JP5490003B2 - バイオリアクター - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段（プレアンブル部分）に記載されているように、チャンバー壁を有する少なくとも一つのチャンバーを含むバイオリアクターに関し、少なくとも一つのチャンバーはバイオマスを収容するために設けられ、バイオリアクターは、処理すべき材料を少なくとも一つのチャンバーに供給するためのチャンバー入口、および処理された材料を少なくとも一つのチャンバーから排出するためのチャンバー出口を更に含み、少なくとも一つのチャンバーは、少なくとも１枚の可とう性プラスチック材料のフィルムを含む材料から作製される。

将来における化石燃料の予想される不足の枠組みの中で、２０１０年に燃料の５．７５％を生物由来のものにしなければならないことが決定された。２０２０年には、燃料の２０％がバイオ燃料で構成されなければならない。バイオ燃料はバイオマスから成る又はバイオマスに由来するので、バイオ燃料に対する需要の増加は、バイオマスに対する需要の増加を生み出す。バイオマスは、家庭ごみ、スラッジ、木材廃棄物、産業廃棄物ストリーム、水処理設備等から得ることができる。しかし、エネルギー生産のために十分に多い量のバイオマスを有することができるように、特にエネルギー生産に使用するための、更なるバイオマスが農地で栽培される。農作物の成長は比較的遅いプロセスであり、広大な農地を必要とする。従って、生産能力を増加させてバイオマスを成長させるための有効な方法が必要である。

米国特許（ＵＳ−Ａ）第５，５３４，４１７号には、工業規模で低コストにて微生物を成長させることができるバイオリアクターが記載されている。米国特許（ＵＳ−Ａ）第５，５３４，４１７号から公知のリアクターは、可とう性ポリエチレン製の複数の細長いセルを含み、そのセルはバイオマスを収容することができる。セルは、支持構造物に垂直な状態で吊り下げられる。セルは、２枚のポリエチレンホイルを高さ方向に局所的に接続することによって製造され、ホイル間の空間がセルを規定する。必要であれば、これらのセルの列を複数提供することができる。バイオリアクターは以下のものを更に含む:
・ ガスをバブリングして各セルから排気するためのガス入口および出口、
・ バイオマスに養分を供給するため及びバイオマスを取り出すための少なくとも一つの入口および／または出口、
・ バイオリアクターからバイオマスを受容し、バイオリアクターの外にバイオマスを輸送するために、全ての出口と接続されているマニホールド。
セル間の光透過の干渉を最小限にするために、２個の隣接するセル間の距離は１００ｍｍに等しく、またはそれより小さい。

欧州特許（ＥＰ−Ａ）第０７２５１３４号には、半透膜によって隔てられた２個の区画から成る可とう性バイオリアクターが記載されている。細胞は、半透膜およびガス透過性外壁によって規定される第１の小区画に保存され、一方、媒体は、半透膜およびバイオリアクターの第２外壁によって規定される第２の大区画に保存される。細胞区画のガス透過膜によって、短い細胞拡散経路を通じて細胞に対して直接的なガス交換を行うことが可能となる。

欧州特許（（ＥＰ−Ａ））第０４７１９４７号には、細胞を培養するための培養室を含む培養バッグが記載されている。培養バッグは、優れた可とう性、透明性およびガス透過性を有するプラスチックシートから作製され、プラスチックシートを融着することによって形成される。培養バッグは、少なくとも媒体を注入および排出するため、細胞を注入するため、並びに培養した細胞を回収するために使用される少なくとも一つの開口部を含む。

米国特許（ＵＳ−Ａ）第５，５４３，４１７号、欧州特許（ＥＰ−Ａ）第０７２５１３４号および欧州特許（ＥＰ−Ａ）第０４７１９４７号から公知のバイオリアクターは、細胞を培養するリアクターのセルを追加の支持構造物に吊り下げなければならないという不都合な点を有する。このことによって、バイオリアクターの適用可能性が限定され、設置が複雑かつ高額になる。もう一つの不都合な点は、バイオリアクターを組み立てる際に、各セルを中央の入口および出口と個別に接続させることが必要とされることである。

国際公開第２００８／０７９７２４号Ａには、バイオマスを収容するために設けられる少なくとも一つのチャンバーを含む光バイオリアクターが記載されている。少なくとも一つのチャンバーは、可とう性で透明なプラスチックフィルムまたは複合フィルムを含む。少なくとも一つのチャンバーは、水ため（ｗａｔｅｒ ｂａｓｉｎ）に囲まれ、その水ためは光バイオリアクターに構造的支持を与える。少なくとも一つのチャンバーは各々、処理すべき材料を少なくとも一つのチャンバーに供給するためのチャンバー入口、および処理された材料を少なくとも一つのチャンバーから排出するためのチャンバー出口を含む。国際公開第２００８／０７９７２４号から公知の光バイオリアクターは、光バイオリアクターを組み立てるために、少なくとも一つのチャンバーを水ために接続させる必要があるという不都合な点を有する。もう一つの不都合な点は、光バイオリアクターを組み立てる際に、各チャンバー入口／出口を個別に中央の入口および出口に接続させる必要があり、そのことが設置を煩雑かつ高額にすることである。

本発明の目的は、簡単な方法での設置および組み立てが可能であるバイオリアクターを提供し、それによって実用的なバイオリアクターを得ることである。

このことは、本発明に従って、請求項１の技術的特徴を示すバイオリアクターによって達成される。

そのために、本発明のバイオリアクターは以下のことを特徴とする：
・ バイオリアクターが、少なくとも一つのチャンバーを含む閉じた体積部分（または体積空間部）を形成すること、
・ バイオリアクターが、ハウジング壁を有する閉じたハウジングを含み、少なくとも一つのチャンバーがハウジング壁に接続され、ハウジングが、材料をチャンバー入口に供給するためにチャンバー入口に接続されるハウジング入口、および処理された材料をチャンバー出口から排出するためにチャンバー出口に接続されるハウジング出口を含むこと、
・ バイオリアクターにおいて、バイオリアクターが自立するように、バイオリアクターの外部の外圧より大きいリアクター圧力が保持されること。

本発明のバイオリアクターは閉じた体積部分を含む。バイオリアクターの閉じた体積部分の内部の圧力がバイオリアクターの外部の周囲圧力より大きいので、バイオリアクターは、可とう性ホイルから作製されるにもかかわらず自立する。この自立性ゆえに、例えば金属ラック等の外部の硬い支持構造物にバイオリアクターを接続させる若しくは吊り下げる必要がなく、またはバイオリアクターを組み立てるためにバイオリアクター内に硬い支持構造物を設ける必要がない。本発明のバイオリアクターにおいて、ハウジングおよびチャンバー入口、並びにハウジングおよびチャンバー出口は既に接続されており、その結果、バイオリアクターを組み立てる際に接続を設ける必要がない。このことによって、バイオリアクターの総組み立て時間の短縮、およびシステム全体に必要とされる材料の量の削減がもたらされる。この結果、設置コストおよび材料コストの両方の削減を得ることができる。

本発明のバイオリアクターは、ハウジング壁を有する閉じたハウジング、およびハウジング壁に接続され且つそのハウジング壁内で一体化される少なくとも一つのチャンバーを更に含む。この一体構造ゆえに、バイオリアクターを組み立てる際に、チャンバーを個別にハウジングに接続する必要がない。ハウジングの存在は、バイオマスを含有するチャンバーの追加の保護を提供する。それによって、チャンバー壁において例えば悪天候条件を原因とするリークが発生する危険性が減少する。少なくとも一つのチャンバーは、上から下までハウジング壁に接続させる必要はない。少なくとも一つのチャンバーが少なくとも部分的に、例えば下端のみハウジング壁に接続されていれば十分である。

少なくとも一つのチャンバーは、処理すべき材料を少なくとも一つのチャンバーに供給するためのチャンバー入口、および処理された材料を少なくとも一つのチャンバーから排出するためのチャンバー出口を含む。少なくとも一つのチャンバーが接続されるハウジングは、少なくとも一つのチャンバーのチャンバー入口に試料を供給するためにチャンバー入口に接続されるハウジング入口、および処理された材料をチャンバー出口からバイオリアクターの外に排出するためにチャンバー出口に接続されるハウジング出口を含む。

これらの要旨全ての組み合わせは、本発明のバイオリアクターの組み立てが非常に簡単であるという利点を有し、特に、その組み立ては、バイオリアクター内部において周囲圧力と比較して過圧であることを確保することによって行われる。これは、例えば、バイオリアクター内部の少なくとも一部を圧力下にてガスおよび／または流体（または液体）で満たすことによって達成され得る。バイオリアクターの取り外し（または解体）もまた、非常に簡単な方法で行うことができる：過圧を解放することによってバイオリアクターの構造が崩れ、その後、バイオリアクターを巻き取る又は折り畳むことができる。この自立性は、高価かつ複雑な支持構造を用いる必要性がないので、設置コストの実質的削減をもたらすだけでなく、リアクター自体のコストの削減ももたらす。本発明のバイオリアクターは、使用中でない場合または保管する場合に、材料に必要とされる体積が僅かであるという利点を更に示す。可とう性シート材料から作製されるバイオリアクターは、実際に、折り畳んだ状態または巻き取った状態で保管することができ、必要な場合には滅菌することができる。このことによって、実質的に簡易化されたより安価な輸送もまた、もたらされる。本発明のバイオリアクターは、個別のチャンバーを外部構造物に取り付けることを必要とせず、また、チャンバー入口とハウジング入口との間、およびチャンバー出口とハウジング出口との間に個別の接続を設けることも必要としないので、バイオリアクター内で汚染が発生する危険性は僅かである。

本発明のバイオリアクターにおいて、少なくとも一つのチャンバーは、好ましくはバイオリアクターの高さ方向に延在する。例えば藻類を成長させることを目的として、バイオリアクターを光バイオリアクターとして用いる場合、リアクターの収率は、チャンバーが高さ方向に延在する場合に増加する。より高いバイオマスの効率がもたらされるので、バイオリアクターの高さ方向に延在するチャンバーを密に配列することが好ましい。

ハウジング入口および出口、並びにチャンバー入口および出口は、好ましくはバイオリアクターと一体に（または１ピースで）作製される。このことは、少なくとも一つのチャンバーを個別に供給および排出配管に接続させる必要がないという利点を有する。少なくとも一つのチャンバーに処理すべき材料を供給するため、および処理された材料をバイオリアクターから排出するためには、そのハウジング入口および出口の各々を有するバイオリアクターが供給および排出配管の各々に接続されていれば十分である。少なくとも一つのチャンバー並びにチャンバーおよびハウジングの入口および出口がバイオリアクターに一体化されるので、そのような構成は、個々のチャンバーと、外部構造物または供給もしくは排出配管との個別の接続を必要とすることなく、バイオリアクターが一つの簡単な工程で組み立てられるという利点を有する。

少なくとも一つのチャンバー入口および出口は、好ましくは第１可とう性シート材料からバイオリアクターと一体に作製される。この構成は、バイオリアクター全体の製造を簡易化および自動化し得るという利点を有する。少なくとも一つのハウジング入口および出口は、好ましくは第２可とう性シート材料からバイオリアクターと一体に作製される。この構成は、バイオリアクター全体の製造を簡易化および自動化し得るという利点を有する。チャンバー入口および出口、並びにハウジング入口および出口の両方は、好ましくは可とう性シート材料から作製される。第１および第２可とう性シート材料は同じであってよく、または異なってよい。チャンバー入口／出口およびハウジング入口／出口の各々の第１および第２可とう性シート材料は、バイオリアクターの残りの部分を構成する可とう性シート材料と同じであってよく、または異なってよい。１枚またはそれより多くの異なる可とう性シート材料を含む可とう性材料でバイオリアクターを構成することは、システムを非常に簡単な方法でリサイクルし得るという更なる利点を提示する。もう一つの利点は、バイオリアクターを非常に簡単な方法で滅菌し得ることである。他のシステムと同様に、バイオリアクターの全ての異なる部品は別々に取り扱う必要があるが、本発明のバイオリアクターは、全体として滅菌し得る。実際に、この滅菌工程はバイオリアクターの製造の間に行うことができる。追加の滅菌は現場で必要ではない。このことは、バイオリアクターが閉じた体積部分を形成し、外部構造物に接続させる必要がないので、組み立ての間に汚染される危険性が僅かであるという事実に起因する。

バイオリアクター全体を可とう性プラスチックホイルから作製することが可能であり、チャンバーを接続する必要のある外部構造物が必要でないので、バイオリアクターを組み立て得る場所に関してより大きな自由度が残されている。例えば、バイオリアクターを海上／海中で使用することが可能である。バイオリアクターは、例えば、船の航行が不可能または危険である場所、例えば風車パーク（ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｐａｒｋ）付近で使用することができる。換言すれば、バイオリアクターは、実際には使用することができない場所で使用することができる。

少なくとも一つのチャンバーは、好ましくは、チャンバー包囲壁を形成する第１および第２壁を含み、第１および第２壁は、チャンバーの高さ方向に少なくとも部分的に互いに接続され、第１および第２壁は、プラスチック材料の可とう性シートから作製される。チャンバーの第１および／または第２壁がバイオリアクター包囲壁の一部を形成する場合、材料の更なる削減および構造の更なる単純化がもたらされる。

チャンバーの第１の好ましい態様において、チャンバーの第１および第２壁は各々、第１および第２上縁ならびに第１および第２下縁を有し、第１および第２上縁は互いに接続され、第１および第２下縁は互いに接続され、そのようにして、閉じた体積部分を有するチャンバーが提供される。そのようなバイオリアクターの一例は、ハニカム構造の形状を有するリアクターである。

チャンバーの第２の好ましい態様において、チャンバーの第１および第２壁は各々、第１および第２上縁ならびに第１および第２下縁を有し、バイオリアクターのハウジングは上縁および下縁を有し、バイオリアクターのハウジングは上壁および下壁ならびに包囲壁を有する。第１および第２上縁はハウジングの上壁に接続され、第１および第２下縁はハウジングの下壁に接続され、ハウジング包囲壁と隣接するチャンバーの直立した縁は、この包囲壁と、その高さの少なくとも一部にわたって接続される。この態様において、チャンバーの上壁および下壁がハウジングの上壁および下壁によって形成されるので、閉じた体積部分を有するチャンバーが提供される。

この接続は、当業者に公知のいずれかの方法、例えば、溶接または接着、または当業者による適切であろう他のいずれかの方法によって得ることでき、チャンバーの寸法を目的とする用途に適合させる可能性を残している。

バイオリアクターにおける加圧は様々な方法で得ることができる。第１の態様によれば、少なくとも一個のチャンバーにおいて、チャンバー内の圧力がバイオリアクターの外部の圧力より大きいように加圧が保持される。第２の態様によれば、バイオリアクターが、隣接するチャンバーの複数の列を含み、バイオリアクターの外部の圧力より大きいが少なくとも一つのチャンバー内の圧力より小さい圧力下で媒体を受容するための空間が、チャンバーの隣接する列の間に与えられるので、加圧が保持される。

加圧を保持する方法は、当業者に公知の方法、例えば流体またはガス、または下層および上層を有する２層もしくはそれより多くの層システム等であってよく、下層は第１流体であり、上層は第２流体またはガスから選択される。

本発明は、添付の図面および図面の説明において更に明確にされる。

図１は、本発明のバイオリアクターの好ましい態様の内部の斜視図を示す。 図２は、本発明のバイオリアクターの隣接するチャンバーの好ましい態様の詳細を示す。 図３は、本発明のバイオリアクターの隣接するチャンバーのもう一つの好ましい態様の水平断面を示す。 図４は、本発明のバイオリアクターの隣接するチャンバーの更なる好ましい態様の詳細を示す。 図５は、本発明のバイオリアクターのもう一つの好ましい態様の概略図を示す。 図６は、本発明のバイオリアクターの少なくとも一つのチャンバーのチャンバー入口の好ましい態様の詳細を示す。 図７は、本発明のバイオリアクターのもう一つの好ましい態様の概略図を示す。 図８は、本発明のバイオリアクターのもう一つの好ましい態様の詳細を示す。

本発明のバイオリアクター１の第１の好ましい態様は、図１に示され、閉じた内部６を取り囲む壁を有する閉じたハウジング２を含む。ハウジング壁は、包囲壁３ならびに上壁４および下壁５を有する。バイオリアクターは、少なくとも一つの、好ましくは複数のチャンバー１０も含み、それらはハウジング２の壁と少なくとも部分的に接続される。

ハウジング壁は、可とう性プラスチック材料のシートから作製される。そのために、当業者に公知のいずれかのプラスチック材料、例えばポリエチレン、ＰＶＣ、ポリプロピレン、ナイロン、またはこれらの材料の１層もしくはそれより多くの層を含む複層構造を用いることができる。ハウジング包囲壁、上壁および下壁は、同じ又は異なる材料から作製され得る。バイオリアクターを光バイオリアクターとして用いる場合、可とう性プラスチック材料は好ましくは光に対して透明である。特にバイオリアクターを光バイオリアクターとして用いる場合において、チャンバーを密に配列する場合、バイオマス生産を増加させるためにバイオリアクターの内部でより大きい光強度を得るためには、下壁は、好ましくは光を反射するプラスチック材料から作製される。

好ましい態様において、バイオリアクター内の温度を制御するために与えられる追加の材料がハウジング壁材料に添加され、またはハウジング壁の少なくとも一部の表面における追加の層の形で与えられる。これは、バイオリアクターを光バイオリアクターとして用いる場合に特に適している。材料は、当業者が適していると考えるいずれかの材料、例えば硫酸銅等であり得る。例えばバイオリアクターの上側のハウジング壁の表面に追加の硫酸銅層を加えることによって、特定の振動数の光が追加の層で吸収され、バイオリアクターに入ることが防止されるだろう。その吸収は、バイオリアクター内のより良好な温度制御をもたらし得、その結果、バイオリアクターの効率を増加させることができる。

バイオリアクターの内部６は少なくとも一つのチャンバー１０を含み、そのチャンバー１０において、処理すべき材料が反応または変換または処理されて最終生成物が形成される。チャンバー１０は好ましくはバイオリアクターの高さ方向に延在する。

本発明のバイオリアクターは、好ましくは、隣接するチャンバーの列２５または複数のそのような列を含む。列は、バイオリアクターの横方向または縦方向に延びて、リアクター表面および体積を増加させることができる。好ましくは、複数のそのような列２５は、ハウジングの内部６に設けられる。隣接する列は、好ましくは互いに平行に、かつバイオリアクターの側壁の一つと平行に延びるが、このことは必須ではない。

各チャンバーは包囲壁１５を含み、これは、対向する第１および第２チャンバー壁１１、１２を含む。図１に示すように、第１チャンバー壁１１は好ましくは第１プラスチックホイルから作製され、第２チャンバー壁１２は好ましくは第２プラスチックホイルから作製される。第１および第２プラスチックホイルは、局所的に互いに接続される。複数の隣接するチャンバーは、例えば図１に示すように、第１および第２ホイルをそれらの高さの少なくとも一部にわたって互いに接続させることによって得られる。接続は、当業者に公知のいずれかの方法、例えば溶接または接着または他のいずれかの接続技術によって行われ得る。図１に示すように隣接するチャンバー間の流れが望ましくない場合、接続部は連続的であり得、または一つまたは複数のチャンバーにわたる液体およびガスの流れを制御し且つ枝分かれさせる可能性が望ましい場合、接続部は中断させられ得る（または途切れさせられ得る）。接続部を中断させることは、異なるチャンバー間で多くの材料交換が得られるという利点を有する。バイオリアクターを例えば光バイオリアクターとして使用し、ガスおよび処理すべき材料がチャンバーに供給される場合、ガスベル（ｇａｓ ｂｅｌｌｓ）は広範囲を有し、複数のチャンバーに導かれ、多数の隣接するチャンバーを連続的に通過するだろう。ガスベルおよび材料の流れは、異なるチャンバー間の中断によって減速するだろう。このことによって、処理すべき材料との長時間接触およびより良好なガス交換がもたらされる。その結果、バイオリアクターの効率が改善されるだろう。好ましくは、接合部の位置は図８に示すように互いに千鳥配列状に（または互い違いに）配置される。異なるチャンバー間でのガスベルおよび処理すべき材料のより均一な分配、およびより良好な混合がもたらされるので、そのような構成が好ましい。中断接続部のもう一つの利点は、隣接するチャンバー間の交換を達成するために、バイオリアクターを完全に満たす必要がないということである。中断によって、バイオリアクターを満たす材料の量と無関係に連続的交換が提供される。この連続的交換のもう一つの利点は、バイオリアクターが、バイオリアクターを設置する面のレベルの偏りにあまり依存しないことである。

第１および第２ホイルは、同じ又は異なる材料から作製され得るが、好ましくは同じ材料から作製される。第１および第２チャンバー壁は、あるいは、図４に示すように１枚のホイルから作製してよい。図４に示すように、ホイルの一部を局所的に接続させることによって多数の隣接するチャンバーが製造される。接続部は連続的であり得、または中断させられ得る。特にバイオリアクターを光バイオリアクターとして用いる場合、少なくとも一つのチャンバーは、好ましくは光に対して透明な材料から作製される。この材料は、ハウジング壁の一つと同じ又は異なる材料であり得る。

第１および第２ホイルの接続によって、チャンバー１０の寸法を目的とする用途に適合させることが可能となる。例えば、連続した接続部間の距離が一定であり、その結果、全てのチャンバーが同一の体積を有するバイオリアクターを得ることが可能である。しかし、連続した接続部間の距離を変化させて体積の異なるチャンバーを有するバイオリアクターを設けることも可能である。

チャンバー１０の少なくとも一部、しかし、好ましくは全てのチャンバー１０がハウジング壁に接続され、そのことによって、バイオリアクターのハウジング２を、リアクター体積部分として機能するチャンバー１０と一緒に、別の工程でチャンバーをハウジングに接続させることを必要とすることなく一度に全体として組み立てることが可能となる。本発明によれば、これは多数の異なる方法で行うことができる。

図３に示す第１の態様によれば、チャンバー１０の第１または第２壁１１、１２は、バイオリアクターのハウジング包囲壁の一部を形成する。具体的には、包囲壁の側面３３は、その側面側にあるチャンバー１０の壁を形成するシートによって形成される。包囲壁の他の側面３４は、該他の側面側にあるチャンバー２０の壁を形成するシートによって形成される。この態様において、チャンバー１０、２０の第１壁１１は、第１上縁および第１下縁を有し、チャンバー１０、２０の第２壁１２は、第２上縁および第２下縁を有する。閉じたチャンバー１０、２０が設けられるように、第１および第２上縁は互いに接続され、第１および第２下縁は互いに接続される。そのようなバイオリアクターは組み立てが非常に容易であり、少ない操作で設置することができる。バイオリアクターは、好ましくは、図３に示すようにハニカム構造の形状を有するが、バイオリアクターが自立する限りにおいて、当業者に公知の他の任意の形状をとり得る。

図１に示す第２の好ましい態様によれば、隣接するチャンバー１０の複数の列２５が、ハウジング２の内部６に設けられる。図示する態様において、列はリアクターの横方向に延びるが、列は、リアクターの縦方向または他のいずれかの方向に延びることも可能である。チャンバーの列はハウジングに接続される。そのために、第１ホイルは第１上縁２３を有し、第２ホイルは第２上縁２４を有する。第１および第２上縁２３、２４は、好ましくは連続的接続によって、ハウジングの上壁４に接続される。第１シートは第１下縁２６を有し、第２シートは第２下縁２７を有する。第１および第２下縁２６、２７は、連続的接続によってハウジングの下壁５に接続される。必要であれば、チャンバーの第１列３１の第１壁２１は、ハウジングの第１側壁を形成することが可能であり、従って、図２に示すように、ハウジング２の第１側壁９に一体化させることが可能であり、チャンバーの最終列３２の第２壁２２は、ハウジングの第２側壁１９を形成することが可能であり、従って、ハウジングの側壁に一体化させることが可能である。このことによって、第１および第２側壁９、１９はハウジング２の対向する側に位置する。この態様によって材料の節約がもたらされる。図２に示すように、チャンバー１０、２０の隣接する列の間に空間３０が設けられる。

必要であれば、ハウジングのチャンバーの取り外し可能な接続部は、必要な場合にチャンバーの１列またはそれより多くの列を交換し得るように設けることができる。

図４に示す第３の態様によれば、チャンバーまたはチャンバーの列の第１および第２壁１１、１２は、１枚のシートで形成され、あるいは、ハウジング２の上壁４および下壁５に接続される。接続部は、好ましくは連続的であるが、空間３０への流れを意図する場合には中断させてもよい。

本発明のバイオリアクターの各チャンバーは、処理すべき材料をチャンバーに供給するためのチャンバー入口１３、１７、および処理された材料をチャンバーから排出するためのチャンバー出口１４、１８を含む。チャンバー入口および出口は、好ましくはバイオリアクターと一体に作製される。チャンバー入口および出口は、当業者が適切であると考えるいずれの形状をとってもよい。チャンバー入口は、図６に示すような開口部の形状をとり得る。同様に、チャンバー出口は開口部の形状をとり得る。本発明のバイオリアクターのハウジングは、処理すべき材料をチャンバーのチャンバー入口へ供給するためにチャンバー入口に接続されるハウジング入口７を含む。ハウジングは、チャンバー出口を通ってチャンバーから出る反応生成物を排出するためにチャンバー出口に接続されるハウジング出口８も含む。図５に示すように、ハウジング入口および出口は、好ましくはバイオリアクターと一体に作製される。ハウジング入口および出口は、当業者が適切であると考えるいずれの形状を取ってもよい。ハウジング入口および出口７、８は簡単な開口部の形状をとり得、そこで、リアクターを設置する際に追加の部品が設けられる。ハウジング入口および出口は、バイオリアクターの残りの部分より可とう性が低く厚いプラスチック材料から作製してもよく、それらはハウジングに接続される。処理すべき材料は、流体、固体もしくはガス状であってよく、またはその中の二つ若しくはそれより多くを含んでよい。最終生成物もまた、流体、固体もしくはガス状またはその中の二つ若しくはそれより多くであってよい。チャンバーおよび／またはハウジング入口は通常、バイオリアクターの下方に位置し、チャンバーおよび／またはハウジング出口は通常、バイオリアクターの上方に位置する。チャンバーおよび／またはハウジング入口および出口の両方がバイオリアクターの下方または上方に位置し得る。

図８は、ハウジング出口がバイオリアクターの下方に位置する、本発明のバイオリアクターの詳細を示す。図８に示すように、バイオリアクターは多数の隣接するチャンバーを含む。各チャンバーは、対向する第１および第２チャンバー壁１１、１２を含む。第１チャンバー壁１１は、好ましくは第１プラスチックホイルから作製され、第２チャンバー壁１２は、好ましくは第２プラスチックホイルから作製される。第１および第２プラスチックホイルは、局所的に互いに接続される。接続部は途切れており、それによって、異なるチャンバー間の多くの材料交換が可能となる。図８に示すバイオリアクターは、各チャンバーに少なくとも部分的に接続されたハウジング壁を更に含む（図示せず）。図８に示すバイオリアクターは、少なくとも一つのチャンバーにおける所定のレベルを超える処理された材料の受容および排出のために設けられるオーバーフロー・チャンバーを更に含む。オーバーフロー・チャンバーは、少なくとも一つのチャンバーを通る材料の流れの方向に対して並行して延在し、ハウジングの側壁および所定のレベルまで延在する分離壁を含む。分離壁は、ハウジングに隣接する少なくとも一つのチャンバーの側壁または別個の壁であり得る。オーバーフロー・チャンバーは、少なくとも一つのチャンバーのチャンバー出口として機能する。処理された材料が、オーバーフロー・チャンバーのチャンバー壁の上側によって規定されるレベルに達する場合、処理された材料は、少なくとも一つのチャンバーから、通常バイオリアクターのハウジング壁の底部に設けられるハウジング出口へと排出される。オーバーフロー・チャンバーは、ガス等の他の種類の材料の出口として機能してもよい。ハウジング出口をバイオリアクターの底部側に設けることは、製造がより容易であるという利点を有する。もう一つの利点は、バイオリアクターを光バイオリアクターとして用いる場合、斜光の一部分が吸収されることによりハウジングおよびチャンバー出口がバイオリアクターの効率に悪影響を与えることがないことである。

図１、２および４に示すように、第１および第２シートは、それらの高さ部分に沿って互いに接続されるのみであり、それによって、処理すべき材料をチャンバー１０、２０に供給するための供給配管１３が、隣接するチャンバーの列に沿って下方に形成され、最終生成物を排出するための排出配管１４がチャンバーの頂部に形成される。必要ならば、供給配管１３および／または排出配管１４は、隣接するチャンバーの列の全体または一部に沿って延在し得る。

チャンバーおよびハウジング入口の好ましい態様を図５に示す。図５に示すバイオリアクターは、隣接するチャンバーの平行に延びる多数の列を含む。隣接するチャンバーの一の列は、プラスチック材料の第１および第２シートを、少なくとも一つのチャンバーの高さ方向に少なくとも部分的に接続することによって形成される。第１および第２シートは、それらの高さ部分に沿って互いに接続されるのみであり、それによって下側および上側配管が形成される。上側配管は、例えば、処理された材料が各チャンバーから上側配管を通ってハウジング出口８へのオーバーフロー・チャンバーへと排出されるように、オーバーフロー・チャンバーに接続してよい。一の列の異なるチャンバーは、例えば異なるチャンバー間の中断接続部によって互いに接続される。バイオリアクターは、バイオリアクターのハウジングの内部に一体化された、バイオリアクターの縦方向に延在し且つ隣接するチャンバーの異なる平行な列を接続する少なくとも一つの供給配管を含む。供給配管は、好ましくは可とう性シート材料から作製される。好ましくは、供給配管とチャンバーの列と間の各交差点において供給配管に穴が作製され、その穴は、図６に示すように、隣接するチャンバーのその列に対するチャンバー入口として機能する。供給配管は、図５に示すように下側配管を通じて各チャンバーに接続してよい。次に、処理すべき材料は、まず供給配管から下側配管に供給され、その下側配管によって、その後、処理すべき材料が各チャンバーに供給される。供給配管はハウジング入口を更に含み、そのハウジング入口は、ハウジング壁を通って延びる供給配管における開口部の形状で設けられ、その開口部に接続部材が挿入される。処理すべき材料はハウジング入口に供給され、次に、供給配管を通って異なるチャンバー入口に輸送される。各チャンバー入口が好ましくはバイオリアクターと一体に作製されるので、また、各チャンバー入口がハウジング入口に接続されるので、バイオリアクターを組み立てる際に各チャンバー入口を個別に供給配管に接続させる必要はない。ハウジング入口を供給配管に接続させるので十分である。

チャンバーおよびハウジング入口のもう一つの好ましい態様を図７に示す。図７に示すバイオリアクターは、隣接するチャンバーの平行に延びる多数の列を含む。隣接するチャンバーの一の列は、プラスチック材料の第１および第２シートを、少なくとも一つのチャンバーの高さ方向に少なくとも部分的に接続することによって形成される。第１および第２シートは、それらの高さ部分に沿って互いに接続されるのみであり、それによって上側配管が形成される。バイオリアクターは、バイオリアクターのハウジング内部に一体化された供給配管を含み、その供給配管は、隣接するチャンバーの各列の真下に延在するように、バイオリアクターの下方においてヘアピン状に曲がっている。供給配管は多数の開口部を含み、その開口部によって、供給配管が処理すべき材料をバイオリアクターの各チャンバーに供給することが可能となる。好ましくは、供給配管は、チャンバーとの各交点において開口部を含む。これによって、隣接するチャンバー間の接続部が連続的である又は中断させることが可能となる。供給配管は、好ましくは可とう性シート材料から作製される。図７に示すハウジング入口は、図５に示すものと同じであるが、当業者が適切であると考える他のいずれの形状も有し得る。各チャンバー入口がバイオリアクターと一体に作製されるので、また、各チャンバー入口がハウジング入口に接続されるので、バイオリアクターを組み立てる際に各チャンバー入口を個別に供給配管に接続する必要はない。

各チャンバーに同量の処理すべき材料および／またはガスを供給するために、チャンバー入口には通常、処理すべき材料および／またはガスを圧力下で少なくとも一つのチャンバーに供給する開口部が設けられる。処理すべき材料および／またはガスを少なくとも一つのチャンバーに供給するための圧力を制御することによって、バイオリアクターは、異なるチャンバー間のレベルの違いに関係なく、同量の処理すべき材料および／またはガスをバイオリアクターの各チャンバーに供給することができる。

チャンバー出口およびハウジング出口の形状は、チャンバー入口およびハウジング入口と同じであってよいが、例えばバイオリアクターの上方に設けてよい。

バイオリアクターを光バイオリアクターとして用いる場合、バイオリアクターは、好ましくは、ガスを各チャンバーに供給するための、ガスハウジング入口および各チャンバーに対するガスチャンバー入口を含む。ガスハウジング入口およびチャンバー入口は、好ましくは、バイオリアクターを組み立てる際に異なるガスチャンバー入口を個別にガス供給に接続する必要がないように、バイオリアクターと一体に作製される。図５および７において、バイオリアクターはガス供給配管を含み、そのガス供給配管は材料供給配管と平行に延在し、材料供給配管と類似した形状を有する。ガスは、脈動的な方法でガスハウジング入口３８に供給してよい。これは、チャンバー壁の内側に付着する傾向にある材料部分を離すという利点を有する。これによって、材料損失の減少およびバイオリアクター全体の効率の改善がもたらされる。

本発明のバイオリアクターは自立し、このことは、バイオリアクター又はバイオリアクターの一部を支持構造物に接続させる又は吊り下げることを必要とすることなく、バイオリアクターを組み立て得ることを意味する。この自立特性には、バイオリアクター１、特にハウジング２が閉じた体積部分を形成すること、並びにバイオリアクターにおいてリアクター圧力がバイオリアクターの外部の外圧より大きいことが含まれる。これは、多数の異なる方法で達成し得る。バイオリアクターにおける加圧は、例としては、例えばチャンバー１０、２０における流体（または液体）またはガスに過圧をもたらすことにより、チャンバー１０、２０に過圧を与えることによって得ることが可能である。加圧は、図２、５および７に示すシステムによって得ることも可能であり、そのシステムにおいて、チャンバー間の空間３０が加圧下にて媒体で満たされる。媒体は、例えばガスもしくは流体（または液体）、または第１および第２流体（第２流体は第１流体の上にある）、または下側流体相および上側ガス相であり得る。この場合、図５および７に示すように、ハウジングは、媒体を圧力下で供給するための入口３７も含むだろう。チャンバー内の密度が周囲の媒体の密度より小さい場合、少なくとも一つのチャンバーをその底部側でハウジング壁に接続させるので十分である。チャンバーの底部側に供給される気泡は、少なくとも一つのチャンバーに十分な構造をもたらすだろう。チャンバー間に供給される媒体を調節してよく、例えばバイオリアクターの効率を改善するのに用いてよい。チャンバーの異なる列の間の媒体の調節は、例えば、チャンバーの外部で藻類が成長する危険性を減らすため、またはバイオリアクター内の温度を制御するために用いてよい。媒体が液体である場合、媒体は温度緩衝剤として機能し、バイオリアクター内の温度をある程度調節する。

本発明のバイオリアクターは、全ての部材、即ちリアクター壁および供給器−入口および排出器−出口を可とう性シート材料から作製可能であるという利点を有する。しかし、入口および出口を形成する部材を、可とう性がより低いがより強固であり、手荒な扱いに対してよりよく耐える別の材料で作製する可能性が未だ存在する。このように、組み立てられておらず満たされていない状態において、小さい体積に折り畳む又は巻き取ることが可能であり、保管スペースがほとんど必要とされず、輸送が容易であるシステムが提供される。取り外し（または解体）も非常に簡単である。条件に対して媒体を調節することによって、本発明のバイオリアクターは多数の異なる場所、現在のところ実用的に使用されない場所で組み立てるのに適している。本発明のバイオリアクターは、閉じた体積部分を形成するので、蒸発の結果として水を消費しないことが特に好都合である。バイオリアクターは、例えば陸地で組み立てることができるが、水中で組み立てることもできる。この後者の場合において、空間３０の全体または一部を流体で満たし、バイオリアクターを水中に浮かせる又は浮かせないことを選択することができる。バイオリアクターを水中で組み立てる場合、バイオリアクターの部材が壊れることを防ぐために、バイオリアクター内の圧力は、隣接する水柱の高さによって引き起こされる圧力より少なくとも大きいことが必要とされる。

本発明のバイオリアクターは、多様な異なる用途に使用するのに適している。バイオリアクターは、特にバイオマスを成長させるための、光バイオリアクターとして使用するのに特に適しているが、標準的なバイオリアクターとして使用するのにも適している。その場合、バイオマスのための栄養物は入口７を通ってバイオリアクターに供給され、バイオリアクターは通常、ガスを供給するための追加のガス入口を含むだろう。

本発明のバイオリアクターは、高収率、並びに低い投資コスト、材料コストおよび組み立てコストに対する要求を満たし、費用対効果の高いシステムをもたらす。

藻類は、バイオマスの製造に関して自然界に存在する最も有効な有機体である。藻類は、農業によって得られるバイオマスより１０〜３０倍速い速度でバイオマスを製造することができる。このことは、西ヨーロッパ等の人口の多い地域で特に重要であり、そこでは、作物の収穫からのエネルギー生産が、限られた広さの農地によって制限される。更に、藻類は、大量の油および脂肪酸を製造することができるが、特別な化合物を製造するのに使用することもできる。従って、藻類は、油脂化学、薬学、食品産業のソースとして適している。本発明のバイオリアクターは、例えば、食品産業、化粧品、香料、個人のヘルスケア製品、バイオ潤滑剤（ｂｉｏｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ）およびバイオ燃料に用いられる特別な油の製造において好都合に使用され得る。特に、その最後の用途は、伝統的な農業によって得られる量より数倍多い量を製造し得るので、重要である。

Claims (23)

1. 複数のチャンバー（１０、２０）を含むバイオリアクター（１）であって、複数のチャンバーの各々が、チャンバー壁（１１、１２、１５、２１、２２）を含み、かつバイオマスを収容するために設けられ、複数のチャンバーの各々が、処理すべき材料をチャンバー（１０、２０）に供給するためのチャンバー入口（１３、１７）、および処理された材料をチャンバー（１０、２０）から排出するためのチャンバー出口（１４、１８）を更に含み、複数のチャンバー（１０、２０）が、プラスチック材料の少なくとも１枚の可とう性フィルムを含む材料から作製されたバイオリアクター（１）において、
   ・ バイオリアクターが、複数のチャンバー（１０、２０）を含む閉じた体積部分を形成すること、
   ・ バイオリアクターが、ハウジング壁（３、４、５、９、１９）を有する閉じたハウジング（２）を含み、複数のチャンバー（１０、２０）の少なくとも一部は、ハウジング壁（３、４、５、９、１９）に接続され且つ一体化されること、
   ・ ハウジング壁が可とう性プラスチック材料から作製されること、
   ・ ハウジングが、材料をチャンバー入口（１３、１７）に供給するために複数のチャンバー入口に接続されるハウジング入口（７）、および処理された材料をチャンバー出口（１４、１８）から排出するために複数のチャンバー出口に接続されるハウジング出口（８）を含むこと、
   ・ バイオリアクターにおいて、バイオリアクターが自立するように、バイオリアクターの外部の外圧より大きいリアクター圧力が保持されること
   を特徴とする、バイオリアクター（１）。
2. 複数のチャンバー（１０、２０）がバイオリアクターの高さ方向で延在することを特徴とする、請求項１に記載のバイオリアクター。
3. 複数のチャンバー入口（１３、１７）および／またはハウジング入口（７）、並びにチャンバー出口（１４、１８）および／またはハウジング出口（８）が、可とう性シート材料から、バイオリアクターと一体に作製されることを特徴とする、請求項１または２に記載のバイオリアクター。
4. 複数のチャンバーの各々が、チャンバー（１０、２０）に対してチャンバー包囲壁（１５）を形成する第１（１１、２１）および第２（１２、２２）チャンバー壁を含み、第１（１１、２１）および第２（１２、２２）チャンバー壁は、チャンバー（１０、２０）の高さ方向に少なくとも部分的に互いに接続され、第１（１１、２１）および第２（１２、２２）チャンバー壁は、プラスチック材料の可とう性シートから作製されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバイオリアクター。
5. ハウジング（２）が、ハウジング包囲壁（３）を有すること、並びに第１（１１、２１）および第２（１２、２２）チャンバー壁の少なくとも一つが、ハウジング包囲壁（３）の一部を形成することを特徴とする、請求項４に記載のバイオリアクター。
6. 複数のチャンバー（１０、２０）の第１（１１、２１）および第２（１２、２２）チャンバー壁が各々、第１（２３）および第２（２４）上縁ならびに第１（２６）および第２（２７）下縁を有し、第１（２３）および第２（２４）上縁は互いに接続され、第１（２６）および第２（２７）下縁は互いに接続されることを特徴とする、請求項５に記載のバイオリアクター。
7. バイオリアクターのハウジングが、上側（４）および下側（５）のハウジング壁を有し、複数のチャンバー（１０、２０）の第１（１１、２１）および第２（１２、２２）チャンバー壁が各々、第１（２３）および第２（２４）上縁ならびに第１（２６）および第２（２７）下縁を有し、第１（２３）および第２（２４）上縁は上側ハウジング壁（４）に接続され、第１（２６）および第２（２７）下縁は下側ハウジング壁（５）に接続されることを特徴とする、請求項４〜６のいずれか１項に記載のバイオリアクター。
8. バイオリアクターが、チャンバーの直立した縁に沿って互いに接続された、隣接するチャンバーの少なくとも一つの列（２５、３１、３２）を含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のバイオリアクター。
9. 隣接するチャンバー間の接続部が、少なくとも一つの中断接合部を含むことを特徴とする、請求項８に記載のバイオリアクター。
10. 隣接する中断接合部が、千鳥配列状の構造で互いに配置されていることを特徴とする、請求項９に記載のバイオリアクター。
11. 複数のチャンバー（１０、２０）の各々において、チャンバー圧力がバイオリアクターの外部の外圧より大きいことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のバイオリアクター。
12. バイオリアクターが隣接するチャンバーの複数の列を含み、バイオリアクターの外部の外圧より大きい又はそれと等しいが、複数のチャンバーの各々におけるチャンバー圧力より小さい圧力下で媒体を受容するために、チャンバーの隣接する列の間に空間（３０）が設けられていること、およびハウジングが、該媒体を該空間に供給するための少なくとも一つの媒体入口（３７）を含むことを特徴とする、請求項１１に記載のバイオリアクター。
13. 加圧をもたらす手段が、流体またはガス、または下層および上層を有する２層もしくはそれより多くの層システムから選択され、下層は第１流体であり、上層は第２流体またはガスから選択されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のバイオリアクター。
14. 複数のチャンバーの第１（１１、２１）および第２（１２、２２）チャンバー壁が、光に対して透明な材料のシートの第１材料から作製されること、並びにバイオリアクターのハウジング（２）が、光透過ホイルである第２材料から少なくとも部分的に作製され、第１および第２材料が同じである又は異なることを特徴とする、請求項４〜１３のいずれか１項に記載のバイオリアクター。
15. ハウジング壁の少なくとも一部が光反射シート材料でできていることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のバイオリアクター。
16. バイオリアクターが、複数のチャンバーの各々における所定のレベルを超える処理された材料の受容および排出のために設けられるオーバーフロー・チャンバーを含み、オーバーフロー・チャンバーは、複数のチャンバーを通る材料の流れの方向に並行して延在し、ハウジングの側壁および所定のレベルまで延在する分離壁を含むことを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のバイオリアクター。
17. ハウジング壁が、バイオリアクターの内部の温度を制御するための追加の材料を含むことを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか１項に記載のバイオリアクター。
18. 複数のチャンバー入口が、処理すべき材料を制御された方法で複数のチャンバーに供給するために設けられた開口部を含むことを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項に記載のバイオリアクター。
19. バイオリアクターが接続部材で互いに接続されていることを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか１項に記載のバイオリアクターを２個またはそれより多く含む、集積システム。
20. 供給物が複数のチャンバーへのハウジング入口に供給され、藻類によって製造されるバイオマスがハウジング出口を通って排出される、藻類の製造のための、請求項１〜１８のいずれか１項に記載のバイオリアクターの使用。
21. 前記少なくとも１個のチャンバーにおいて、バイオリアクターの外側の圧力より高い圧力が保持される、請求項２０に記載の使用。
22. 供給物が、流体、固体、気体、またはそれらの２個もしくはそれより多くを含む材料である材料から選択される、請求項２０又は２１に記載の使用。
23. 食品産業、化粧品、香料、個人のヘルスケア製品、バイオ潤滑剤、およびバイオ燃料に用いられる特別な油の群から選択される製品を製造するための、請求項１〜１８のいずれか１項に記載のバイオリアクターの使用。

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