JP3583785B2 - 微生物生育工程の制御方法 - Google Patents

Description

関連出願
本出願は1993年２月25日に出願されたNo.08/023,172号の一部継続出願であり、これは更に1991年７月15日に出願され現在は放棄されているNo.07/729,707の継続出願であり、これも更に、1991年３月１日に出願され現在は放棄されているNo.07/663,669号の分割出願であり、これも更に1989年10月10日に出願され現在は放棄されているNo.07/419,522号の一部継続出願である。
発明の背景
発明の分野
本発明は微生物、特に藻類由来の天然産生物の抽出に関する。特に本発明は、現在までは小型の容器での実験室的環境でのみ培養されていた多くの微生物株に由来する上記産生物を得るための大規模な水系光合成バイオリアクターシステムの制御に関する。
従来技術
環境上の制約、経済性および種々のその他の要因を考慮すると、現在石油または石炭由来の原料から化学合成することにより生産されている多くの生産物は問題を含んでおり、制限の対象となったり、販売禁止となっている。例えば、多くのアニリン系染料は現在、または近い将来、欧州の政府規制により段階的に削減されるが、同様の制限や禁止は米国を含む世界の他の地域でもすぐに実施されると考えられる。その結果、これらの合成物質を得るための天然の原料を模索する大規模な研究開発活動が世界規模で行われている。
特定の種類の染料の場合は、実質的に同等の色およびその他の物理的特性を有する染料が特定の種の微生物、特に特定の単細胞藻類および植物プランクトンから得られることが解っている。光に曝露されることにより、藻類は光合成によりこれらの染料または染料の前駆体（以下、「染料」と総称する）を生産する。このような微生物を大量生産ベースで培養できるとすれば、価値有る経済的な染料の天然の入手源となり得る。
光合成微生物の大量生産の明らかな利用性は光合成そのものの過程に有る。光、水および二酸化炭素（CO₂）が適切に供給されれば、光合成微生物は窒素（Ｎ）およびリン（Ｐ）のような必須栄養の入手源を利用して太陽エネルギーを化学エネルギーに変換することができる。即ち、光合成微生物の生育または培養の工程には、栄養的に完全な培地を培養の全体容量に導入すること、その容量における最適生育条件を維持すること、そしてその後使用済みの培地から微生物の細胞を回収または分離することが包含される。全ての培養プログラムは効率的に生産工程のこれらの段階の各々が達成できるような方法を用いなければならない。
これらの条件のうち、最も実施困難なものは通常は最適生育維持の段階である。染料を得るための微生物の多くは、生育環境の僅かな変動に対しても、指数的に高い感受性を有する。実験室で実験室の容器内の少量の微生物生育を維持するための方法を開発している研究者にとっては、系のパラメーターの制御が遥かに困難であり、多くの変動が起こり得る商業規模の製造で求められる大容量の場合には、システムは劇的に無効化してしまうことが良く知られている。
光合成生育機序の１つは「閃光作用」即ち、一部の光合成細胞が間欠光源からのエネルギーを効果的に使用する能力として知られており［例えば、Emerson等のJ.Gen Physiol.,15（４）:391−420（1932）参照］、これは、光源に間欠的に細胞を曝露する生育培地中の乱流状態に依存しているため、大量生産系においては有効に利用されていない。曝露が多すぎたり少なすぎたりすると、微生物の生産は低下する。今日まで、制御された乱流状態の利用し閃光作用を最大にすることにより、この作用を大量培養系で利用することによりその系の効率と生産性を向上させるような方法や装置は開発されていない。この必要性に基づいて、本発明は行われた。
流体の流動は以前に小型藻類に関しては研究されていたものの、報告された研究によれば、微生物塊の破壊を防止するために、微生物のスケールに対して過剰な流体のせん断力が生じないようにすることが必要であった。例えば、Thomas等（J.App.Phycology,2;71−77（1990））の報告によれば、116より大きい（3500までの）レイノルズ数の小型間隙回転シリンダー中では細胞の生育速度はマイナスとなり、即ち、微生物塊は死滅し、生育しない。従って、装置の寸法や機械的形状もまた細胞の一体性に対する乱流の悪影響を軽減するために制御しなければならない。
開放系または閉鎖系において微生物を培養し、微生物から産生物を回収するという考え方は新しいものではない。藻類や植物プランクトンを生育させて回収し、直接使用（例えば動物用飼料として）したり、または間接的に使用（カロテン類のような物質の原料として）するような多くの系が世界中で用いられている。しかしながら、このような系のほぼ全てが、極めて少ない種類の微生物、即ち、広範囲の生育条件に耐性を示し、比較的単純な産生物を生産することが解っている微生物に対して用いられている。このため、この産業分野では、実験室規模の実験的培養物で抽出されているものと比較して極めて少数の生成物しか生産できなくなっている。より複雑な物質の生産のために微生物を培養する試みが成功しない理由は、実験室規模の培養物は大規模の容量では生存しつづけたり経済的に生育することができないためである。更にまた、以前のかなり雑に制御された工程（開放系および閉鎖系の両方）に耐えうるような単純な微生物は、直接的にも間接的にも、商業的な量で上記した所望の化学物質を生産することができなかった。上記した化学物質を生産できるようなより「珍重な」微生物が現在の系での培養に対応できることが証明されていない理由は、このような系は、実験室の小規模培養で生育できた珍重な微生物の適切な状態と生育とを維持するのに充分なほど厳密には制御できないためである。実験室規模の装置には一般的に乱流は含まれないのに対し、商業規模の製造の系は含んでいる。現在まで、乱流の制御の必要性は大量培養装置では重要な要因とはみなされていない。
有用ではあるが、条件に影響されやすい微生物の水系培養においては多くの要因が重要である。その結果、このような操作条件の厳密な制御が達成されるような系は、既存の商業的技術では現在生育させることのできない多くの微生物の大規模培養を可能にするのみならず、現在は市場において商業ペースで実施できない多くの物質の大量生産もまた可能にするのである。
発明の要約
本発明はこれまで商業的に価値有る量では増殖できなかった多数の微生物の、最適な、従って経済的にも実現可能な生育条件を維持するための水系微生物生育工程の操作のための制御方法である。我々はこのような工程が、厳密に、そして継続的に制御でき、従来の工程および制御の方法で可能であったよりも更に広範囲の種類の微生物の商業的に実現可能な生育を維持できることを発見した。本発明における主な制御パラメーターは水系生育培地中の乱流の程度および乱流渦のスケールに対する相対的な装置のスケールである。乱流の水準、および、雰囲気に対して閉鎖系であるかまたは雰囲気との連絡が制限されているかまたは制御されているような、そして、部分的に水系培地で充填されているような容器の大きさ／形状の制御は、最適な、即ち、商業的に実現可能な生育のために必要な全ての条件、即ち、光への曝露、栄養供給、沈降速度、全体温度、ガス交換速度および細胞の完全性の制御に直接影響するものである。即ち、我々は最適成育のための主要制御パラメーターとして水系培地乱流および乱流に対する相対的な装置の形状を用いることにより、持続的に条件感受性光合成微生物の大規模用量での生産に成功した。乱流の水準や装置のスケールを良好に制御できない場合は、系の運転が行えないか、または、最適な生育や商業的実現性が達成されない（前出のThomasの文献参照）。
従って、本発明はその広範な形態において、反応チャンバー内の水系培地中に光合成微生物バイオマスを分散させること、ただし、反応チャンバーは可視光に対して透過性であり、水系培地は上記チャンバーの総容量より少ない用量を占める微生物バイオマスの懸濁液を含有するものであること；バイオマスを構成する微生物を増殖し数を増やす時間中、反応チャンバー内にバイオマスを維持すること；増殖を保持するためにその時間中バイオマスに栄養を供給し、これより発生した気体をバイオマスから除去すること；その時間の間、反応チャンバーに水系培地を充分流動させること；その時間の少なくとも一部の時間可視光源に反応チャンバーを曝露し、可視光を反応チャンバー内に通し、微生物に利用させて光合成を可能とすること；その時間中、反応チャンバー内の水系培地全体に概ね行き渡るように乱流渦を有する乱流状態を維持すること；その時間中チャンバーのスケールと渦のスケールとの間に比率を所定の範囲に維持すること；これにより、その時間が微生物の数の望ましい増加が得られるのに十分なものとなるまで、乱流状態において微生物の増殖のための効果的な反応条件を維持すること、を包む水系微生物生育工程の制御方法である。
本発明の制御工程においては、乱流それ自体は、２つのパラメーター、即ち、その主要渦の時間スケール（ｔ）および空間スケール、Ｌ（粘稠プロセスが重要となるスケール）により特徴づけられる。乱流渦の時間スケールは微生物が装置の光が強い区域に存在する時間を制御するものであり、従って、その制御は重要である。Ｌとｔの組合わせ、即ち（L/t）は乱流の速度スケールｑを定義するものであり、ｑは微生物の垂直方向の輸送速度を制御するものである。微生物を懸濁状態に維持するためには、ｑは微生物の沈降速度より大きくなければならない。細胞への栄養の供給は細胞壁に過剰なストレスを与えないように装置の最適な長さ（L_K）を選択することにより制御する。微生物にとって望ましくない酸素の除去は、部分的に充填された容器内の自由表面の大部分の領域に乱流が接触できるようにすることにより達成される。
これらの制御要素は、まずレイノルズ数（N_Re）において設定される。第２に、装置の制御された寸法（L_K）はλ_Ｋ＝L_K/Lで表わされる乱流渦のスケールに関連して特定されなければならない。あるいは、第２の基準は、あるレイノルズ数において細胞への栄養の供給に関してＬを定量できるようにする、流体中の機械的エネルギーの散逸率、ε、の数値として認識することができる。本発明の工程では、乱流はある範囲のレイノルズ数（N_Re）に維持するために制御し、そして、流体の自由表面の水準は、最適な収量を得るために微生物を曝露できる光強度、栄養供給、沈降速度およびガス交換の条件を管理できるように制御する。本発明で有用な一般的な最も広い範囲は、N_Re＝2000〜10⁶、好ましくは4000〜10⁶、より好ましくは4000〜250,000、そして更に好ましくは5000〜50,000であり、そして、渦スケールλ_Ｋに対して相対的な流動流体反応チャンバー内の流体の水準は、0.1−１反応チャンバー容量単位の範囲に有り、好ましくは、0.1−0.8の範囲に有る。
本発明は特に、微生物が単細胞藻類、植物プランクトン、維管束細胞の組織、大型藻類の組織等であるような生育工程の制御において有用である。生育を乱流制御により商業的に実現可能なレベルで制御できる特定の属および種の典型的な例は、Dinophyceae、Bacillariophycea、Lyngbya lagerhemii（Cyanophyceae）、Spirulina platenisis（Cyanophyceae）、Haematococcus pluvialis（Chlorophyceae）、Chlorella sorokiniensis（Chlorophyceae）および植物細胞組織培養物を包含する。本発明の方法による生育が特に好ましいものは、Heamatococcus pluvialis、Spirulina platensis、Lyngbya lagerheimiiおよびChlorella sorokiniensisである。
【図面の簡単な説明】
唯一の図面は、本発明の制御方法を利用した例示藻類生産工程を示すフローダイアグラムである。制御方法は工程の「生育モジュール」の設計および運転において用いる。
詳細な説明および好ましい実施態様
藻類および植物プランクトンのような微生物の生育のためには現在２つの型の水性の系が有る。第１の型では、オペレーターは、動物およびヒトの食料の消費のために、そして、ベータカロテンのような化学物質の抽出のために、微生物の通常の種類のものを生産し、回収する。これらの系は、閉鎖系であってよいが、開放系である場合も有り、反応条件に対して比較的低い感受性を有する微生物をその原材料として使用する。太陽光線への単純な曝露、水系培地中に粗く分散させた通常の栄養への接触性、および、温度、混合、ガス交換等のような操作パラメーターの最小限の制御がこれらの系を特徴づける。工程の制御を行なう際には、培地循環装置をいつ始動させ停止させるか、そして、どの程度の頻度で栄養を培地に注入するかを決定する以上のことを行なう場合はほとんどない。このような系は、微生物の数種のみの製造については極めて良好に機能し、世界中を探して、特に、晴天の多い熱帯気候において認められる。
しかしながら、このような従来の系はその生育環境の条件に対して更に感受性の高い広範囲の種類の微生物を効果的に生産することが可能であるとは解っていない。典型的な醗酵装置内で生育する藻類で今日まで商業的に成功した例はない。例えば、ニワトリ用飼料の原料として商業的規模の醗酵装置で藻類Neospongiococcumからのルテインの生産が試みられている（米国特許3,257,210）が、極めて高価な方法であった。Chlorellaからのルテインの生産もまた試みられているが、経済的に実現可能ではなかった（米国特許3,280,502号）。これらとは対照的に、本発明の系は標準的な醗酵装置には備わっていなかった光と乱流の制御を可能にする。このような微生物の多くが直接、または、後処理の後に、重要な化学物質を産生するため、商業的規模でこのような微生物を生産することは極めて望ましいことである。残念なことに、十分にきめが細かく正確な生育環境パラメーターの制御は、今日まで実験室規模またはそれと同等の小規模な工程でしか可能ではなかった。このような工程のスケールアップの開発を試みた場合でも、その結果は通常、実験室における生育速度を再現できないか、または短期間生育した後に微生物集団の全体が死滅している。
多くの操作条件が「条件感受性」微生物の意味の有る商業的で持続性の有る生育を行なうために重要なパラメーターであることが解った。これらには、吸収した光、利用可能な栄養の種類と量、微生物の沈降速度、生育培地の液体の温度の均一性、ならびに適切なガス交換、二酸化炭素の供給または酸性度（pH）をもたらす培地の能力、および、微生物の生育周期の間の水系培地の乱流が包含される。この工程における重要な要素は、部分充填された物理的生育チャンバー／反応容器内の乱流の制御により上記パラメーターを操作的に制御できるように、かなりの範囲まで、スケールアップされた商業的に実現可能な生育モジュールにおける上記操作条件を乱流の水準により制御することができるという認識である。この独特の制御は従来技術の小規模な実験室における系では存在せず、また認識もされておらず、更に、このような系から予測されるものでもない。
微生物の生育速度と光の量との関連性は複雑な関数であり、そして、各種の微生物について光の量を増加させていく過程で生育に対して有益ではなくむしろ悪影響を及ぼすような点が有ることは以前より知られていた［Ryther、Limnology and Oceanography,1:61−70（1956）およびParsons等、Biological and Oceanographic Processes（第３版,1984）参照］。即ち、十分な藻類の収量を得るためには生育系のオペレーターは系の特定の藻類に対する曲線のピークまたはその近傍の光の強度を維持しなければならない。従来技術はこれを、商業的大規模連続操作で条件感受性微生物ついて達成するための方法をまったく開示していない。
「閃光作用」を得ることは、照明：非照明の比率を約10:1にするような環境の状態を必要とする［Laws等、Biotech.Bioeng.,15:2319−2335（1983）］。その理由は光への比較的短い曝露の後に光系が光子により飽和し、それ以上光子を使用できなくなるからであると考えられている。
本発明の重要な特徴は、微生物に対する光曝露の工程を、水系培地中の乱流の程度の厳密な制御および乱流渦のスケールに対する装置のスケールの制御により主に制御する点にある。商業的に実現可能な種類の細胞を含む水系培地は、細胞の密度のために比較的不透明であり、光の透過は数センチメートルに限られる場合が多い。この点において、装置の光曝露表面の近傍に微生物が存在する時間が不透明の培地内に存在する時間より長くなるように、乱流の水準を維持しなければならない。これは本発明においては、部分充填生育モジュール内の流動培地の自由表面の近傍で微生物を再循環させることにより行なうことができ、そして乱流の程度によりその再循環を制御するのである。培地中の乱流の水準の制御はまたガス交換速度にも直接影響する。全体温度の均一な水準および細胞による栄養の利用を維持しなければならない。酸素は、継続的に除去しなければならないが、これは部分充填生育モジュールの自由表面に接触する乱流渦の再循環を通じて行なう。また生育工程中の沈降速度も重要である。細胞が生育モジュールの底部や壁部に沈着することができるとすると、光の透過が阻害され、不動化された細胞の有害作用として、有害な細菌を繁殖させ、悪影響をもたらす。即ち、記載したとおり、適切に設計された装置においては、操作可能な制御パラメーターとして水系培地乱流を用いることにより、持続的に条件感受性微生物の大規模大量生産を良好に行なうことができた。この制御方法で必要不可欠であるものは、光を透過させ酸素を流体と交換させる自由流体表面の存在である。
レイノルズ数の制御
流動流体には２つの主要な状態、即ち、流体の流動の所定の長さにわたって相互に異なる状態で存在する流れとして特徴づけられる層流状態、および、流れの流動パターンを変化させる渦が生じる流動の不安定性の全体的区域で特徴づけられる乱流状態がある。全体的な流動の並進がある系、例えば導管の一端からもう一端への全体的流れが有る系では、乱流状態では、基礎となる全体の並進流動の上に重ねられ、その結果高度に混合された流動の流れとなり、混合された流体は所定の流動経路に添って移動する。
流体における層流から乱流への移行およびその流体における乱流の程度は流体の移動速度、流体の導管のパラメーターおよび流体の粘度により変化する。乱流（および層流）は最も一般的にはL_kV/υの形のレイノルズ数（N_Re）と呼ばれる無次元量により数的に定義されるものであり、ここでL_Kは（前記したとおり）、導管の特性的な一次寸法であり、Ｖは全体の流体の流動の平均の流速であり、そしてυは流体の動粘度である。「臨界レイノルズ数」［N_Re（crit）］はある流体が層流から乱流へ移行するときのN_Re値である。環状導管のN_Re（crit）は2000〜4000であるが、導管の壁の凹凸により変動し、即ち、層流からの移行はN_Re≦2000から始まり、乱流はN_Re＝4000で確立される。N_Reの値の特定の上限はなく、報告されている数値表は一般的に10⁸までのN_Reの高度な乱流状態を示すものであり、一般的な物質の導管中の流動については、流体は約10⁶のN_Re値で最大の乱流に到達し、それより高いN_Re値になっても流体の乱流度は実質的に増大しない傾向にある。レイノルズ数の誘導と説明については、多くの流体力学のハンドブックおよびテキストに記載されており、例えばChilton（編）のChemical Engineers' Handbook、pp.5−５および５−20〜５−26（第５版,1973）;Condonら（編）のHandbook of Physics、第３部、第２章（1958）;Eshbach（編）のHandbook of Engineering Fundamentals、セクション６、第２、６および９部（第２版:1952）;Weast（編）のHandook of Chemistry and Physics、p.F−330（第65版:1984）；およびO'Brien等、Applied Fluid Mechanics、pp.105−110（第１版:1937）を参照されたい。
本明細書において乱流状態について記載する場合、特に、反応容器内の水系培地の本質的に全体に渡り論じる場合は、若干の層流状態もまた、通常は容器の壁に隣接する境界層に必然的に存在するものと理解されたい。いかなる流動中の流体の導管においても、粘稠なPrandtl境界層が容器壁面に形成されることが知られており、その層内には壁上に乱流領域が有り、それが徐々に移行して流体本体の乱流領域に至る。流体本体の乱流の程度は、容器の壁に隣接する層流境界層の全体的厚みには影響するが、それを排除するわけではない。従って当業者の知るとおり、本発明の目的のためには、乱流の制御の検討は、系に存在する最小限の層流状態の存在とは無関係に、流体の全体について行なう。例えば、McCabe等のUnit Operations of Chemical Engineering、pp.45−48（1956）を参照されたい。
本発明では、部分充填反応装置容器内には２つの異なる流体の面、即ち容器の壁に隣接しその隣の乱流が粘稠な下層により減衰されているような面、および、粘性が乱流の運動を減衰させない自由流体表面が存在すると考える。従来技術は何れも閉鎖反応系における微生物生育の有効な制御のために自由乱流表面の存在が必要であることを提唱していない。透明な反応装置容器を完全に培地で充填した場合、粘稠な下層は日光（または人工光合成性光）の透過する壁部分の近傍の微生物の運動の遅延させ、「閃光」制御を乱流の制御を介して有効に行えなくなる。充填された装置を用いた場合、酸素の除去がより大きな問題点となる。更に、全表面が液体と接した閉鎖反応装置容器では、粘稠な層が壁面からの生物学的粒子の除去を遅延させ、これにより反応装置の表面を汚してしまう場合が有る。このような汚れが光に曝露される表面で起こった場合、汚れの量に対して指数的にチャンバーへの光の透過を低下させる作用を示し、これにより光合成の能力を大きく低下させる。本発明は、部分充填された生育モジュールの全体に渡る自由液体培地表面、および、工程の制御のための運動する乱流の液体培地が存在することを必要としており、これにより、微生物の生育を最適なものとし、工程を商業的に実現可能なものとするのである。
乱流状態は、全ての系においては、または、単一の力学的系においても同じN_Reで得られるものではなく、層流から完全な乱流への移行のN_Reの範囲の広さは系の少なくとも２つのパラメーター、即ち、閉鎖流動導管の液体の流量と壁面の特性の関数であるため、閉鎖系における乱流の制御においては、オペレーターが上記パラメーターの双方を慎重にモニタリングする必要が有る。導管壁の平滑性のような表面特性は極めて緩やかに経時変化し、実時間ベースでは系のオペレーターが制御できる範囲のものではないため、オペレーターは乱流を制御するために流量を用いる。上記したとおり、一部一過性の乱流がN_Re＜2000で生じ、完全な乱流は導管の平滑性の程度に応じて4000〜10⁶の範囲のN_Reで存在する。本工程では、オペレーターはこの範囲に制御して微生物が曝露される光の強度に相関した乱流を得ることにより、最適な収量を得ることができるのである。この水準は、培養が進行するにつれて、細胞密度の増大による（乱流を減少させる）培地の有効粘度の変化、並びに、容器内の流体の自由表面の近傍へのより頻繁な接近を必要とするような光の透過に対する培地の不透明度が変化することの両方により、変化するのである。N_Re＝4000〜10⁶の範囲は本工程の現実的な目的のための最も広い範囲である。N_Re＞10⁶とすることも可能であるが（上記したとおり一般的な数値表は10⁸まで記載）、前述の通り、10⁶を超えても乱流の水準は実質的には殆ど増加しないか、全く増加せず、従って、本発明の工程の操作の実質的な変化は得られない。実際、このような高い数値は、より大きい水流のために送液の出力を増加させる必要性を生じ、微生物塊へのより大きいせん断力が生じ、それを相殺するような微生物生育の改善は得られず、更に、微生物の長い鎖状構造も破壊されるという点において不都合である。一方、N_Reが低すぎてもいけない理由は、実質的な乱流状態が無い場合、微生物菌体は凝集して培地と分離し、系が過剰に濃密になり、光が殆ど透過しなくなるためである。即ち、N_Re＝2000〜4000の範囲を用いることは可能であるが、乱流の程度は実質的に変動し、移行性の流動状態は極めて僅かにのみ存在することになるため、微生物の生育がN_Reの値に対して充分な直接的関連性を示さなくなり、通常は制御が充分厳密に行えなくなる。好ましいN_Re値は4000〜250,000、より好ましくは5000〜50,000である。このような乱流の程度と、例えばRyther（前述）およびThomas等（前述）により明らかにされた原理により定義される最適な範囲内の微生物の生育速度の維持との間の相関は、従来技術では認識されておらず、記載もされていない。
散逸率の制御
本発明の条件は水系培地中の乱流の量と微生物の生育に関連するその他のパラメーターの値との間の相関の発見に基づいている。N_Reを上記した範囲に維持した場合、これらの他のパラメーターは、装置のスケールが厳密に制限されない限り、微生物の生育を最も誘導し易いようなそれらの数値範囲に有ることになる。例えば、微生物の生育は、微生物の細胞が培地から栄養（窒素、リンなど）を取り出すことのできる速度の関数である。微生物の大量培養においては、最適にしなければならない重要な変数は栄養取込速度である。本明細書中では「栄養」とは、広範囲に、無機炭素（CO₂）、窒素およびリンから有機性の微小栄養に渡る分子を包含するものとする。非乱流環境内の定常状態の細胞は、一定時間の後、隣接地域から全ての栄養を取り出す。この取り出しにより、濃度勾配が形成される。次に取り込み速度は以下の通りFickianの拡散により微生物の近隣における濃度勾配に完全に依存したものとなる。
Ｆ＝−Ｄ dC/dz （１）
式中Ｆは栄養の流束、Ｃはある栄養の濃度、そしてＤは分子拡散係数であり、これは大きい分子の場合は、約1.5×10^-9m²s^-1である［Munk等のJ.Marine Res.、11:215−240（1952）参照］。乱流はスケールの連続体であり、L_K＝（ν³/ε）^1/4で定義されるKolmogrovスケールよりも小さいスケールでは、粘稠な拡散性の工程は栄養を細胞に供給する。細胞はＬより小さいため、その完全性は維持される。即ち、定常状態の微生物細胞はより小さい渦中の拡散作用により輸送されるより速く栄養を取り込むことはできない。dzのスケールが小さくなるほど、拡散速度Ｆは大きくなる。植物プランクトンのような大部分の微生物では、この速度が生育に対する制限要因なる。本工程では、この問題点を解決するために、εを増大させＬを減少させることで乱流の水準を制御することを通じて、分子拡散速度を増大させることにより細胞への栄養の輸送速度を増大させた。即ち、乱流の散逸率εは我々の制御における第２のパラメーターとして重要なものとなる。
N_Reの定義に加えて、乱流の制御はまた、スケールの定義を可能にする乱流エネルギー散逸率εの関数とすることもできる。乱流は、乱流の強度に大きさが依存する直線せん断力により最小距離を通過する水においても存在する。せん断力は液体の性質であり、微生物の有無にかかわらず存在する。
乱流による拡散性流束の増大作用は、Mann等によるMarine Ecosystem Dynamics（1991）で論じられており、これによれば、栄養の流束の増大は、乱流エネルギー散逸率ε、および、微生物細胞の大きさの両方に依存する。例えば、約50μｍの直径の細胞の場合、乱流エネルギー散逸率ε＝10^-3W/kgで栄養流束は100％増大する。本工程では、後述する種類の系を用いて、乱流エネルギー散逸率を10^-3〜10W/kgとすることができた。
乱流エネルギー散逸率は以下の通り表わされる。
ε＝ν（∂u/∂ｚ）^２ （２）
式中εは乱流エネルギー散逸率であり、νは動粘度（10^-6m²s^-1）であり、そして∂u/∂ｚは乱流場内の速度勾配である。乱流においては、パラメーターｚはαL_KN_Re ^−1/2となり、これより以下の式が：
ε＝（νu²N_Re）／α²L_K ² （３）
式中、ｕは導管内の流動の速度であり、L_Kは導管の直径であり、そしてαは一次定数である。または、（N_Re）を代入することにより直接以下の式：
ε＝u³/α^zL_K （４）
が得られる。レイノルズ数および導管に直径の両方に対するεの依存性は以下の通り示すことができる。
ε＝（ν³N_Re）／α²L_K （５）
即ち、光への乱流の曝露の最適な水準に対するN_Reのみならず細胞への栄養の乱流供給に対する数値L_kを選択しなければならない。
装置の形状の例
これらの制御パラメーターの適用に関与する基本的原則および工程および上記した推定される機序は、例示のために示す微生物生育系について論じることにより、よりよく理解することができる。このような典型的な系は図において模式的に示した。系は３つの基本的な機能、即ち、水予備処理、微生物生産、および、回収に分けることができる。このような系は蒸発されない水の全てを再循環することにより水資源を最大限に節約することができる。本発明の制御パラメーターはバイオリアクター14、即ち、微生物生産コンポーネントに適用する。（平行して運転する生育モジュール14は複数あってよいが、簡便のために、ここでは単一の生育モジュール14について記載する。）
水予備処理段階では、水を水源２（淡水または海水）から、好ましくは、フィルター４を通して、送液し、大型の保持リザーバ６に送り込む。好ましくは、保持リザーバ６のカバーは暗色のプラスチック材料、例えば黒色ポリエチレンで製造し、これにより、予備濾過水の汚染を防止し、保持リザーバ内の光合成微生物の望ましくない早期生育を促進する可能性の有る日光への予備濾過水の曝露を行なうことなく加熱を促進する。濾過は、種々の従来の方法、例えば大量の水の場合は高速砂床濾過、少量の場合はケイソウ土を用いて行なってよい。特定の状況下では、例えば少栄養領域の深海水を使用する場合や特定の帯水層から得た粒子非含有水を使用する場合は、濾過が必要でない場合も有る。水が既に粒子を含有しない場合は、濾過は省略できる。
水の予備加熱は、好ましくは、被覆された保持リザーバ（リザーバ６と同じものであってよい）内の受動的太陽加熱により行なう。予備加熱工程は比較的低温の原料水、例えば非地熱地下水のように多くの種の微生物の最適生育に必要な温度（約24〜35℃［75〜95゜F］）より低温の水の場合に必要になる。即ち、予備加熱により、培養物の温度を適切に調節した後に、循環培養系に導入することができる。水源からの水が既に適切な培養温度である場合は、予備加熱段階は省略できる。更に、太陽熱は経済的および環境上の理由から望ましいものであるが、従来の加熱器のような別の熱源も必要な温度調節のために用いることができる。
滅菌段階10は培養系で生育させる所望の微生物の生存性を脅かすような生菌または潜在的捕食物を含有する可能性の有る原料水の場合に必要である。好ましい滅菌方法は、紫外線、ガンマ線、オゾンまたは他の非侵襲性の滅菌剤による培地の処理であるが、従来の別の方法で行ってもよい。多くの場合において、前濾過段階が生体粒子を除去すると考えられている。原料水の分析または濾過の有効性により、望ましくない微生物や潜在的捕食物で水が実質的に汚染されていないことが解った場合は、滅菌段階は必要ではない。
微生物原料は、組成容器42からここでは生育モジュール14と定義される適切な反応容器または「バイオリアクター」に供給される。組成水（栄養および他の望ましい添加物で調整されるもの）および微生物種菌を容器42に導入する。例えば、培養物30Lを植菌のために用いてよいが、この場合、添加する組成水の初期容量は約150Lとなる。濃縮された実験用種菌の新しい組成水に対する比率は種により異なり、そして最適な比率は実験的に決定されるものであるが、その比は一般的に5:1〜10:1の範囲である。容器42内で短時間安定化させた後、水／種菌混合物を生育モジュール14の１つに移す。モジュール14内の種菌の生育には初期段階が有り、これは一般的に数日間続くのみである。その後、微生物が生育しバイオマスが増加するに従って、新しい組成物および栄養物質を手操作により、または自動的に連続添加し、その間乱流状態を維持する。系を全操作能力まで連続的に拡大するには、単純な複製を行えばよい。
栄養は通常、生育モジュール14に入る際に12で示されるように水に添加される。生産状態では、水は保持リザーバ６から滅菌処理器10を通って個々の生育モジュール14に供給される。保持リザーバが生育モジュールよりも高い位置に有る場合、保持リザーバからの供給は重力により行なうことができる。その他の場合は、水を生育モジュール14に供給するためにポンプが必要である。
生育モジュール14は水系培地の容量よりも大容量であり、即ち、生育モジュールは水系培地で完全に充填されない。これは効果的な乱流を達成するために必要である。モジュールが満杯となった場合、壁の作用が生じ、これにより細胞が壁に蓄積し、そこに捕獲され、これらの細胞の光飽和を起こし、そして、光を遮断することにより、水系培地内部の細胞の光飢餓を起こす。モジュールを部分充填のみに留めると、自由培地表面が得られ、これにより全体の培地の効果的な乱流運動が可能になり、導管表面の停滞した細胞の塊の蓄積が防止できる。更に、かなりの量の酸素ガスが細胞の生育の間に発生する。生育モジュールが水系培地で満杯の場合、発生した酸素ガスの除去が妨げられ、系が酸素毒性を被ることになる。最後に、モジュールを水系培地で満杯とならないように維持することは、系を加圧下ではなく本質的に常圧下で運転でき、そして、高価な耐圧剛性配管部品ではなく通常の透明で可撓性の配管部品を生育モジュールの導管として用いることができることを意味する。充填容量はどのような好都合な容量であることもでき、一般的に約30％〜90％である。容量が完全満杯に近すぎる場合は、壁作用とガス除去の問題が顕著となり、容量が少なすぎると、系は有効に利用されない。何れの特定の装置についても適切な充填容量は当業者が容易に決定できる。
典型的には、生育モジュール14は管状であり、ポリエチレン製であるが、植物組織に有害でないどのような剛性または可撓性の物質も、水に対して不溶性および非透過性であり、可視光を通すが近可視紫外線を通さない限り、使用できる。この目的のためには低密度ポリエチレン（特に光の減衰と経費を共に低減できるような最少厚みの場合）が最も好ましいが、他の材料、例えばポリプロピレン、ポリアクリレート、ポリアミド、ポリカーボネート、水不溶性セルロースエステルおよびポリエステルフィルムまたは（好適度は低いが）ガラスも使用可能である。
生育モジュールは生育工程の間維持する乱流渦のスケールに対する装置のスケールを所望の比率にするような大きさとする。我々は渦スケールλ_Ｋに対する相対的な流動流体反応チャンバー内の流体の水準は0.1−１反応チャンバー容量単位の範囲、好ましくは0.1−0.8の範囲にあることを発見した。比が大きすぎる（即ち＜0.1:1）場合は、細胞が損傷を受け、εが大きくなりすぎ、そしてN_Reが生育を制限する。逆に、比が小さすぎる（即ち＞1:1）場合は、渦のスケールが容器の大きさを超え、そして、渦がその３次元攪拌工程内で適切に維持されなくなる。後者の現象は極めて深く狭い導管を用いた場合に起こり得る。工程の運転中、大部分の時点で多数の渦が存在し、渦の大きさは広範囲にわたると考えられる。本発明の目的のためには、「主要な渦の容量」と表現するが、これは一般的に全ての実際の渦の大きさが均一であると考えた場合の理論的な渦の大きさとして定義することができる。言い換えれば、全渦容量が同じ総数の渦に渡り均一に分布している場合の「平均の」渦の大きさと考えられる。この値は、操作の間の水系培地の実際の全体容量で観察される乱流の特性から統計学的な「平均の」渦として計算できるものであるため、当業者はこれを実験的に容易に当てはめられる。
生育モジュール14は一般的に、その中で生育している微生物による光合成の間に生産される酸素のような溶存ガス16を収集するための手段を備える。生育モジュールは、後に詳述するが、光合成微生物のための閉鎖され制御された連続生育環境として特徴づけられる。
回収は通常は分離工程、好ましくは多段階工程により行い、最終的な湿生成物または乾生成物が得られるまで、各段階で微生物バイオマスの濃度を増大させる。しかしながら、一部の応用例では、生育した微生物塊のそれ以上の処理が必要でない場合も有り、懸濁液として回収した培養物を生成物として直接用いる。例えば、微生物が脱水された「湿」生成物34または乾生成物38として回収する必要がない場合、例えば、化学抽出工程の原料スラリーとして用いる場合は、回収段階は省略してよい。このような場合、生育モジュール14からの生産物の回収は、直接的にまたは中間保存容器（図示せず）で保持された後間接的に、送液により、または重力により受動的に、二次処理系18に送られる。
回収の第１段階は、フロック化20である。回収水を生育モジュール14から送液するかまたは重力により流動させ、そこに生育する光合成微生物を吐出する。生育モジュール14から出た回収水は電子フロック化装置を通すことにより、そこで微生物の大型凝集塊とする。或は、フロック化20は培地が沈降槽22に入る際にミョウバンのような化学的なフロック化剤をこれに添加することにより行うことができる。フロック化により形成した凝集塊は、好ましくは、構成要素の個々の微生物細胞の沈降速度よりも少なくとも２ケタ大きい沈降速度を有さなければならない。大型藻類または植物組織の一部（例えば、Haematococcus種）は自己フロック化凝固し、このような場合はフロック化段階は必要ではない。
フロック化装置20を出た直後、大型の微生物凝集塊を含有する回収水を一連の沈降槽22に導入する。沈降は一般的に数時間で起こり、約50の係数で微生物が濃縮され、濃縮フロック24と上澄み液26が得られる。
回収操作の次の段階は遠心分離28である。濃縮された微生物フロック24を沈降槽22から取り出し、大容量の連続遠心分離器に入れ、ここで、遠心分離（通常は3,000〜30,000rpm）することにより、上澄み26'および水70〜90％を含有する濃縮微生物スラリー30とする。高速連続遠心分離器28は更に脱水工程も行い、微生物バイオマスを20−50の係数で濃縮して所望の「湿」生成物34とする。
沈降槽22および遠心分離器28から得られた上澄み26および26'を合せたものは、40で示すような何らかの好都合な方法で処理してもよいが、好ましくは、浸透濾過32に通して、ここから水源（例えば帯水層）２に戻して再利用してよい。浸透濾過用の地下またはその他の遮光された場所は、上澄み中に残存する光合成微生物がある場合はこれを殺傷し、これにより、光合成微生物が水源２に導入されないようにする。天然の浸透濾過工程はまた、殆どの溶存有機物および無機物を培地から除去する作用を有し、これにより、一般的に純粋は再利用水として水源２に戻すことができる。
任意に追加してよい回収段階には、乾燥表面36を用いてもよい。遠心分離器28から出た微生物濃縮物は、コンクリート、プラスチック、ガラスまたは他の均一な平滑平板面の表面上に薄層として供給される。スラリー濃縮物30を乾燥して「乾」生成物38を製造する操作は、通常は蒸発により行なうが、熱風のような補助的な乾燥も使用してよい。最大蒸発速度の維持は、好ましくは乾燥表面を被覆し、被覆ハウジング内の相対湿度と温度とを自動的に制御することにより行なう。
制御方法の利点
この例示したもののような系を用いることにより、本発明の制御方法では、従来の制御方法では不可能であった利点が得られる。第１に、この方法は合理的は流量で栄養の取込を増強する値の乱流エネルギー散逸率εを達成する。第２に、εは特により大きい直径の導管を使用した場合により細密に制御できる。例えば、式（５）に基づけば、25cm（10インチ）のパイプの場合、εはN_Re＞15,000で栄養の取り込み速度を大きくするような範囲（＞10^-3W/kg）に有る。このような導管の直径では、このようなレイノルズ数は、約5cm/秒より大きい流動速度により達成される。即ち、栄養の取込を増強するために必要な値のεは、合理的は流量で得られる乱流により得ることができるのである。
第２に、式（４）および（６）に基づけば、流量のかなり小さい変動でεが大きく変動することが解る（ε∝u³/L_Kであるため）。従って、εが等しい場合には、導管直径がより大きいほど速度の変動をより正確に制御できる。直径が小さい場合、流体の流量が僅かに増大することにより、εが一定量増加する。しかしながら、直径のより大きい導管でεを同様に増大させるためには、流動速度の遥かに大きい増大が必要となり、流動速度をより多段階で変化させることにより更に精密な制御が可能になるのである。更に、下記式：
ε＝kQ³/L_k ⁷ （６）
式中ｋは定数であり、Ｑは面積流量（生産速度）であり、そして、L_kは導管の直径であり、この式が成立するため、ある値のεについて、微生物の生産速度は導管の直径の二乗より僅かに多いものとして増大する。即ち、（栄養の最適化を促進するために）同じ値のεを有する系では大きい導管直径を有するものが、実質的により小さい導管直径を有する系よりも、有意に大きい実際の生産速度を示すことになる。
流体の流動における乱流を使用して制御することは、多くの望ましい結果を与える。乱流は特定の光合成微生物の細胞が循環水から分離析出することを防止する。このような現象は鞭毛を有さないため自己運動できないような微生物（例えば、ケイソウ（diatoms）またはBacillariophycae）の場合に特に起こる。乱流はまた、生育培地中の全細胞を確実に光に曝露させるが、光は、濃密な培養物中では、本来は、培養物の約10％に相当する深さでほぼ完全に消光すると推測される。乱流の循環／生育のモードは乱流の最適な水準を観測し決定するのに十分な時間継続することが可能であり、一旦決定された後は、光合成微生物を所定の最適バイオマスにまで生育させた後に回収することができる。乱流制御を使用する場合は、上記した「閃光作用」を利用することにより、数的な生育を増強できる。閃光作用は本質的には、光から放射されるエネルギーの有限の量を吸収するのみの光合成細胞の能力の関数である。その結果、このような細胞の多くは、連続的曝露から得られる利益と同等の利益を間欠的な光源への曝露からも得ると考えられる。実際、ある細胞が光への連続的曝露により損傷を受けた場合、乱流状態で細胞を光に間欠的に曝露することにより細胞の損失を低減できる場合が有る。細胞が曝露される乱流を調節することにより、生育系のオペレーターは閃光作用による細胞の生産性を最大限にすると同時に、光とせん断力への過剰曝露による細胞の損失を最小限にすることができる。
乱流は装置のパラメータまたは流体のパラメーターの何れかまたは双方を用いて種々の方法で制御できる。例えば、N_Reの定義から、乱流の制御は流動速度か、または生育管の直径を変更することにより行えることが解る。乱流の望ましい水準が決定された後、速度および／または使用する生育管の直径を適宜調節できる。従って、本発明のオペレーターは、培養する細胞に対して、本明細書で記載した決定を行なうための手段に従って決定を行ない、管の直径および／または流動速度の要素を適宜調節できると考えられるため、本発明の記載の目的のためには、管の直径、流動速度または流体の粘度に関する特定の値は提示しない。
生育モジュール14に適用する制御パラメーターは各生育周期の過程に渡り変動すると考えられるが、その理由は、微生物の生育が進展するにつれて増加する細胞に対する光の利用性、栄養の要求と供給、総ガス発生等の種々の基準が変動するためである。即ち、本発明の方法は、連続制御方法と認識されるものであり、いかなる時点でも乱流の制御の水準は微生物生育周期の進行の関数である。
系の操作の間、生育培地の物理的、化学的および生物学的特性は、通常は系に渡って数箇所存在するモニター部位で連続的にモニタリングする。一般的にモニタリングされる特性には、pH、CO₂含有量、温度、最適密度（バイオマス）および流動速度が包含される。各々の許容値は、生育させる特定の微生物により変動するが、これらの特性の最適な値は使用する微生物に関して当業者が容易に決定しうるものである。これらはまた生育モジュール中の微生物の滞留時間により変動する。参考のために、我々が検討したところ、例えばHaematococcus pluvialis、Spirulina platensis、Lyngbya lagertheimiiまたはChlorella sorokiniensisを24cmの直径の閉鎖導管を有する図中に示した型の系で生育させる場合は、パラメーターの適当な範囲は以下に示すとおりである。
N_Re 4000〜10⁶
pH 6.5〜9.5
CO₂含有量 100g/m³〜溶解限度値
温度 25〜35℃（75〜95゜F）
λ_Ｋ 1−10
流動速度 2−100cm/分
最適pH値は培養する光合成微生物の種により変動するが、最適生育のためのpHは通常は6.5〜9.5である。乱流の制御により通常は所望のpH値が得られる。所望によりpH値は更に化学薬品の添加により調整してもよく、二酸化炭素または酸（好ましくは硝酸）を添加して高いpHを下げ、低いpHは塩基（好ましくは水酸化アンモニウム）を添加することにより高くすることができる。更に、窒素含有の酸および塩基を選択することにより、pH調節と同時に培地に栄養を配合できる。培養する種の栄養要求性に応じて、一次制限栄養として窒素よりもリンが好ましい場合は、ホスホリル化された酸および塩基を用いてよい。これは、空気持ち上げ長（length of air−lift）またはガス交換系に基づいたλ_Ｋの選択により制御する。
ガス含有量（CO₂）の最適な範囲もまた種により変動するが、全ての場合において、CO₂、炭酸塩または重炭酸塩のいずれの形態でも100g/m³より大きく、水中のCO₂の溶解度を超える場合はない。乱流制御により与えられるCO₂濃度が最適範囲に満たないことが観察された場合、供給槽から気体状のCO₂を系に添加することができる。上記したとおり、CO₂の添加はpH調節のためにも用いてよい。これは、CO₂濃度が低く栄養濃度が高い場合の好ましい酸度上昇法であり、一方、CO₂濃度が高く栄養濃度が低い場合には、酸の添加が好ましい。
培養物中の光合成微生物のバイオマスは光学的方法で測定する。１つの方法においては、測定は光学密度を読み取ることにより行なうが、クロロフィルのインビボ（in vivo）蛍光や他の蛍光顔料のような別の光学的方法も適切である。光学密度および顔料の濃度は微生物のバイオマスに正比例するため、これらの方法により培養物内の各モニタリング位置に存在する微生物の濃度が測定できる。即ち、移動のために要する時間が既知であるような既知の距離だけ離れている２ヵ所のモニタリング位置の間の細胞濃度の差は、その時間に得られる細胞の量を計算するために用いることができる。即ち、この系の使用者は何れも生産性を容易に測定し改善し、或は最適化することができる。
温度の制御もまた極めて重要である。全ての光合成微生物は比較的狭い温度範囲で最適に生育し、最適範囲から２〜３℃（３〜４゜F）はずれると生育は顕著に低下する場合が多い。最も速く生育する種は、通常は25〜35℃（75〜95゜F）の範囲で最適に生育する（Eppley、Fishery Bull.U.S.、70:1063−1085（1972））。一般的に温度が上昇すると生育速度は緩やかに増大し、最適温度を超えた後は急速に低下する。乱流は流体培地内の温度を十分に均質化させ、低温部を生じさせない。
12において系に供給される栄養は培養する特定の微生物種の最適な生育のために必要な何れの栄養も含有する。これらには例えば、スーパーホスフェート、尿素、シリケート、例えば亜鉛、鉄、バナジウムなどの微量金属、ビタミン類および他の生育増強物質が包含される。栄養は通常は、生育系における最終濃度と比較して高濃度で与えられるが、典型的な濃度係数は約4000である。典型的には、栄養は３時間の回収／再充填周期で約0.5ml/秒の速度で新しい培養水に添加する。栄養の添加速度は、培地内の栄養の濃度を迅速に所定の最適濃度とするように調節する。このような濃度は全ての栄養が生育周期の終了時に消費されるように選択する。あるいは、栄養の添加は、前記したpHおよびCO₂の制御と同様な方法で（例えば、系内の適切な地点に設置したセンサーによる読み取り値に基づいてマイクロプロセッサーにより）制御できる。系は通常は数ヶ月生育モジュール14を運転するのに十分な栄養原料を貯留している。
本発明の乱流制御方法は、広範囲の種類の微生物の生育に適用できる。これらには、広範囲の属の藻類、単細胞植物プランクトン、維管束植物の組織、大型藻類組織等が包含される。乱流制御により商業的に実現可能な状態で生育を制御できる特定の属および種の典型的な例は、Dinophyceae、Bacillariophycear、Lyngbya lagerhemii（Cyanophycear）、Spirulina platensis（Cyanophycear）、Haematococcus pluvialis（Chlorophycear）、Chlorella sorokiniensis（Chlorophycear）および植物細胞組織培養物を包含する。本発明の方法による生育に特に適するものはHaematococcus pluvialis、Spirulina platensis、Lyngbya lagerheimiiおよびChlorella sorokiniensisである。当業者が知るとおり、上記の微生物は限定的なものではなく多くの他の属および種も同様に本発明の乱流制御方法を用いた生育工程に適用できる。
これらの微生物の大部分は、本来は石油化学、石炭原料または類似の原材料から合成により製造しなければならなかった化学物質を、天然物から、直接または間接的に製造するため、商業的な生育のために特に価値有るものである。このような微生物から得られる化学物質の典型的な例は、クロロフィル、キサントフィルおよびカロテノイド類のような着色料；γ−リノレン酸のような脂肪酸、グルコースのような炭水化物、グリセロールのようなアルコール類、石油炭化水素、並びに、自然界に存在することが解っている大型藻類の約30,000種に含有されることが解っている、または推定されている全ての天然の物質である。更にまた、コーヒー、タバコ、チョコレート、ゴム等のような価値有る物資の原料として典型的に使用される一般的な維管束植物の組織も対象生物に含まれる。本発明の乱流制御方法を組み込んだ系を用いて好都合に生産できる他の多くの微生物由来最終生成物は当業者の知るとおりである。
本発明には多くの実施態様があるが、それらは、記載しなかったものも含めて、本発明の範囲内に包含される。従って、上記は単に例示を目的としたものであり、本発明の実際の範囲は請求項により示されるものである。

Claims (15)

1. 可視光に対して透過性である反応チャンバー内の水系培地中に光合成微生物バイオマスを分散し、前記水系培地が前記チャンバーの総容量より少ない用量を占める微生物バイオマスの懸濁液を含有するようにし；
   前記バイオマスを構成する微生物が増殖し、数が増加する時間中、前記反応チャンバー内に前記バイオマスを維持し；
   前記増殖を保持するために前記時間中、前記バイオマスに栄養を供給し、これにより発生した気体を除去し；
   前記時間の間中、前記反応チャンバーに前記水系培地を充分流動させ；
   前記時間中の少なくとも一部の時間に、可視光源に前記反応チャンバーを曝露し、前記可視光を前記反応チャンバー内に通し、前記微生物に利用させて光合成を可能とし；
   前記時間中、前記反応チャンバー内の前記水系培地全体に概ね行き渡るように乱流渦を有する乱流状態を維持し；
   前記時間中、前記チャンバーのスケールと前記渦のスケールとの間の比率を所定の範囲に維持し；
   これにより、前記時間が前記微生物の数の望ましい増加が得られるのに十分なものとなるまで、前記乱流状態において前記微生物の前記増殖のための効果的な反応条件を維持すること、
   を備える水系微生物生育工程の制御方法であって、
   前記乱流状態が2000〜10⁶のレイノルズ数の値により定義される制御方法。
2. 前記乱流状態が4000〜10⁶のレイノルズ数の値により定義される請求項１に記載の方法。
3. 前記乱流状態が4000〜250,000のレイノルズ数の値により定義される請求項２に記載の方法。
4. 前記乱流状態が5000〜50,000のレイノルズ数の値により定義される請求項３に記載の方法。
5. 前記比率が、渦スケールに対する流動流体反応チャンバー内の流体の水準で0.1−１チャンバー容量単位の範囲のものである請求項１に記載の方法。
6. 前記範囲が0.1−0.8チャンバー容量単位である請求項５に記載の方法。
7. 微生物バイオマスが単細胞植物プランクトン、維管束植物の組織、大型藻類組織等から選択される群の微生物の少なくとも１つの種である請求項１に記載の方法。
8. 前記微生物または前記植物の組織が、Dinophyceae、Bacillariophycear、Lyngbya lagerheimii（Cyanophycear）、Spirulina platenisis（Cyanophycear）、Haematococcus pluvialis（Chlorophycear）、Chlorella sorokiniensis（Chlorophycear）および植物細胞組織培養物よりなる群から選択される請求項７に記載の方法。
9. 前記微生物がHaematococcus pluvialis、Spirulina platensis、Lyngbya lagerheimiiおよびChlorella sorokiniensisよりなる群から選択される請求項８に記載の方法。
10. 前記反応容器内の前記反応条件が、光曝露、栄養供給、沈降速度、全体温度、ガス交換速度および細胞の完全性であることを含む請求項１に記載の方法。
11. 2000〜10⁶のレイノルズ数の値により定義される前記乱流状態が、前記バイオマス中で個々の微生物の前記可視光への曝露が間欠的となるように前記微生物を動かす請求項１に記載の方法。
12. 前記微生物への可視光の前記間欠的曝露により、前記微生物において光合成に対する閃光作用が生じる請求項11に記載の方法。
13. 非曝露の累積時間の約10倍長い累積時間、前記可視光に前記微生物を曝露する請求項12記載の方法。
14. さらに、乱流エネルギー散逸率εを10^-3〜10W/kgに維持することを含む請求項１に記載の方法。
15. 前記微生物塊を含む前記水系培地が前記チャンバーの総容量の約30％〜90％に相当する請求項１に記載の方法。

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