周期で、１２時間暗周期となっている。ｐＨは、７．５５（ＣＯ_２が注入される場合）を絶対超えないように、監視・制御システム（例えば、ネプチューンアペックスシステム）を使い、明るい時間の間だけ制御される。ＣＯ_２の注入は、７．５０のｐＨが達成された場合は停止される。光が消えていてｐＨが上昇可能な場合は、ＣＯ_２は注入されない。

ＣＯ_２の供給は、１．７〜２．３ｂａｒで寸法が１００〜４００ミクロンの直径の微小気泡を作る３０×１０ｃｍ幅の微細セラミックディフューザを使って行われる。通常閉の電気制御のソレノイドがガスの注入を調節する。ソレノイドを制御する電源プラグは、上述したようにアペックスシステムで管理される。

タンクへの通気は、毎分総タンク容積の約１０％〜３０％の空気を供給する再生ブロワーにより、２４時間週７日ずっと与えられる。通気はロータメータ及びボール弁を使って制御される。

典型的には、この収穫プロセス全体は、生育タンク内に光がつけられた後に即座に開始され、長くても３０〜６０分後に終了する。こうして、生育している微細藻類へのバイオマスによるかく乱を最小限に制限する。
プロセス：
１．前夜に、ファイアウォールタンクに接続された送水ポンプ／ベンチュリ注入器／オゾン発生システムの電源が入れられる。ファイアウォールタンクは、ＯＲＰ値で９００以上を５分間持続するまでオゾン処理される。２０ＰＳＩで毎分４〜５リットルのオゾン流が、毎時約３０グラム（アトラス３０オゾン発生器）の割合のオゾンで使用される。レベル及び持続時間で正しいＯＲＰ値が実現されるとオゾンのスイッチが切られ、オゾンはいったん発生すると急激に減少する（水中で１５〜３０分の半減期）ため、ファイアウォールタンクが残留オゾンを夜通し排出できるようにする。
２．無菌微量栄養素がファイアウォールタンクへ加えられ、５分間混合される。
３．その間、生育タンクは順次、２０−２５％が収穫タンクへ収穫される。
４．１で使われた送水ポンプを使うか、又は重力のみにより、バイオマスの量を回復するため、栄養に富んだ水が各生育タンクへ移される。前日にオゾンプロセスで滅菌された培地を含むすべての管。
５．空のファイアウォールタンクのすすぎが行われ、ファイアウォールタンクはすぐに次のサイクル（次の２４〜４８時間）で使用予定の量に相当する量まで真水で充填されて、栄養素（微量栄養素を除く）が加えられて混合される。タンクは、不要な生物の増殖を制限するため、この時点で１で説明したようにオゾン滅菌される。

表１は、ナンノクロロプシス種の生育に使われる各種の化学薬品を記載している。バイオマスの利用法に応じ、研究室グレードから肥料グレードにわたる様々なグレードが使用できる。微量栄養素が別途加圧滅菌されて準備され、フィルターにより滅菌されたビタミンが添加される。ＥＤＴＡが沈殿を防ぐキレート剤として使われる。ファイアウォールタンクが前述のとおりにオゾン滅菌された後に微量栄養素が加えられる。

収穫段階
藻類の最終的な利用法に応じて使われる多くの収穫方法がある。藻類は生育タンクとは別に置かれているので、ろ過、凝集、遠心分離、又はその他の収穫システムは、半連続的に生育している藻類に影響を与えたり危険にさらしたりすることがまったくないように安全に使用することができる。

ナンノクロロプシス種は、ＧＥＡウェストファリアＳＣ６連続遠心分離機を使い、以下の条件を使ってペーストとして無事に収穫された：
・ロータ速度： １０，０００ｒｐｍ
・１２分ごとに排出
・２５リットル／分の吸入バイオマス流

こうして２５〜５０％バイオマスの濃縮ペーストが作られた。遠心分離機の柔軟性により、最終的な濃度は、小型の微細藻類種に対してさえ、バイオマスの最終的な利用法に合わせることができる。
結果
０．９ｌボトルでの基準値
１２：１２明暗サイクル
６６０ｎｍで５Ｗの照明、１ｍｌあたり５００×１０^６の細胞、１リットルあたり５．５５Ｗ相当
９：３明暗サイクル
６６０ｎｍで５Ｗの照明、１ｍｌあたり１５０×１０^６の細胞、１リットルあたり５．５５Ｗ相当
２５０リットルのタンク
１２：１２ 明暗サイクル
６６０ｎｍで６０Ｗの照明、１ｍｌあたり１５０×１０^６の細胞、１リットルあたり０．２４Ｗ相当
・１リットルのバイオマスあたり２３倍少ない光で、３．３倍だけ少ないバイオマスとなり、基準値に対し７倍効率が高くなる。
６６０ｎｍで１３０Ｗの照明、１ｍｌあたり２５０×１０^６の細胞、１リットルあたり０．５２Ｗ相当
・１リットルのバイオマスあたり１１．５倍少ない光で、２倍だけ少ないバイオマスとなり、基準値に対し６倍効率が高くなる。
９：３明暗サイクル
６６０ｎｍで９０Ｗの照明、１ｍｌあたり２００×１０^６の細胞、１リットルあたり０．３６Ｗ相当
・１リットルのバイオマスあたり１５倍少ない光で、１．３倍だけ多いバイオマスとなり、基準値に対し２０倍効率が高くなる。

連続的に稼働する水路付きタンクの建設
これは、「川」型のタンク貯蔵を運営するのに使われる可能性のあるプロトコルとなるであろう。このシナリオでは、キューブ内で静止した状態で実現される明暗サイクルを再現するために平らなパネルを使って照らされた、又は暗い水路からなるタンク内で、生育段階が行われる。ファイアウォールタンク及び収穫タンクといった上流・下流の周辺要素については、キューブベースのシステムのときとまったく同様のままである。本明細書に記述されるシステムは仮想的な５ｍ^３の川であるが、より大きなシステムが若干の適合をすることで実質的に同一の方法を使っている。このシナリオは、川の２０％が収穫され、２０％が無菌で栄養に富んだ水で置き換えられるサイクルごとに、設定された量のバイオマスを作るために使われる川について記述している。

初期洗浄及び播種
川ベースのタンクへ播種するのに先立ち、タンクは広範囲にわたって洗浄、滅菌される必要がある。すべての護岸堤防及び通気要素は、生体適合性の洗浄剤、漂白剤、及び７０％エタノールを使って消毒される。多量の水がタンク及び内部にある要素をすすぐのに使われて、川全体に水を満たす前に乾燥される。念のため、タンクは空中の汚染物を制限するためにＨＥＰＡ濾過が使われる筺体内に置かれている。

タンクは、洗浄されると滅菌されて栄養に富んだ水（紫外線及び／又はオゾン）で充填される。この段階では、川の様々な要素（再生ブロワー、アペックス制御システム、光源、冷却システム、ｐＨ・温度プローブ、ＣＯ_２供給、蠕動循環ポンプなど）のスイッチが入れられ、川がその後播種される。

播種濃度は、藻類株と商業的シナリオにおいて川を容量一杯とするのに必要な総合的なタイミングの間で変わる。小さな５ｍ^３の川型タンクの場合は、１ｍ^３の藻類の種子を生育キューブ／ラックから直接使うことができて、川は所望のバイオマス濃度に達するように、閉ループで多くのサイクルにわたって循環される。あるいは、５ｍ^３の川は４つの１ｍ^３のキューブを使って容量一杯まですぐに播種することができて、２０％の再投与分に相当する１ｍ^３の栄養に富んだ水で完了する。このシナリオでは、藻類はいつでもすぐに収穫することが可能である。サイクル中の藻類の摂動を制限するため、藻類はキューブシステム内で光が消されて３〜４時間後の暗期に移動される。川の明るい領域に置かれる藻類はいつでも生育できるが、暗がりにある藻類はわずかに長い暗期を持っている。

生育段階及び連続的収穫
川が一杯になると、バイオマスが連続して収穫される。この場合、毎日２０％とは、１日あたり１ｍ^３すなわち１時間当たり４１．６７ｌに相当する。ここで、２台の蠕動ポンプが稼働している。一方の２つのヘッドを備えたものは、川の終端部で６９５ｍｌ／ｍｉｎを収穫タンクへ収穫しており、川の先頭部では藻類バイオマスをファイアウォールタンクから供給された６９５ｍｌ／ｍｉｎの無菌の栄養に富んだ水で置き換えている。同時に、二つ目の蠕動ポンプは、２．７８ｌ／ｍｉｎの藻類バイオマスを川の終端部から川の先頭部へと移送している。実際、川は閉ループではなく、むしろ制御された入口と出口を有する、Ｕ字型のタンク貯蔵システムである。

オペレータが常に川の健全性を監視し、すべてのシステム（光パネル、ソレノイド、プローブ較正）が運用可能であることを確認するために目視検査を制御、指示することを可能とする、所定の場所に置かれたテレメトリ装置（ビデオカメラ、アペックス制御システム）を使って監視が行われる。さらに、すべてのプロセスが適切に実行されていることを監視するために、川の設定点からサンプリングが行われる。

未使用のファイアウォールタンクが毎日作成され、収穫タンク内のバイオマスが使用される。典型的なシステムにおいては、２つのファイアウォールタンクと２つの収穫タンクが連続的動作を可能とするために使用される。

バイオマスの目的と使用に応じて、バイオマスは魚の餌としてそのまま、又は遠心分離若しくは濾過を使って濃縮して使用することができる。藻類のペーストはその後精製され、ここでのプロセス描写の範囲を超える広範なプロセスを使って対象の微粒子が抽出される。

キューブと川型プロセスプロトコルの比較
タンクシステムと川型システムは、藻類へ光をもたらすという同じ基本コンセプトを有するが、重要な違いはバイオマスの連続した流れである。後者では、藻類バイオマスが、次の収穫、再投与まで周期的で、１日の任意の時間に常に変化する条件（細胞の数の増加、栄養素の消費、及び光のオン／オフ）であるキューブのような静的なシステムではなく、川は、任意の地点での条件が常に一定である、事実上定常状態のプロセスである。

簡単に言うと、藻類バイオマスは、初期には約０．５〜１．５メートルのあらかじめ定められた間隔だけ離しておかれたディフューザを介して注入されたＣＯ_２によりｐＨ調整された環境下で光に曝された、十分通気された水路を、所与の時間にわたって移動する。プローブが、キューブ式の設計と同様の方法で電磁弁の起動を制御するｐＨの上昇を検知すると、ＣＯ_２が注入される。この微調整と同時に、ＣＯ_２の豊富な空気を使用することもできる（例えば、工業セメント工場の排気、下水汚泥通気槽排気）。光への暴露が十分なされると、藻類バイオマスはあらかじめ定められた時間にわたって照らされていない領域に到着する。収穫の間に多数の明暗サイクルが必要な場合は、光パネルを有する又は有しない、１つ又は複数の一連の部分を有するように川を設計することができる。しかし、川の終端部では藻類バイオマスの一部が収穫のために確保され、残りは水路の先頭部へと戻される。失われた量を補うため、新鮮で栄養に富んだ培地が、下流で除去されたのと同じ速度で、上流で加えられる。

川の利用法に応じ、様々なシナリオが可能である。バイオマスを生育することを意図している場合、所与の割合（５０％〜９０％）が川の先頭部へ戻され、残りの収穫したバイオマス（１０％〜５０％）が処理される（必要ならストレス段階、脱水、化学的抽出）。しかし、水（下水処理後の栄養に富んだ工業廃水）を浄化することを意図している場合、バイオマスのほとんどが、浄化された水（遠心分離液）を通して流すために、脱水される（濃縮物）。得られたバイオマスペーストから一部（５％〜５０％）が、上述したように収穫され、残りのペースト（５０％〜９５％）は、栄養に富んだ水と混合されて藻類生育の新しいサイクルの播種に使われる。

したがって、川型コンセプトの全体の目的は、水の量を大幅に増やし、その結果、キューブシステムではそのような多くの量を実際に扱うことはすぐには不可能である、コスト効率の良い方法で、培養されるバイオマスの量を大幅に増やすことである。実際、キューブシステムで同様の運用を行うことは可能であるが、水を移動させるコストと過剰な数のキューブによって、多大な量を扱うことが単純に法外な費用がかかるものとなる。川型の場合、キューブシステムにおけるように効率を最大化しながら、最小限のポンピングを使って水が単純にシステムを通って流される。
藻類生育の２つの段階

いくつかの藻類株（例えば、クロレラ種、ヘマトコッカス藻）は、特定の化学物質を作るために２つの段階を必要とする。第１の生育段階では、藻類バイオマスは栄養に富んだ培地で拡張し、定期的に収穫され、キューブコンセプト又は川型コンセプトで説明したように非常に生産性の高い状態で維持される。収穫後で脱水前に、第２のストレス段階が開始される。典型的には、これは栄養素の枯渇と、非常に強い照明及び／又は他のストレス要因が組み合わされてなされる。栄養素が藻類バイオマスによって完全に消費されている場合、藻類をストレスから守ることを目的として特定の化学物質が蓄積される。この方法を使って、多くの有益な化学物質（例えば、アスタキサンチン、ベータカロテン）を非常に高い濃度で作ることができる。

そのような追加のストレス段階を可能とするため、我々は重力で供給される特定のキューブラッキングシステムを設計し、生育している藻類が定期的に収穫されて光が１日２４時間ついたままになっているストレスのかかったキューブへと移送されるようにした。藻類株によっては、目的の化学物質をできるだけ蓄積するためにストレスを１〜１０日間かけることが可能である。この段階の後で、藻類は脱水され、砕かれ、乾燥されて、化学物質が当該技術分野で通常使用されるプロセス（例えば、超臨界二酸化炭素抽出、機械的抽出、大規模クロマトグラフィー、蒸留、溶媒抽出）を使って抽出される。

ラックには、典型的には最上部に１個又は複数個のファイアウォール、中間に３個から５個の生育タンク、及び底部に２個から６個のストレスタンクが設置される。ファイアウォールタンク及び生育タンクの個数は収穫速度に依存し、ストレスタンクの個数は第２のストレス段階の持続時間に依存する。すべてのタンクは、これらのタンクの間で液体の移動ができるように流体的に連結されており、この場合、液体の移動は重力によりなされる。すべての管類は、考えられるいかなる水中の汚染も防ぐために、分離、滅菌が可能である。

本明細書で述べられているすべての特許及び公報は、本発明の属する技術分野の当業者のレベルを示す。すべての特許及び公報は、個々の公報がそれぞれ具体的かつ個別に参照により援用されると示されているのと同じ程度まで、参照により本明細書に援用される。

本発明の特定の形態が示されているが、本明細書で記載され、示されている具体的な形態又は配置に限定されないことを理解されたい。本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更がなされうることは当該技術分野の当業者には明らかであり、本発明は本明細書及び本明細書に含まれる任意の図面／図で示され、説明されていることに限定されると考えられるべきではない。

本発明をうまく適合することで目的を遂行し、言及した目標と利点及び本発明に固有のことが達成されることを当業者は容易に理解するであろう。本明細書に記載された実施形態、方法、手順及び手法は、好適な実施形態を現時点で代表するものであり、例示的であることを意図しており、その範囲の制限を意図したものではない。本発明の趣旨の範囲に含まれ、添付の請求項の範囲により規定される、実施形態における変更及びその他の使用は、当業者には想到されるであろう。本発明は特定の好適な実施形態に関連して説明されたが、請求される発明はそのような特定の実施形態に必要以上に制限されるべきではないと理解されるべきである。実際、本発明を実行するための、当業者には明らかな説明された形態の様々な変更例は、以下の請求項の範囲内であることが意図されている。

Claims (9)

1. 光合成生物の培養及び収穫を最適化する光バイオリアクタであって、
   自己完結型で、そのような光合成生物の最適な準備、生育、及び収穫に必要な、二酸化炭素、酸素、水、栄養素、温度、及び光エネルギーのレベルを含むすべての重要なパラメータを制御し、維持するように構築、配置されたバイオリアクタシステムを備え、
   前記バイオリアクタシステムが、無菌で温度制御された水のソース及び栄養補給源を含むように構築、配置された１つ以上のファイアウォール混合・滅菌タンク容器と、前記１つ以上のファイアウォール混合・滅菌タンク容器と流体連結された１つ以上の生育タンク容器であって、前記光合成微生物の培養のために構築、配置された前記１つ以上の生育タンク容器と、前記１つ以上の生育タンク容器と流体連結された１つ以上の収穫容器であって、前記１つ以上の生育タンク容器で作られるバイオマスを受けるように構築、配置された前記１つ以上の収穫容器とを含む複数のリアクタ容器を含む、光バイオリアクタ。
2. 光合成生物の培養及び収穫を最適化するための請求項１に記載の光バイオリアクタであって、前記１つ以上の生育タンク容器が、薄く略平面の導光板であって発光ダイオード（ＬＥＤ）で動作し、前記生育タンク容器内に垂直に構築、配置され、前記生育タンク容器内に完全に浸漬された複数の導光板で構成される１つ以上の光源を含み、前記生育タンク容器が除菌空気源である高効率微粒子捕集効率、すなわちＨＥＰＡに連結されている１つ又は複数のバブラーをさらに含み、前記バブラーは、無菌で温度制御された水、栄養培地及び前記栄養培地に含まれる光合成微生物の混合物を循環させる流れを作るために各前記バブラーを動作させる気流を供給するように構築、配置されており、
   前記バブラーが選択的に起動するように構築、配置されていることで、最大限のバイオマスの浮遊、最大限の排出、及び前記１つ以上の光源により与えられる光への最大限の暴露が実現されるように前記生育タンク容器内にバイオマスの旋回を与える、請求項１に記載の光バイオリアクタ。
3. 請求項２に記載の光バイオリアクタであって、
   前記生育タンク容器内のｐＨレベルを制御するための加圧ＣＯ_２源と流体連結されたＣＯ_２ディフューザをさらに含む、光バイオリアクタ。
4. 請求項２に記載の光バイオリアクタであって、
   前記光合成微生物の生育に最適な所望の熱的条件を維持するために、冷却・加熱培地をその中を通して循環させるために構築、配置された、１つ以上の冷却コイルをさらに含む、光バイオリアクタ。
5. 前記光合成微生物が微細藻類である、請求項１に記載の光バイオリアクタ。
6. 前記１つ以上の光源が、１つ以上の発光源を含む１つ以上の薄く略平面の導光板及び前記導光板の端部に配置された１つ以上の光の遷移領域から形成され、前記光源が前記光の遷移領域に取り付けられたＬＥＤ光源である、請求項２に記載の光バイオリアクタ。
7. 前記リアクタ容器のそれぞれが、各前記リアクタ容器内に陽圧環境を維持するように構築、配置された蓋をさらに含む、請求項１に記載の光バイオリアクタ。
8. 前記光合成生物の最適な生育のための光バイオリアクタにおける光合成生物の培養方法であって、
   自己完結型で、そのような光合成生物の最適な準備、生育、及び収穫に必要なすべての重要なパラメータを制御し、維持するように構築、配置されたバイオリアクタシステムを与えることであって、前記バイオリアクタシステムが、特定の光合成生物株に特有な要件に対して均衡していて、調整済みの水及び複数のソースからの栄養素の制御・滅菌されたソースを含む培地を含んだ１つ以上の貯蔵容器を含む、前記バイオリアクタシステムを与えることと、
   前記貯蔵容器と流体連結され、温度、ｐＨ及び光の供給が前記特定の光合成生物株に対して最適化される、完全に制御された環境を与えるように構築、配置された、１つ以上の光合成生物生育タンク容器を与えることと、
   前記１つ以上の光合成生物生育タンク容器と流体連結された１つ以上の収穫容器を与えること、とを含み、
   所定の生育周期が完了すると半連続的な収穫が行われ、光合成生物バイオマスの一部が収穫されて新鮮培地に置き換えられ、残りの光合成生物バイオマスが次の生育段階への播種に使用される、方法。
9. 前記光合成生物が藻類バイオマスである、請求項８に記載の方法。

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